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摘 要：文章从现阶段我国文物保护中存在的突出问题入手，分析虚拟现实技术的发展过程及主要技术特征，深入研究虚拟现实技术在文物保护中的应用及关键技术，并以莫高窟为例进行分析。
关键词：虚拟现实技术;文物保护;莫高窟
随着居民生活水平的提高，整个社会对文物保护工作的重视程度逐年提升，由此带来文物保护和文物修复工作的黄金发展时期。文物传承着中华民族的共同记忆，记载着历史的变迁，是我国传统文化的重要载体。如何通过虚拟现实技术提升文物保护工作的质量，更好地发挥文物展览、博物馆职能，是现阶段文物保护与展出工作研究的热点问题。
1 我国文物保护现状
1.1 保护策略过时
我国文物数量众多，但有超过50%的文物都被损坏了，比如纸质类、漆器类、织绣类等文物在传承过程中都遭到了不同程度的破坏，产生脆化及脱色等问题。在以前的文物保护工作中，只开展修复和临摹等，不能有效延长文物的寿命，并且还会损耗很多的资金、时间和人力。此外，大量不可移动的文物处于很偏僻的地区，相关工作者不能对其开展很好的保护，文物不能有效发挥其自身的核心价值。
1.2 大量文物无法展出
部分学者的统计数据显示，我国现有的文物展出地点多达几十万处，各类文物上千万件，我国拥有大量的文物，但只有少部分文物被展出，供公众学习和参观。例如南京博物馆馆藏文物多达40万件，其中展出文物只占馆藏文物的2%。与此同时，在文物展出的过程中，为保护文物需投入大量的人力、物力和财力，采取专业化的保护措施。文物展出品难以频繁更换，长时间展出同一批文物，难以吸引大众的参观，因此导致恶性循环，不利于博物馆职能的发挥和文物保护工作的开展。
1.3 文物保护形势严峻
我国文物保护工作面临自然因素和人为因素的双重影响，首先在自然因素方面，全球变暖、恶劣天气、经济增长等都会对文化遗产产生影响;其次在人为因素方面，火灾、战争、走私、过度旅游等也增加了文物保护的难度。例如部分文物流失海外，导致无法观赏或游览一处完整的文化遗产，如圆明园在多次浩劫中成为一片废墟。旅游业的快速发展给地方带来经济收入的同时，也给部分文化遗产的保护工作带来了诸多限制，部分地区在文物保护工作中投入不足，比如平遥古城在短短两年时间内就曾三次坍塌。①
2 虚拟现实技术分析
2.1 虚拟现实技术发展
虚拟现实技术简称VR技术，是20世纪90年代为工程界和科学界广为关注的一项技术。虚拟现实技术开创了人机交互界面领域新的研究方向，是智能工程的重要应用领域，为大型工程的数据可视化提供了新的技术手段。利用虚拟现实技术，可借助于计算机的存储和计算优势，构建虚拟的三维空间，实现逼真的虚拟模拟，使用户在视觉上产生沉浸式的体验。
早在1965年就有学者提出了虚拟现实系统的基本思想，随后美国林肯实验室开始了头盔式显示器的研制工作，并在显示器系统中融入了触觉力反馈系统和模拟力量系统模。基于以上种种的理论和技术突破，20世纪80年代正式提出了VR（Virtual Reality）一词。虚拟现实技术最早在美国国防部和宇航局中得到应用，并取得了满意的效果，后开发出多个通用传感虚拟现实技术和仿真器。20世纪90年代，计算机软硬件系统飞速发展，使虚拟现实技术商业化应用成为可能，通用型的输入输出设备不断推出。
2.2 虚拟现实主要技术特征
虚拟现实技术主要包括虚拟实景技术和虚拟虚景技术，在众多领域得到了广泛应用。虚拟现实技术包括以下4个主要的技术特征：①强烈的存在感。借助于虚拟现实技术，能使用户在模拟环境中体验真实感，现阶段的虚拟现实技术已经做到真假难辨的程度。②优异的交互性能。在模拟环境下用户可操作物体的能力以及从虚拟环境中得到反馈的程度称之为交互性。借助于力学感应设备，用户可在虚拟现实中体验真实环境中抓握物体的触感，物体也可随着手的移动而移动。③多感知能力。在虚拟现实场景中，用户除了有视觉感受，还可实现触觉、力觉、听觉、味觉等多感知能力。在理想化的虚拟现实场景中，使用者可感受到与现实场景相同的感知功能。④自主性。自主性需构建与现实场景中类似的物理运动规律，使其符合力学定律。在对一个物体施加力的作用时，它会沿力的方向移动或者翻倒，在一个闭环的虚拟现实场景中，可通过传感器与虚拟环境中的用户实现联通。①
3 虚拟现实技术在文物保护中的应用
3.1 虚拟现实技术在文物保护中作用
3.1.1 提升保护效果
借助于虚拟现实技术，在文物保护与展出环节能够避免文物氧化、风化、破坏的问题，最大限度地保护文物。借助于影像化的方式和虚拟场景的方式，将修复后的文物以最佳状态展示出来，同时选择最佳的文物遺产保护方式。对于大型文物建筑群，虚拟现实技术可构筑立体式的虚拟场景，为用户呈现身临其境的感觉。
3.1.2 突破时空限制
作为一种数字化的存储和信息传播方式，虚拟现实技术能够大大突破时间和空间的限制。将远距离的文物搬到观察者面前，在此过程中不受环境和区域的限制，避免文物在搬移过程中的损坏。更为重要的是，虚拟现实技术打破了博物馆展出的模式，用户可借助互联网在任意地点实现24小时不间断“参观”。
3.1.3 丰富展示方式
借助于虚拟现实技术强大的展示功能，能够为公众提供更加多样的观察方式和感受方式。首先，对于小件文物可从多个角度立体式地进行展示，将传统的观察者移动、文物静止转变为文物移动、观察者静止的方式，提升了观察体验。其次，对于大型石雕或者古建筑群，虚拟现实技术能够构建一个虚拟场景，帮助观察者进入一个相对独立的历史空间，丰富了观察视角和感受体验。
3.2 虚拟现实技术保护文物实施过程
3.2.1 获取数据 为了更加真实地还原文化遗产，提供更加逼真的虚拟环境，需要借助于多项测量手段，获得高精度的三维数据。常用的测量技术包括仪器测量、激光雷达测量、摄影测量等。对大型场景是文化遗产进行测量，多采用仪器测量技术，使用全站仪能够便捷地完成大范围数据的采集。规则几何体或者超大型石雕，可采用摄影测量技术，准确的获得三维数据;表面非规则或者形态复杂的文物，使用激光扫描技术最为便捷，采集数据的精确度更高。通常情况下可采用一两种测量技术搭配完成文化遗产中不同文物的数据采集。
3.2.2 虚拟环境的三维建模
在获取精确化的三维数据基础上，虚拟环境的三维建模是实现虚拟现实技术的关键步骤，也是文物保护工作数字在线的基础工作。现阶段在三维建模中常使用成熟的建模软件，完成目标文物的交互式建模过程，建模的精度较高。使用建模软件能够避免繁重的手工作业，建模效率高，自动化程度高，但是也要注意到，模精度与成本呈现正相关，建模精度每提升一个台阶，都伴随着资金投入的大量增加。
3.2.3 生成实时三维图形
将已经建好的文物三维场景或者是模型展示在用户面前，最便捷的方式是使用三维图形生成技术。在实时站位图形的生成过程中，重点是实现三维图像的实时再现，要求绘制的帧率应高于30帧每秒。该项技术在使用的过程中最大的技术难点是在保证数据质量和图形复杂程度的基础上，尽可能提升图形绘制的帧率。
3.2.4 传感器与立体显示技术
单纯的屏幕展示无法发挥虚拟现实技术在文物保护中的最大价值，现阶段不少研究人员提出使用传感器技术和立体显示技术，在非触摸的条件下为使用者带来真实的触感。利用传感器技术开发出的多种头盔式显示器，搭配数据手套或者服饰，结合压力技术和力学原理能够提供更加真实的虚拟场景。与此同时，相比单纯的屏幕展示，大型立体显示设备在虚拟旅游方面显示出更加旺盛的生命力和市场需求。②
3.3 应用的关键系统工具
在虚拟现实技术应用于文物保护的过程中，应首先分析适用于该文物的最佳技术搭配，并开发出相应的系统工具，常用的技术包括分布式虚拟现实技术和虚拟现实系统开发平台。
实现虚拟现实的核心技术包括以下几个：①实时三维计算机图形技术，该项技术能够生成不同环境下目标文物的精准图像，其重点在于实时性和高精度;②宽视野立体显示技术，借助于宽视野立体显示技术，用户戴上特制眼镜后，可在一只眼睛内显示奇数帧的图像，另一只眼睛显示偶数帧的图像，即产生了视觉上的立体感;③立体声播放技术带来的声音大幅提升了虚拟现实的真实感;④触觉反馈技术是在特制的手套内加装振动触点，提供了触觉及力学感受。
3.4 虚拟现实技术在文物保护中的应用案例
以敦煌莫高窟为例，探讨虚拟现实技术在文物保护中的具体应用。敦煌莫高窟是大西北区的一处文化与艺术宝藏，地处丝绸之路的关键节点，其中的文物是中西方文明的瑰宝。莫高窟在千余年的历史中，遭受到地震、风沙侵袭、偷盗、刻画等破坏，加上近年来过度的旅游开发，使莫高窟几乎所有的洞窟都存在不同程度的文物破坏问题。
近年来，敦煌研究院在文物保护方面做了大量的工作，对于现存的壁画、建筑和彩塑均起到了较好的保护效果。但是也应注意到莫高窟文化遗址年代久远、规模宏大，保护工程量巨大，同时壁画保护的诸多难题尚未完全攻克，给文物保护工作带来了诸多困难。
在敦煌莫高窟的文物保护中，主要包括三个目标任务。首先，需完成482个洞窟和莫高窟周围230余平方千米的地区的全三维建模，建模的范围包括室内的文物和室外环境，构建高精度的复制档案，搭建虚拟现实技术应用的平台。该项基础工作不仅可供游人参观使用，也可为文物保护和重建研究提供便捷的工具。其次，对现存的壁画进行重建和色彩学修复。最后，基于上述两项成果，复原敦煌壁画的历史故事，进行虚拟现实技术上的三维演绎。①
虚拟现实技术在莫高窟文物保护中的应用主要体现在数字敦煌工程中。将新一代数字技术和信息技术引入敦煌遗产保护中，现存与敦煌相关的文物包括洞窟、彩塑、壁画、建筑群等，生成高精度的图像，结合数字技术，将敦煌文物相关的文献资料和研究成果汇编成电子档案馆，借助于激光扫描摄影、航空拍照等手段，获取敦煌莫高窟内外的全三维数据及影像资料，建立三维可视的数字化环境模型。通过以上三方面的工作，不仅可以保护珍贵的雕塑和壁画，同时可借由虚拟现实技术再现莫高窟的模型，用于浏览、参观和研究。
具体工作流程分析如下：①借助于高精度的摄影和激光扫描技术，获取室内外的环境数据;②制作等值线图和正射影像图，建立三维数据库;③基于上述的数据进行三维数据建模，主要包括数据采集、不规则三角网的构建、三维恢复模型的构建;④在上述模型中完成纹理拼接和细节刻画。
4 应用展望
应该注意到我国的虚拟现实技术还处于发展的初级阶段，在商业模式和应用解决方案上还不足够成熟。在文物保护中应用虚拟现实技术还存在许多技术问题，需要相关工作人员继续研究。针对虚拟现实技术在文物保护中应用的限制，应大力推广数字化保护工作，应用现代信息技术实现文物保护的目标，快速提升我国文物保护能力建设。②另一方面，深入探讨三维地理信息系统，通过虚拟现实、激光扫描等相应技术的融合发展，探索出符合我国文化遗产保护需求的软硬件技术方案，构建文化传播与文物保护相结合的有效途径。最后，国家有关部门应会同科研院所设立重大专项，聚焦科研与资金力量，在重大文物遗产保护项目中探索和应用虚拟现实技术，实现文化旅游事业发展、广大人民素质提升、优秀文化传承和文物保护的有机统一。
5 结语
我国拥有悠久灿烂的历史文明，其中重要的文物和遗迹是属于全人类的重要文化遗产。随着信息时代的到来，在文物保护过程中应引入现代化的科学技术，提升文物保护工作的效率，更好地进行文物修复和还原工作，是现阶段文物保护领域工作人员的重要研究课题。借助于虚拟現实技术，可更加高效地实现文物的展示与保护，提供了一种基于信息技术框架下的文物保护工作理论及方法。
关键词：虚拟现实技术;文物保护;莫高窟
随着居民生活水平的提高，整个社会对文物保护工作的重视程度逐年提升，由此带来文物保护和文物修复工作的黄金发展时期。文物传承着中华民族的共同记忆，记载着历史的变迁，是我国传统文化的重要载体。如何通过虚拟现实技术提升文物保护工作的质量，更好地发挥文物展览、博物馆职能，是现阶段文物保护与展出工作研究的热点问题。
1 我国文物保护现状
1.1 保护策略过时
我国文物数量众多，但有超过50%的文物都被损坏了，比如纸质类、漆器类、织绣类等文物在传承过程中都遭到了不同程度的破坏，产生脆化及脱色等问题。在以前的文物保护工作中，只开展修复和临摹等，不能有效延长文物的寿命，并且还会损耗很多的资金、时间和人力。此外，大量不可移动的文物处于很偏僻的地区，相关工作者不能对其开展很好的保护，文物不能有效发挥其自身的核心价值。
1.2 大量文物无法展出
部分学者的统计数据显示，我国现有的文物展出地点多达几十万处，各类文物上千万件，我国拥有大量的文物，但只有少部分文物被展出，供公众学习和参观。例如南京博物馆馆藏文物多达40万件，其中展出文物只占馆藏文物的2%。与此同时，在文物展出的过程中，为保护文物需投入大量的人力、物力和财力，采取专业化的保护措施。文物展出品难以频繁更换，长时间展出同一批文物，难以吸引大众的参观，因此导致恶性循环，不利于博物馆职能的发挥和文物保护工作的开展。
1.3 文物保护形势严峻
我国文物保护工作面临自然因素和人为因素的双重影响，首先在自然因素方面，全球变暖、恶劣天气、经济增长等都会对文化遗产产生影响;其次在人为因素方面，火灾、战争、走私、过度旅游等也增加了文物保护的难度。例如部分文物流失海外，导致无法观赏或游览一处完整的文化遗产，如圆明园在多次浩劫中成为一片废墟。旅游业的快速发展给地方带来经济收入的同时，也给部分文化遗产的保护工作带来了诸多限制，部分地区在文物保护工作中投入不足，比如平遥古城在短短两年时间内就曾三次坍塌。①
2 虚拟现实技术分析
2.1 虚拟现实技术发展
虚拟现实技术简称VR技术，是20世纪90年代为工程界和科学界广为关注的一项技术。虚拟现实技术开创了人机交互界面领域新的研究方向，是智能工程的重要应用领域，为大型工程的数据可视化提供了新的技术手段。利用虚拟现实技术，可借助于计算机的存储和计算优势，构建虚拟的三维空间，实现逼真的虚拟模拟，使用户在视觉上产生沉浸式的体验。
早在1965年就有学者提出了虚拟现实系统的基本思想，随后美国林肯实验室开始了头盔式显示器的研制工作，并在显示器系统中融入了触觉力反馈系统和模拟力量系统模。基于以上种种的理论和技术突破，20世纪80年代正式提出了VR（Virtual Reality）一词。虚拟现实技术最早在美国国防部和宇航局中得到应用，并取得了满意的效果，后开发出多个通用传感虚拟现实技术和仿真器。20世纪90年代，计算机软硬件系统飞速发展，使虚拟现实技术商业化应用成为可能，通用型的输入输出设备不断推出。
2.2 虚拟现实主要技术特征
虚拟现实技术主要包括虚拟实景技术和虚拟虚景技术，在众多领域得到了广泛应用。虚拟现实技术包括以下4个主要的技术特征：①强烈的存在感。借助于虚拟现实技术，能使用户在模拟环境中体验真实感，现阶段的虚拟现实技术已经做到真假难辨的程度。②优异的交互性能。在模拟环境下用户可操作物体的能力以及从虚拟环境中得到反馈的程度称之为交互性。借助于力学感应设备，用户可在虚拟现实中体验真实环境中抓握物体的触感，物体也可随着手的移动而移动。③多感知能力。在虚拟现实场景中，用户除了有视觉感受，还可实现触觉、力觉、听觉、味觉等多感知能力。在理想化的虚拟现实场景中，使用者可感受到与现实场景相同的感知功能。④自主性。自主性需构建与现实场景中类似的物理运动规律，使其符合力学定律。在对一个物体施加力的作用时，它会沿力的方向移动或者翻倒，在一个闭环的虚拟现实场景中，可通过传感器与虚拟环境中的用户实现联通。①
3 虚拟现实技术在文物保护中的应用
3.1 虚拟现实技术在文物保护中作用
3.1.1 提升保护效果
借助于虚拟现实技术，在文物保护与展出环节能够避免文物氧化、风化、破坏的问题，最大限度地保护文物。借助于影像化的方式和虚拟场景的方式，将修复后的文物以最佳状态展示出来，同时选择最佳的文物遺产保护方式。对于大型文物建筑群，虚拟现实技术可构筑立体式的虚拟场景，为用户呈现身临其境的感觉。
3.1.2 突破时空限制
作为一种数字化的存储和信息传播方式，虚拟现实技术能够大大突破时间和空间的限制。将远距离的文物搬到观察者面前，在此过程中不受环境和区域的限制，避免文物在搬移过程中的损坏。更为重要的是，虚拟现实技术打破了博物馆展出的模式，用户可借助互联网在任意地点实现24小时不间断“参观”。
3.1.3 丰富展示方式
借助于虚拟现实技术强大的展示功能，能够为公众提供更加多样的观察方式和感受方式。首先，对于小件文物可从多个角度立体式地进行展示，将传统的观察者移动、文物静止转变为文物移动、观察者静止的方式，提升了观察体验。其次，对于大型石雕或者古建筑群，虚拟现实技术能够构建一个虚拟场景，帮助观察者进入一个相对独立的历史空间，丰富了观察视角和感受体验。
3.2 虚拟现实技术保护文物实施过程
3.2.1 获取数据 为了更加真实地还原文化遗产，提供更加逼真的虚拟环境，需要借助于多项测量手段，获得高精度的三维数据。常用的测量技术包括仪器测量、激光雷达测量、摄影测量等。对大型场景是文化遗产进行测量，多采用仪器测量技术，使用全站仪能够便捷地完成大范围数据的采集。规则几何体或者超大型石雕，可采用摄影测量技术，准确的获得三维数据;表面非规则或者形态复杂的文物，使用激光扫描技术最为便捷，采集数据的精确度更高。通常情况下可采用一两种测量技术搭配完成文化遗产中不同文物的数据采集。
3.2.2 虚拟环境的三维建模
在获取精确化的三维数据基础上，虚拟环境的三维建模是实现虚拟现实技术的关键步骤，也是文物保护工作数字在线的基础工作。现阶段在三维建模中常使用成熟的建模软件，完成目标文物的交互式建模过程，建模的精度较高。使用建模软件能够避免繁重的手工作业，建模效率高，自动化程度高，但是也要注意到，模精度与成本呈现正相关，建模精度每提升一个台阶，都伴随着资金投入的大量增加。
3.2.3 生成实时三维图形
将已经建好的文物三维场景或者是模型展示在用户面前，最便捷的方式是使用三维图形生成技术。在实时站位图形的生成过程中，重点是实现三维图像的实时再现，要求绘制的帧率应高于30帧每秒。该项技术在使用的过程中最大的技术难点是在保证数据质量和图形复杂程度的基础上，尽可能提升图形绘制的帧率。
3.2.4 传感器与立体显示技术
单纯的屏幕展示无法发挥虚拟现实技术在文物保护中的最大价值，现阶段不少研究人员提出使用传感器技术和立体显示技术，在非触摸的条件下为使用者带来真实的触感。利用传感器技术开发出的多种头盔式显示器，搭配数据手套或者服饰，结合压力技术和力学原理能够提供更加真实的虚拟场景。与此同时，相比单纯的屏幕展示，大型立体显示设备在虚拟旅游方面显示出更加旺盛的生命力和市场需求。②
3.3 应用的关键系统工具
在虚拟现实技术应用于文物保护的过程中，应首先分析适用于该文物的最佳技术搭配，并开发出相应的系统工具，常用的技术包括分布式虚拟现实技术和虚拟现实系统开发平台。
实现虚拟现实的核心技术包括以下几个：①实时三维计算机图形技术，该项技术能够生成不同环境下目标文物的精准图像，其重点在于实时性和高精度;②宽视野立体显示技术，借助于宽视野立体显示技术，用户戴上特制眼镜后，可在一只眼睛内显示奇数帧的图像，另一只眼睛显示偶数帧的图像，即产生了视觉上的立体感;③立体声播放技术带来的声音大幅提升了虚拟现实的真实感;④触觉反馈技术是在特制的手套内加装振动触点，提供了触觉及力学感受。
3.4 虚拟现实技术在文物保护中的应用案例
以敦煌莫高窟为例，探讨虚拟现实技术在文物保护中的具体应用。敦煌莫高窟是大西北区的一处文化与艺术宝藏，地处丝绸之路的关键节点，其中的文物是中西方文明的瑰宝。莫高窟在千余年的历史中，遭受到地震、风沙侵袭、偷盗、刻画等破坏，加上近年来过度的旅游开发，使莫高窟几乎所有的洞窟都存在不同程度的文物破坏问题。
近年来，敦煌研究院在文物保护方面做了大量的工作，对于现存的壁画、建筑和彩塑均起到了较好的保护效果。但是也应注意到莫高窟文化遗址年代久远、规模宏大，保护工程量巨大，同时壁画保护的诸多难题尚未完全攻克，给文物保护工作带来了诸多困难。
在敦煌莫高窟的文物保护中，主要包括三个目标任务。首先，需完成482个洞窟和莫高窟周围230余平方千米的地区的全三维建模，建模的范围包括室内的文物和室外环境，构建高精度的复制档案，搭建虚拟现实技术应用的平台。该项基础工作不仅可供游人参观使用，也可为文物保护和重建研究提供便捷的工具。其次，对现存的壁画进行重建和色彩学修复。最后，基于上述两项成果，复原敦煌壁画的历史故事，进行虚拟现实技术上的三维演绎。①
虚拟现实技术在莫高窟文物保护中的应用主要体现在数字敦煌工程中。将新一代数字技术和信息技术引入敦煌遗产保护中，现存与敦煌相关的文物包括洞窟、彩塑、壁画、建筑群等，生成高精度的图像，结合数字技术，将敦煌文物相关的文献资料和研究成果汇编成电子档案馆，借助于激光扫描摄影、航空拍照等手段，获取敦煌莫高窟内外的全三维数据及影像资料，建立三维可视的数字化环境模型。通过以上三方面的工作，不仅可以保护珍贵的雕塑和壁画，同时可借由虚拟现实技术再现莫高窟的模型，用于浏览、参观和研究。
具体工作流程分析如下：①借助于高精度的摄影和激光扫描技术，获取室内外的环境数据;②制作等值线图和正射影像图，建立三维数据库;③基于上述的数据进行三维数据建模，主要包括数据采集、不规则三角网的构建、三维恢复模型的构建;④在上述模型中完成纹理拼接和细节刻画。
4 应用展望
应该注意到我国的虚拟现实技术还处于发展的初级阶段，在商业模式和应用解决方案上还不足够成熟。在文物保护中应用虚拟现实技术还存在许多技术问题，需要相关工作人员继续研究。针对虚拟现实技术在文物保护中应用的限制，应大力推广数字化保护工作，应用现代信息技术实现文物保护的目标，快速提升我国文物保护能力建设。②另一方面，深入探讨三维地理信息系统，通过虚拟现实、激光扫描等相应技术的融合发展，探索出符合我国文化遗产保护需求的软硬件技术方案，构建文化传播与文物保护相结合的有效途径。最后，国家有关部门应会同科研院所设立重大专项，聚焦科研与资金力量，在重大文物遗产保护项目中探索和应用虚拟现实技术，实现文化旅游事业发展、广大人民素质提升、优秀文化传承和文物保护的有机统一。
5 结语
我国拥有悠久灿烂的历史文明，其中重要的文物和遗迹是属于全人类的重要文化遗产。随着信息时代的到来，在文物保护过程中应引入现代化的科学技术，提升文物保护工作的效率，更好地进行文物修复和还原工作，是现阶段文物保护领域工作人员的重要研究课题。借助于虚拟現实技术，可更加高效地实现文物的展示与保护，提供了一种基于信息技术框架下的文物保护工作理论及方法。