虛擬現實技術在敦煌壁畫保護中的應用研究

蔡蔡　宋雙雙

摘 要：以敦煌壁畫保護為基礎，對虛擬現實技術在物質遺產保護領域的應用展開了研究，并根據虛擬現實技術在國內外文物保護領域的發展和應用，對現有的文物古跡保護的主客觀問題進行了分析。

關鍵詞：虛擬現實技術；物質文化遺產；敦煌壁畫；VR系統

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.078

虛擬現實技術（Virtual Reality），簡稱VR，又稱靈境技術，是利用計算機圖形技術和硬件設備生成的一種可通過視、聽、觸和嗅等多感通道達成的高逼真度的模擬環境，這種模擬可給用戶提供一種身臨其境的感受。

1 虛擬現實技術的三大特性

VR系統是一種先進的計算機用戶接口，可表現真實或想象的三維計算機生成環境，能使用戶在虛擬環境中做到“沉浸其中、超越其上、運轉自如和交互自由”。其擁有3個突出的特性：沉浸性、交互性和想象性。

1.1 沉浸性

沉浸性（Immersion）是指用戶在自然狀態下，借助交互設備和自身的感知系統對虛擬環境的投入程度。用戶置身該環境之中，從被動地觀察角度轉化為主動參與到虛擬世界中，并產生類似于對現實物體的存在意識或幻覺。

1.2 交互性

交互性（Interactivity）是指用戶在進入虛擬環境后，在保證實時性和有效性的前提下，運用一種自然、輕松的方式對物體進行操作的體驗。通過交互形式，用戶的操作和意圖可實時地影響和改變虛擬環境的構成。

1.3 想象性

想象性（Imagination）是指用戶在以計算機為媒介的虛擬世界中，在對系統反饋的信息進行理解判斷的基礎上，對其可能的運行狀態和未來進展的想象能力。這種想象力可以幫助人們在認識復雜系統深層規律的同時，獲得更多的知識。

這三種特性都強調了人與虛擬環境之間的相互作用，即人在整個系統中的感受，只有人的存在，才能使這一反饋環路有效存在。

2 虛擬現實技術在壁畫保護中的運用

隨著計算機圖形學和數字圖像處理技術的發展，許多國家已將信息技術應用在文物的收集、保存、虛擬展示、復原、輔助考古研究和旅游宣傳等方面。采用信息技術對文物實施數字化保存，能極大限度地彌補文物因不可抗拒衰變或消失所造成的信息消亡，又能很好地處理旅游開發和文物保護的關系，數字敦煌便是一個很好的例證。

作為中國三大石窟之一的敦煌石窟，由莫高窟、榆林窟、西千佛窟和東千佛洞等組成，雖然這些石窟的規模懸殊，但地域風格相近，所以，統稱為敦煌石窟。因巖質松散、不適雕刻，所以，造像以泥塑和壁畫為主，現存壁畫、彩塑石窟共492窟，另有禪窟700多窟。由于地跨北溫帶和亞熱帶，受大陸季風性氣候的影響，復雜的自然環境和地質情況使敦煌壁畫常受到雨水、風沙等的侵蝕和強光照射等的威脅，加之壁畫經歷了成百上千年的時光，制作材料不斷老化，導致壁畫本身變得十分脆弱。隨著游人數逐漸增多，保護與利用間的矛盾不斷加劇。為了滿足更多游客的參觀需要，處理好旅游開發與文物保護的關系，對壁畫進行數字化處理已迫在眉睫。從20世紀80年代開始，敦煌壁畫的開發和保護已成為政府、機構以及文化保護者的一個重要課題。敦煌研究院曾與國內外多家單位合作，試圖利用計算機對復雜文物信息進行獲取和保存。1996年，敦煌研究院啟動《瀕危珍貴文物的計算機存貯與再現系統研究》項目，與浙江大學合作開發了“敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復原”系統，該系統綜合采用了數字攝影、圖像處理、三維建模、虛擬現實和人工智能技術。利用該系統，用戶可以通過電腦參觀敦煌莫高窟的外景、內部壁畫、彩塑等，還能虛擬觀看石窟完工的盛況，感受石窟壁畫千年演變的滄桑。整個“敦煌莫高窟虛擬參觀旅游系統”運用的虛擬現實相關技術如下。

2.1 動態建模技術

動態建模技術是整個VR系統的基礎，通常建模技術可分為幾何建模和行為建模。幾何建?；谖矬w的形態和結構進行立體繪制和顯示；行為建?？蓪ξ矬w的運動和行為進行逼真模擬，也稱為動畫。

2.2 實時動態繪制技術

實時動態繪制技術是指利用計算機，靈活地對用戶隨意的操作作出準確的反映，提供真實、準確的應對方案。為了達到這種實效性，圖形顯示速度必須跟上視點的轉變，系統刷新頻率應不低于20～30幀/s。

2.3 人機自然交互技術

人機自然交互技術可提供一種人與計算機交流的橋梁，使用戶通過計算機產生的數據進行直觀、靈活的操作。但目前這種自然交互技術不太成熟，手勢識別、眼動跟蹤和面部識別等自然交互技術還在不斷完善。

2.4 立體顯示和傳感技術

立體顯示和傳感技術都是實現虛擬現實交互能力的重要途徑，它能最大限度地利用人的心理和生理特點，通過眼鏡和手部的感知，在大腦中產生對虛擬對象、景物的深度知覺。

2.5 三維虛擬聲音技術

三維虛擬聲音與立體聲音有很大的不同，虛擬現實系統的聲音是圍繞人的兩只耳朵進行播放的，聲音可能出現在頭部前、后、左、右等不同方向。當視覺空間超出了范圍，三維虛擬聲音技術能夠彌補空間信息的不足。

3 虛擬敦煌壁畫的不足之處

虛擬現實技術實現了多種三維交互式館藏信息的展示，其數據管理技術也為虛擬敦煌的數據發布和資源管理搭建了堅實的平臺。虛擬漫游系統使游客不必親臨敦煌，就能欣賞敦煌的盛況，減少了人為破壞。但這種虛擬展示仍與親臨敦煌壁畫所感受到的震撼有極大的差距。從技術層面上看，虛擬現實技術作為一門年輕的科學技術，仍存在許多尚未解決的理論問題和技術障礙。比如，這種數字化過分依賴計算機和網絡技術，這兩者在給人們帶來便捷的同時，也存在一定的風險。數據庫在依賴網絡滿足不同用戶需求的同時，也為惡意入侵者盜取文物信息提供了一定的可乘之機。數字化技術僅是保護的途徑和輔助手段，因此，對于類似敦煌壁畫這種珍貴的文物古跡，應堅持“保護為主、搶救第一、合理利用、加強管理”。

4 結束語

綜上所述，對于VR構建的虛擬世界，仍存在很多心理、生理和社會問題，關于它的爭論也將不可避免地繼續下去。但VR的巨大作用是不可否認的，它在軍事、醫學、培訓、藝術、設計和商業領域中的應用恰恰是最好的證明。隨著計算機技術、仿真技術和人工智能技術等多個交叉學科的發展，VR媒介的應用將會有更加廣闊的前景。

參考文獻

[1]胡小強.虛擬現實技術基礎與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

〔編輯：張思楠〕