虛擬奧運博物館

一、簡介

對于“虛擬博物館”這個概念，大家并不陌生。早在上個世紀，就已經有不少組織甚至個人，通過圖文結合的形式在網上建立了形形色色的“虛擬博物館”，將現實生活中的信息在網絡上反映出來。不過，由于技術等方面的限制，早期的虛擬博物館都存在一個問題，那就是大多數采用文字、圖片、視頻等形式表現的信息，缺乏交互性。為此，從2002年開始，北京航空航天大學虛擬現實新技術教育部重點實驗室與微軟亞洲研究院開展了名為“DOM（即Digital Olympic Museum，數字奧林匹克博物館）”的合作，針對“虛擬奧運博物館”的關鍵技術進行研究，目的是研發出一個“真正立體的博物館，讓觀眾感到與真實博物館一樣具有逼真的感受”。2005年北京航空航天大學虛擬現實新技術教育部重點實驗室還獲得國家自然科學基金重點項目“虛擬奧運博物館關鍵技術研究(編號60533070)”資助。本文對這些研究成果進行介紹。

二、實時交互式多視角視頻系統

“實時交互式多視角視頻系統”技術聽上去非常復雜，但其所實現的內容卻早已為人們所熟知，那就是電影《Matrix》中，基努·李維斯的那個騰空后360度的全方位鏡頭。只不過電影中的這個場面是靜態的，觀眾只能看到主人公一瞬間的全方位場景，而在應用了新的技術后，由于現場架設了多臺攝像機，并通過計算機同步拍攝，我們就可以在整個視頻播放過程中，任意選擇感興趣的視角進行欣賞。從技術上來講，交互式多視角視頻不僅是一種新型的視頻捕捉系統和方法，也是一種新型交互式多視角視頻服務技術。這套系統包括視頻攝像機、控制電腦、服務器、網絡組件以及客戶端。為了實現全過程的全角度拍攝，在拍攝現場布置了幾十至幾百個視頻攝像機，這些攝像機經過校準并全部由電腦控制。在拍攝時，事件將被不同方位的攝像機同時捕獲，所得到的全部視頻將在控制電腦上被壓縮并實時傳送給服務器，或者被實時地傳送給最終用戶，用戶可以獲取任意視點的視頻圖像。

“實時交互式多視角視頻系統”不僅可以為用戶提供多角度的影片，最有趣的是，視角的切換還能由用戶進行控制。試想一下，如果奧運比賽使用這個系統進行拍攝，并在網絡上進行實時播放，那么我們將擁有一種前所未有的視覺新體驗。人們可以從任意角度觀看比賽，而且比現場的觀眾看到更多東西，欣賞到過去難以想象的各種經典場景。

三、在線文物展示

作為博物館，最重要的職責之一就是保存歷史資料的原貌，這些歷史資料不僅要完整，而且要準確，在必要時人們甚至可以通過這些資料還原出歷史的真相。對于“虛擬奧運博物館”來說，由于其完全基于數字化技術，因此在數據的保存方面更是具有得天獨厚的優勢：它們保存的數據不會因時間的流逝而損壞。

虛擬奧運博物館可以逼真地再現小到藝術雕像、運動器具，大到整個運動場館，而這要歸功于技術人員所采用的三維激光掃描技術。激光掃描儀的工作原理非常簡單：由于激光的速度是恒定的，因此，只要知道光束發出和返回的時間，我們就可以計算出其間的距離。只要能夠獲得一個三維物體上足夠多的點與發射源之間的距離，自然就可以獲得其外形的準確數據，也就可以在電腦上生成其三維模型了。

當然，要想獲得完美的掃描結果，也并不是一件容易的事情。因為掃描所獲得的只是一些具有深度信息的點云數據，還需要進行相應處理才能構造出逼真的三維模型。在這一過程中，人們可能會遇到各種問題。例如掃描得到的數據不完整需要再次掃描，或者某些位置無法通過掃描獲得，必須用軟件進行填充、修補。在修補的過程中，對于那些無法得到的數據，必須通過對其相鄰的點進行“猜測”來判斷這個點最可能的值是什么。在“虛擬奧運博物館”中，工作人員用三維掃描技術制作了一個中國古代跪射彩色秦俑的三維模型。在利用多角度掃描獲取了足夠多的數據后，技術人員開發出相應軟件實現數據的修復、多個數據塊的自動拼接、模型自遮擋產生模型漏洞的修復，以及高分辨率紋理自動映射等，在電腦上生成了一個與原物完全相同的逼真三維模型。利用激光三維掃描技術，“虛擬奧運博物館”的技術人員構造出大量的、與奧運相關的逼真三維模型，例如體育藝術品、大型體育場館和古運動會遺址。這樣一來，人們不親臨現場也能夠欣賞它們了。

四、參與：游戲

1908年第四屆倫敦奧運會期間，英國大主教彼得有感于馬拉松比賽中，選手多蘭多·皮特里的拼搏精神，而說了一句迄今廣為傳頌的名言：“奧運會重要的不是勝利，而是參與。”從此，“重在參與”就成了奧林匹克運動的口號之一。

作為以展現奧運風貌、弘揚奧運精神為主的“虛擬奧運博物館”，最大的特色就是擁有大量可以讓用戶參與的內容。“虛擬奧運博物館” 包含北京奧運、現代奧運、古希臘體育、古代中國體育四大部分，通過對中西方體育文化異同點的比較，向人們系統而完整地講述世界體育運動史。為了讓參觀者能夠更形象、具體地了解古代體育的特色，在“虛擬奧運博物館”中，設計了許多可以與用戶互動的項目，讓人們親身參與到古代的體育運動中。

五、古希臘跳遠

在古希臘，人們跳遠時雙手會各持一只石制或金屬制的類似啞鈴的助跳器。運動員起跳后，會在空中向后將其拋出，以提高自己的成績。事實上，直到19世紀，這種做法依然被很多運動員沿用。在虛擬奧運博物館中，技術人員通過運動捕捉技術（Motion Capture），采集了大量真實運動員的動作數據后，對這些運動數據進行相應處理，然后用其控制計算機中的三維虛擬人運動，這樣人們就可以通過網絡實現交互，親自感受古代跳遠運動的特色。

在創建這個模擬跳遠系統時，技術人員制作了一個獨具特色的“運動編輯器”，借助它，就可以將捕捉到的運動數據應用到不同的三維模型中，并可以在不同的運動數據片斷之間平滑過渡。我們知道，通過運動捕獲方法得到的運動數據，通常不能直接使用。這是因為：第一，在數據捕獲過程中，因為各種原因，得到的數據可能存在不同程度的噪聲；第二，數據應用的虛擬人模型可能和采集到的真人骨架不匹配，例如關節長度不一致等，直接使用可能會出現較大的誤差；第三，人體運動是相當復雜的，運動模式多種多樣，不可能將所有的運動模式都采集下來，這就需要我們利用已有運動數據生成一些新的運動數據。此外，在實際的應用中，同一運動數據匹配到不同的虛擬人骨架模型和不同的虛擬場景中，也可能會產生一些不理想的情況，比如因為骨架的不同匹配會產生滑動，場景的不同匹配會產生碰撞或者動作不到位等。

“虛擬奧運博物館”的運動編輯器可以解決這個問題，通過諸如運動拼接、運動融合、運動變形等技術，可以逼真模擬出不同虛擬人在不同虛擬場景完成的虛擬跳遠動作。

六、五禽戲

“五禽戲”的創造者是中國古代名醫華佗，原名為導引術。這套功夫通過模仿虎、鹿、熊、鷹、猿五種動物的動作，達到強身健體的目的，被看作是中華武術的起源。過去我們只是聽說，而在“虛擬奧運博物館”中，我們卻可以親身體驗這套武術的魅力。

首先，技術人員采用前面提到的運動捕捉技術，獲取真實人體的運動信息，從而在計算機中生成運動逼真的虛擬人，向參觀者演示“五禽戲”。然后，參觀者就可以照著模擬人的動作進行演練。最有趣的是，通過攝像頭，計算機會記錄下參觀者的動作，并與電腦中的數據進行對比，根據人們所做動作的標準程度，給出評分。

如果說模擬跳遠系統像一個在線的體育模擬游戲的話，那么這套可以讓參觀者親自“動手動腳”的“五禽戲”，則更能體現出“虛擬奧運博物館”的獨特魅力。

七、禮射

“禮射”是中國西周時期重要的禮儀活動之一，也是我國最早的體育比賽。它有明確的規范和嚴格的程序，參與者眾多。禮射共分為四種， 包括大射、賓射、燕射和鄉射。目前“虛擬奧運博物館”中展示的是最普及的“鄉射”。首先，通過運動捕捉技術采集數據，控制虛擬人運動，并在仿真的場景中完成整個鄉射的過程。當用戶參觀時，則可以通過“角色扮演”的方式，親自扮演鄉射中的各個角色，借助系統的語音和文字等的提示，完成整個儀式。

八、結束語

“虛擬奧運博物館”是多學科交叉的成果，涉及了體育史、信息技術、新媒體藝術等多個學科。該項目預計將于2008年全部“竣工”，屆時，我們只需通過Web瀏覽器即可暢游整座博物館了。由于基于Java技術開發，虛擬博物館可以很方便地部署到任何平臺的服務器下，使用不同平臺的用戶也都能訪問它。“虛擬奧運博物館”采用了圖像、視頻、音頻、三維圖形、動畫等多媒體形式展現與奧運有關的信息，并利用先進的人機交互技術，讓觀眾可以親身體會到各種運動的樂趣。雖然數據量非常大，但由于采用了多種優化算法，使其對網絡帶寬的要求降到最低，普通用戶也可以通過家中的網絡流暢地參觀整座博物館。