数字时代文物虚拟展示实践研究

夏梦雪 吕逸飞

课题来源：《基于多学科交叉融合的艺术与科技专业课程思政教育实施与发展策略研究》，四川省2021—2023年高等教育人才培养质量和教学改革项目重点项目，主持人：王烈娟，项目标号：JG2021-1484

摘要：虚拟展陈不仅是对传统文物展陈的补充和发展，更是对虚拟现实技术本身的创新应用，也将进一步推动博物馆的数字化升级。据此，对数字文物、虚拟展陈等内容进行持续深入的创新研究，无疑具有重要意义。本次实践以三星堆文物为研究对象，完成三维点云虚拟展示实践研究，旨在拓展文物保护与虚拟展陈的多样性，强化虚拟展示的传播和教育功能，为数字文物研究提供一定的理论和应用参考价值。本文认为数字文物的虚拟展示应符合数字时代的发展需求，艺术与科技的创新融合将会为我国文物保护与数字传播，以及文化价值创新提供丰富的应用场景和实践空间。

关键词：数字博物馆；虚拟展陈；数字文物；三维点云

一、研究背景

展示设计作为集合展示空间、数字媒体、文化信息、商业管理的一门综合性学科，对我国文物的传播和保护工作具有重要意义。近几年，无论是虚拟展示还是移动平台展示形式，已经在各类展陈设计中初见端倪。其中，数字化虚拟展示为传统实物展示拓展了无限空间和时间的可能性。例如，北京故宫博物院与腾讯携手推出的“数字故宫”小程序2.0版本，于2021年12月21日正式上线。“数字故宫”以“智慧开放”理念，优化无障碍功能升级，让大众可以随时随地触达故宫、走进故宫。再如，三星堆博物馆聚焦文物数字化采集、文物3D模型建立，以及文物数字化展示传播等方面，有力推动了地方珍贵文物的数字化建设发展。本文所涉及的研究之意义在于，以三星堆文物虚拟展示为实践研究，拓展地方文物保护与展陈的多样性，强化虚拟展示的传播和教育功能。虚拟展陈不仅是对传统文物展陈的补充和发展，更是对虚拟现实技术本身的创新应用，也将为我国博物馆数字化发展提供一定的理论和实践依据。

二、国内研究现状

我国历来对文化遗产和珍贵文物的数字化建设高度重视。本文认为数字文化遗产建设的主要目的之一是利用信息技术和数字技术、人工智能技术等，对我国优秀文化遗产进行深度保护和价值开发。目前，数字博物馆是我国数字文化遗产建设的常见形式之一，能为参观者提供更直观准确且生动有趣的数字化文物信息。例如，中国国家博物馆数字化建设的成功案例为我国数字文化遗产发展与保护提供参考性价值（马玉静，2016）。同时，元宇宙数字博物馆、数字孪生技术（顾振清等，2022）也逐步融入数字博物馆建设系统之中。然而，国内数字博物馆整体建设的起步相对于国外较晚，基于我国文化遗产特色的数字博物馆建设理论和创新应用实践仍有待深入研究。数字博物馆整体建设需要完善数字文物、虚拟展陈，以及空间交互等诸多应用的实践创新，解决数字化展示场景中的人与展品、空间之间的关系问题。此外，数字文物建设标准体系（魏利伟等，2016）、创新跨界人才培养等方面仍需进一步补齐短板。

三、数字文物展示实践研究

当下数字文物的展示设计，通常需要运用三维虚拟建模和空间模拟系统，立体化呈现文物展品的样式与特征。其中，三维建模是常用的实物虚拟展示技术之一，通过计算机对实物几何参数和材质参数等进行辅助生成实物或空间模拟系统。随着计算机应用技术的发展，点云建模逐渐成为新兴虚拟实物建模技术之一。点云建模不同于几何参数建模，是基于点云数据的建模方式（史宜南等，2016）。点云数据是指在一个三维坐标系统中的一组向量集合，每一个点都包含三维坐标，部分点可能含有颜色信息或反射强度信息等。本文以三星堆遗址文物的数字化保护与展示作为研究内容，着重对三星堆重点文物进行三维点云技术应用研究，将文物形态以虚拟效果呈现在数字空间中，作为一种数字展品供大众参观和学习。

（一）三星堆文物的特点分析

三星堆遗址的发掘意义深刻，其是古蜀文化和长江流域青铜文明的代表之一。三星堆遗址文物以青铜器和金器、玉器为主，但存在不同程度的腐蚀和损坏问题。其中，三星堆人首青铜器造型辨识度颇高，眼部呈突出的三角形，耳部呈四方形，嘴形长而扁。而青铜器本身易受锈蚀而缺失金属的光泽感，形成覆盖铜绿的独特青绿色颗粒质感。为实现我国珍贵文物的数字化保护目的，如表1所示，本次研究对象以三星堆博物馆中典型的青铜器文物藏品为主，包括青铜纵目面具、金面铜人头像、青铜人头像、青铜花果与立鸟等多件文物。在实践研究中，三星堆青铜器独有的青绿色质感和立体造型，在点云模型的渲染中应加以重点考虑和效果呈现。

（二）三维点云模型应用研究

1. 三维点云模型创建过程

本次实践以研究对象的照片替代三维扫描技术作为建模素材，试验如何提高三维虚拟建模技术的多样化、使用效率和还原度。在应用软件方面，选用Touchdesigner交互设计平台，创建文物的三维点云效果。Touchdesigner交互设计平台属于数字交互媒体，是运用可视化编程完成复杂设计的工程软件，在数字艺术效果和动态交互设计方面有一定创新优势。目前，中央美术学院、广州美术学院等一流艺术设计类高校已将Touchdesigner交互設计平台纳入教学体系中，培养跨学科创新型人才。

如图1所示，工程文件以青铜纵目面具文物为例，由Touchdesigner节点式可视化编程对文物图片进行点云数据处理，经过反复调整点云噪点等参数，完成青铜纵目面具文物的三维点云效果。如图2所示，在此基础上选取金面铜人头像和青铜人头像进行三维点云效果优化渲染。由于噪点参数易受照片明暗和色彩的影响，使三维点云的立体呈现效果呈现扁平化。因此，本次实践中提高了文物图片的对比度，以突出点云效果的立体感和粒子感。

2. 三维点云模型保真问题

三维数字建模应尽可能精细地还原实物，而在我国数字博物馆中建模往往存在细致度和创新度不高的问题。周波（2011）认为，以三维建模技术进行虚拟文物展示设计时，“在形制、尺寸、功能、材质、色彩、装配方式、使用方式、痕迹等方面，应力求还原文物的高保真状态，不仅包括实物外在状态，还包括以动态视频展示点云效果的流动，以此产生逼真的模拟还原。”因此，在数字博物馆应用实践中应注重文物模型建立和后期渲染，都尽可能地还原文物展品的立体感和材质特性。由于本次实物照片不及激光扫描的精度和视域，实践结果表明未使用激光，点云技术的建模速度虽快，但也对建模精度和视域造成了影响。此外，为提高数字展品的立体感和材质特性，本次实践提高了照片的对比度，但也对建模的还原性产生了一定影响，有待进一步优化实验以解决此类问题。

（三）三维点云艺术化创新实验

为弥补图片点云建模在精度、还原度和视域等方面的问题，本次实践在图片点云模型基础上拓展了虚拟文物创新展示实践，以色彩参数和运动参数的变化，呈现数字文物的动态虚拟点云效果，创新三星堆文物数字化展示方式。

在色彩参数实验方面，本次实践考虑到青铜器和金器的材质特点，对每件文物运用了多种配色方案，增加数字表现效果，以表达数字空间的多维变化概念。如图3和图4所示，设计实践结果显示，不同色调的变色效果使三星堆数字文物显得更加神秘，而低饱和度的冷色调能较好地体现青铜材质特点，符合三星堆久远、古朴的艺术风格。

在运动参数实验方面，实验设计考虑到虚拟空间的动态粒子呈现，添加了点云粒子的成像运动和旋转运动，提高虚拟参观的空间互动感。如图5所示，此时数字展品（以金面铜人头像为例）以点云粒子的形态成为运动的“活”展品，在虚拟空间中实现展品—人—数字空间的动态视觉交互。艺术化实验结果表明，艺术化创新在数字交互应用的基础上丰富了文物数字化展示的方式和效果，可为数字文物、虚拟展示乃至数字博物馆的建设提供更多创新可能性。

四、数字文物虚拟展示效率分析

通过三星堆文物的三维点云建模实验和艺术化创新实验，本文完成了三星堆文物数字化展示实践研究。进一步，本文从虚拟建模的还原度、立体感、精度、创新效率四个方面对点云建模和三维模型进行对比分析，为今后进一步创新设计实践提供一定的理论依据。

总体来说，三维点云利用展品图片对文物进行数字化还原，工作效率高且易上手。但在建模精度方面，点云建模精度较三维参数建模不够精准，易受照片明暗和色彩的影响，容易出现点云移位的问题。因此，需要更精准的三维全景摄影，或三维激光扫描技术辅助三维点云建模。如果运用三维全景摄影或三维激光扫描技术（史宜南等，2016），点云效果也可以实现360°全视域建模（霍笑游等，2009）。据此，三维点云建模技术（基于图片）的优缺点，如表2所示，本文认为应根据文物的材质、肌理和结构特征，以及表达要求和创新需求，合理运用数字建模方式。

五、结论和建议

综上所述，数字交互媒体的三维点云效果在实践三星堆文物数字化展示时，具有一定的应用和创新优势，同时也存在精度较低和视角问题，有待进一步的研究和优化实践。本文根据实践研究提出以下我国数字博物馆建设建议：首先，数字博物馆应结合地方文物和地域文化特点，以及地域之间的历史文化脉络，让数字博物馆整体建设达到跨地域系统性水平。其次，数字博物馆应体现对文物—人—数字空间之间的关系思考，数字文物可作为实物文物的“孪生”存在，不同文物类型的数字展示系统应和物理展示场景有所区别，展品的独特性、人的参与性，以及数字空间的可变性都可以在虚拟空间中加以呈现。再次，为促进我国博物馆数字化建设水平，应尽快落实数字博物馆的建设标准，给出定性和定量的建设指标和参考建议，使我国数字博物馆整体建设水平实现長足发展。

同时，本文认为要实现数字博物馆符合数字时代的发展需求，并突出我国文化遗产特色，创新和融合是关键。而数字时代的应用创新和交叉融合需要有深厚文化底蕴的跨学科应用型人才。因此，应强调跨学科专业教育与课程思政的深度融合。在跨学科专业教育方面，数字时代的文物保护与展示设计应强调艺术与科技结合，培养跨学科的探索创新与应用能力；在课程思政方面，应强调对我国珍贵文物的文化传承与价值创新，树立民族文化自信。因此，艺术与科技的创新融合将会为我国文物保护与数字传播，以及文化价值创新提供丰富的应用场景和实践空间。

参考文献：

[1]顾振清，肖波，张小朋等.“探索 思考 展望：元宇宙与博物馆”学人笔谈[J].东南文化，2022（03）：134-160+191-192.

[2]霍笑游，孟中元，杨琦.虚拟现实——秦兵马俑遗址与文物的数字化保护与展示[J].东南文化，2009（04）：98-102.

[3]马玉静.三维激光扫描技术在国家博物馆的应用初探[J].北方文物，2016（02）：108-110.

[4]史宜南，代侦勇，刘鹏.激光点云建模与传统建模方法的比较[J].地理空间信息，2016，14（08）：41-43+5.

[5]魏利伟，李文武，刘俊华.国内外文物数字化保护标准现状及趋势研究[J].中国标准化，2016（06）：91-96.

[6]周波.基于虚拟现实技术的展示设计创新研究[J].现代装饰（理论），2011（09）：2-3.

[7]周吉清，董翠芳，廖小兵.三维扫描技术及应用[J].出版与印刷，2007（04）：45-48.

作者简介：

夏梦雪（1987—），女，汉族，重庆潼南人。意大利都灵理工大生态设计专业硕士研究生，四川文化艺术学院专职教师，助教，研究方向：数字艺术、虚拟现实。

吕逸飞（2002—），男，汉族，河北人。四川文化艺术学院在读专科生，研究方向：数字艺术设计。