基于VR技術(shù)的長白山訥殷古城遺址的還原與再現(xiàn)研究

郭亮，劉書廷

（1.長春光華學(xué)院，吉林長春 130031；2.長春市第一實驗銀河小學(xué)，吉林長春 130051）

根據(jù)《國家文物事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《吉林省“十三五”時期文化發(fā)展改革規(guī)劃綱要》，以及《吉林省文化和旅游廳2019年重點工作規(guī)劃》的總體思路為指導(dǎo)。遵循“保護為主，搶救第一，合理利用，傳承發(fā)展”的理念，加強文物保護利用和文化遺產(chǎn)保護傳承。以提高該省文化旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主題，以加快數(shù)字技術(shù)與文化產(chǎn)業(yè)深度融合為主線，以推進智能化和虛擬仿真為主攻方向。

通過對吉林省長白山地區(qū)文化的現(xiàn)狀調(diào)研，了解到長白山地區(qū)有豐富的人文歷史和旅游資源，但隨著農(nóng)村的城鎮(zhèn)化發(fā)展以及人為破壞和自然環(huán)境的影響，很多區(qū)域的歷史文化正逐漸消失。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（簡稱VR）的介入，可以對已消失的文化古跡進行真實還原和場景再現(xiàn)，對未消失的文化古跡可以做到提前存檔與文化宣傳，將傳統(tǒng)旅游業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)＋方向積極轉(zhuǎn)型。進而帶動當(dāng)?shù)匚幕糜萎a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為全面提升該省地方傳統(tǒng)文化，促進景區(qū)公共網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及形象宣傳起到了推進作用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與對比分析

美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的發(fā)源地，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的誕生可以追溯到20世紀(jì)40年代。最初研究的虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是用于美國軍方對飛行駕駛員和宇航員的模擬訓(xùn)練。然而，隨著冷戰(zhàn)結(jié)束后美國軍費大大削減，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就逐漸轉(zhuǎn)為民用，目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。英國在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備（包括觸覺反饋）設(shè)計和應(yīng)用研究方面，在歐洲來說是領(lǐng)先的。德國在VR的應(yīng)用方面選擇了以工業(yè)設(shè)計為主的發(fā)展方向，在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設(shè)計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究和一些發(fā)達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學(xué)、計算機系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾暎鹞覈鹘缛耸康呐d趣和關(guān)注。研究與應(yīng)用VR建立虛擬環(huán)境、虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展。國家科委國防科工委部已將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究列為重點攻關(guān)項目，國內(nèi)許多研究機構(gòu)和高校也都在進行虛擬現(xiàn)實的研究和應(yīng)用并取得了一些不錯的研究成果。

北京航空航天大學(xué)計算機系也是國內(nèi)最早進行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，其虛擬實現(xiàn)與可視化新技術(shù)研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實現(xiàn)方法。清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術(shù)，實現(xiàn)大全景VR效果；浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機系已經(jīng)成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調(diào)的同步等。

2 研究內(nèi)容

通過對長白山訥殷古城遺址的深入挖掘和智能化模擬，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和地方文化相結(jié)合，不僅滿足了傳統(tǒng)旅游中感官方面的體驗，也還原了舊時東北地區(qū)的文化特色，將歷史、建筑、民俗、服飾、自然風(fēng)光、傳奇故事等進行虛擬還原建設(shè)。給用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀體驗，并以激活觸發(fā)點的方式來增加故事情節(jié)和添加智能交互處理，從而達到身臨其境的真實感受，構(gòu)建出一個逼真、生動的虛擬世界。

（1）通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)為指定區(qū)域創(chuàng)建自然景觀、建筑物、室內(nèi)外設(shè)施等，并為其添加寫實材質(zhì)，模擬真實場景效果，還原旅游景區(qū)的原始風(fēng)貌。

（2）深入研究當(dāng)?shù)厝宋臍v史、風(fēng)俗文化、傳奇故事，在遵循歷史，尊重文化的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)軟件添加故事情節(jié)，以視頻和交互動畫的形式展示出來，寓教于樂。

（3）為系統(tǒng)添加智能人機交互功能，每個景點配位文字、語音介紹，充分做到人機交互的人工智能效果。

（4）模擬晝夜更替、四季變化、風(fēng)霜雨雪等自然現(xiàn)象，著重研究場景中的光影、大氣、物理碰撞等真實現(xiàn)象。

3 重點與難點

（1）如何保證場景中的環(huán)境與模型真實可信是本項目的一大難點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心思想是通過創(chuàng)建“虛擬環(huán)境或物體”來模擬現(xiàn)實世界中的“景或物”。如果創(chuàng)建的模型不真實，便起不到模擬的目的，而模擬的真實與否則全部取決于制作者對模型細節(jié)的刻畫和材質(zhì)紋理的寫實繪制。所以，如何保證場景中所建模型真實可信，是本項目的一大難點。

（2）使用者與系統(tǒng)的交互設(shè)計是本項目的重點技術(shù)，好的交互體驗會大大增加環(huán)境的代入感。首先要保證觸發(fā)后實行的任務(wù)及時有效，其次交互體驗涉及AI設(shè)計，所以觸發(fā)開關(guān)外形要醒目、美觀，避免遮擋視線等特點。

4 研究方法與實施步驟

系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個部分，硬件包括計算機、虛擬設(shè)備、力反饋手套、交互設(shè)備等，而軟件系統(tǒng)是系統(tǒng)核心部分，主要開發(fā)虛擬交互程序和視覺軟件界面，根據(jù)編程語言實現(xiàn)人機交互的原理和功能，包括視覺感知、觸覺感知、聽覺感知、知識講解、娛樂冒險、虛擬漫游等部分。

4.1 虛擬漫游系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)是以坐標(biāo)定位、視覺圖像采集、空間位移、激活觸發(fā)點和模擬情景為基礎(chǔ)來實現(xiàn)的。系統(tǒng)在現(xiàn)實世界中使用采集器定位坐標(biāo)點，并將信息轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)字坐標(biāo)，存入計算機內(nèi)，然后由計算機內(nèi)的空間處理軟件對坐標(biāo)進行處理和分析，再配合VR設(shè)備捕捉人眼采集到的圖像信息，通過計算機反饋到手部控制器上，通過算法為虛擬物體設(shè)定觸發(fā)點或觸發(fā)區(qū)域。當(dāng)使用者接觸到指定觸發(fā)區(qū)域后，被觸發(fā)物體激活產(chǎn)生位移、特效、動畫等交互體驗，完成模擬情景、虛擬漫游的最終效果。其模擬系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。

圖1 模擬系統(tǒng)工作流程圖

4.2 模型與場景的創(chuàng)建

模型包括建筑物模型、生物模型與物體模型三種。需要對文獻資料進行系統(tǒng)研究后，通過年代對比整理出符合準(zhǔn)確時間段的文字及圖片素材作為參考資料。使用Maya2018等三維軟件配合PhotoShop等繪圖軟件以及大量插件將素材還原成三維模型。其中建筑物的比例要符合人體工程學(xué)，以保證交互過程中的真實體驗感。生物模型的外貌特征要嚴格遵循生物體的生理解剖特點，對肌肉、皮膚、毛發(fā)、衣著裝飾等特征的模擬需要在指定面數(shù)的合理范圍內(nèi)保證細節(jié)的刻畫。

場景分為部落場景和自然場景。部落場景需要對文獻資料深入研究后，結(jié)合真實村落的實際情況，通過規(guī)劃指定區(qū)域的方式對建筑物進行合理擺放，以保證人類日常生活的基本需求。自然場景需要通過實地考察以及無人機俯拍照片的方式搜集準(zhǔn)確素材，同時要確定符合當(dāng)?shù)刈匀粻顟B(tài)的植物與地形地貌。

4.3 虛擬交互的制作

虛擬交互方面主要分為AI設(shè)計和命令設(shè)定兩個階段，其中AI設(shè)計是通過PhotoShop等繪圖軟件將操作界面和命令按鈕設(shè)計成簡介、美觀、易于操作的LOGO標(biāo)志，通過觸發(fā)的方式表現(xiàn)開與關(guān)等不同細節(jié)。命令設(shè)定是將模型導(dǎo)入到UE4等游戲引擎中，通過藍圖節(jié)點和算法進行編程設(shè)定，以此來控制系統(tǒng)內(nèi)一切可交互的物體。

4.4 寓教于樂的設(shè)計

訥殷古城位于長白山池南區(qū)西錦江、漫江和頭道松花江三江交匯之處，依山傍水，屬于典型的火山地貌，也因此當(dāng)?shù)氐膭又参锓N類繁多。為了增加漫游的趣味性和體驗感，后期會為系統(tǒng)設(shè)計諸如狩獵、捕魚、采人參等體驗任務(wù)。

5 風(fēng)險與前景分析

5.1 技術(shù)風(fēng)險

隨著VR領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新設(shè)備、新技術(shù)的更新日新月異。目前業(yè)內(nèi)普遍使用的VR設(shè)備是HTC公司生產(chǎn)的VIEW和Facebook公司生產(chǎn)的Oculus兩款設(shè)備，而目前線上發(fā)行的虛擬產(chǎn)品大多只針對個別設(shè)備使用，無法做到全部兼容。本系統(tǒng)預(yù)計可以完美兼容多款VR設(shè)備，并會根據(jù)用戶需求更新不同版本。

5.2 市場風(fēng)險

市場產(chǎn)品銷售量與價格為項目運行效益的較大風(fēng)險。由于產(chǎn)品的附加值較高，預(yù)計從事本行業(yè)的研究和生產(chǎn)單位會有所增加。省內(nèi)研究虛擬現(xiàn)實較為成熟的公司均以制作虛擬實驗教學(xué)、虛擬漫游類項目為主，但產(chǎn)品價格較高，后期維護費用昂貴。而本產(chǎn)品目前處于試驗階段，以“長白山數(shù)字文化旅游產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心”為依托，降低了制作成本，這也是本產(chǎn)品的優(yōu)勢所在。

5.3 前景分析

虛擬現(xiàn)實發(fā)展前景十分廣闊，而將該技術(shù)搭載在大數(shù)據(jù)、云計算、5G等技術(shù)上，更是我們一直渴求的。從某種意義上說它將改變?nèi)藗兊乃季S方式，甚至?xí)淖內(nèi)藗儗κ澜纭⒆约骸⒖臻g和時間的看法。它是一項正在發(fā)展的、具有深遠潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)。利用它，我們不僅可以通過漫游的方式觀看古代建筑，還可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育教學(xué)方面，通過對不同學(xué)科方向的合作、交叉，開展以虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實驗研究。同時同行業(yè)的工作人員可以依靠這個平臺，進行相關(guān)設(shè)備的模擬，討論技術(shù)要點。這項技術(shù)一旦實現(xiàn)將會給我們的生活帶來翻天覆地的變化。