虚拟现实技术在地方历史文化传播中的运用
——以宁夏师范学院固原丝路文化数字化教育平台建设为例
刘衍青1,蒋 浩2,安正发1,王兴文1
(1.宁夏师范学院 固原历史文化研究中心，宁夏 固原 756099;2.中国科学院 计算科学所，北京 100190)
摘 要: 历史上的宁夏固原,是中国古代陆上丝绸之路东段北道的必经之地,外国使节、西域客商以及佛教徒往来于这条通道,留存下大量的文化遗产。传统的文化遗产传承方式都存在便利性和全面性,与传播发展和保存保护难以平衡的问题。随着信息技术的快速发展,虚拟现实成为解决上述问题的一种新的途径。通过对文化遗产的数字化、有形化,可以让用户不受时间和地点的限制,更加全面、准确、细致地再现文化遗产的形态,能够更有效地开展可视化的教育培训或互动体验,使地处西北的固原丝路文化遗产更好地传承和发展。
关键词: 虚拟现实;数字化;固原;丝路文化
丝绸之路是古代东西方之间一座交流物产、联通人心的桥梁，对我国各民族交流融合和东西方文化交往起到了十分重要的作用。宁夏固原是陆上丝绸之路东段北道的重要节点，史称“高平”“原州”“萧关”等。历史上，固原为保障丝绸之路的畅通和安全发挥了应有的作用，同时也留下了丰富的丝路文化遗产。对这些历史文化遗产的发掘与保护利用，是地方高校服务当地社会文化发展的重要任务，宁夏师范学院固原历史文化研究中心一方面致力于地方历史文化的研究，另一方面也有责任为固原历史文化传承作贡献。在数字地球和智慧城市概念的大背景下，虚拟现实技术迅速发展，已经成为计算机软件中一个研究、开发、应用的热点。而固原丝路文化虚拟展示与数字化作为虚拟现实技术和数字技术在现代社会教育与文化传承中的一个重要的应用，是对固原丝绸之路文化遗产本身的数字化和虚拟化。数字技术和虚拟现实技术可以为文化遗产的传播提供新的契机，进一步促进文化遗产的展示传播以及多元化发展，在弘扬社会主义核心价值观方面发挥更大的作用。
一、固原拥有丰富而宝贵的丝路文化遗产
作为丝路重镇，固原历史上留下了丰富而宝贵的丝路文化遗产，既有可观可感的石窟文化、隋唐墓葬出土文物，也有曾经气势恢宏、但遭自然与人为破坏、仅存遗迹的固原古城墙、开城安西王府等，还有秦皇汉武、历代官宦文人途经固原或在固原从宦时留下的诗词文赋与碑刻墨迹，它们已经成为重要的丝路文学遗产，也是固原非物质文化遗产的重要组成部分。代表性丝路文化遗产主要有以下几类。
1.石窟遗产。 须弥山石窟为全国十大石窟之一，坐落在固原市原州区西北的黄铎堡镇。该石窟初创于十六国时期的后秦和北魏，兴盛于北周和唐代。至今保存有历代石窟132个，其中70多个洞窟有雕凿的佛像。这些石窟自南而北依次开凿于须弥山东麓八座山峰的崖面上，佛寺掩映于山麓间，静谧而庄严。位于第5窟的须弥山大佛，高20.6米，开凿于唐代，是须弥山最为壮观的佛像，这尊露天弥勒坐佛，比山西云冈石窟的大坐佛还高7米。佛像面含微笑，表情温和，神态端庄而慈祥，显示出盛唐经济发达、文化繁荣的雍容气度。须弥山石窟地当丝绸之路必经之地石门关(古称石门水)北侧，正是丝绸之路的畅通与繁荣孕育了须弥山石窟。
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2.古城遗址。 固原古城是固原悠久历史文化的象征，自汉高平城以来，已经有两千多年的历史。史书典籍中记载了昔日固原城的雄姿，“高平有第一城”[1](P3519)“治城形势如磐石”[2](P137)等美誉由来已久。明万历朝，吏部尚书兼陕西三边总督石茂华，在前任三边总督秦紘修筑城垣的基础上，“始甃以砖……遂称雄镇”[3](P62)，固原城成为西北地区观瞻宏伟的城池之一。然而，多次遭遇地震和人为严重破坏，尤其是20世纪70年代，城墙上的城砖被强行剥掉，用以建设地下防空洞，致使土墙裸露，农民在厚实的墙体上凿窑洞居住。历史上的第一城已经难以找回当年的雄伟，只有残留的一角让后人追忆。
3.安西王府遗址。 位于固原城东南20公里的开城镇，又称开城遗址，属六盘山腹地平缓的丘陵地。至元九年(1272)，忽必烈封皇子忙哥剌为安西王，“赐京兆为封地，驻兵六盘山”，修筑了安西王府。安西王府遗址以宫殿建筑群遗址为主，由主城和瓮城两部分构成。大德十年(1306)八月，一场大地震毁灭了安西王府：“开成地震，王宫及官民庐舍皆坏，压死故秦王妃也里完等五千余人。”[4](P471)至今，遗址周围随处可见大量黄、白、绿釉色的琉璃瓦片和琉璃瓦当、滴水的残片，当地百姓形象地称此处为瓦渣梁。
虚拟现实中的人机交互主要通过利用计算机和一系列传感辅助设施来实现,使人能有置身于现实世界中的感觉。用户与虚拟现实系统进行交互的过程中，通过结合虚拟场景和现实环境进行计算，完成虚拟场景和用户所处现实场景的对齐，并向虚拟内容展示装备转发与同步互动消息，最终使用户获得自然的人机交互体验。
二、虚拟现实技术在固原丝路文化传播中的运用
面向文化遗产的传承与弘扬，人们主要采用数字媒介和历史遗迹实物相结合的方式进行教育传承，一方面利用文字、图片、录音、视频等传统数字媒介，另一方面利用保存下来的有形的历史遗迹，如文化古迹、文物等实物。前一种方式比较灵活，但难以还原历史文化遗产的全貌，且这种展示形式都是静态的，缺乏用户交互性，在用户自主探索或体验方面有较大的局限性。后一种方式可以让人们在现实生活中直观地近距离接触、体会历史文化遗产风貌，但是由于受到自然历史原因的影响，包括人为破坏、过度开发等因素，造成现有的历史遗迹遭受各种各样的损坏，而且古丝绸之路西北走廊多处于人烟稀少的山区。对固原地区现存的丝路文化遗产来说，其文物遗址分散于丝路沿线，地处偏远，交通不便。因此，传统的方式在文化遗产的传承与弘扬中面临便利性和全面性，以及传播发展和保存保护难以平衡的问题。
如今，随着信息技术的快速发展，虚拟现实技术越来越成熟，成为解决上述问题的一种新的途径。虚拟现实(Virtual Reality，VR)是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。[5]虚拟现实技术的最突出的特征包括：交互性(interactivity)、沉浸性(immersion)和构想性(imagination)。(1)交互性，与传统的人机交互手段区别的是，虚拟现实技术的交互性指的是体验者通过自然交互的方式主动与系统中呈现的虚拟环境进行交互；(2)沉浸性，VR系统将体验者的感官与外界隔离，使体验者全身心浸入在虚拟环境中，获得身临其境的感觉；(3)构想性，由于VR系统具备各种传感和反应装置，使用者可获得多种感知，增强使用者的认知程度，从而拓宽人们的创造性思维。由于上述特征，虚拟现实技术已逐步应用到军事、医学、航天和文化等领域，成为教育培训和分析评估的最新手段，具有广阔的发展前景。
通过计算处理和重建后的三维模型可方便的导入到三维场景制作软件，用于场景编辑和VR系统展示。从图2和图3可见，这组代表性的模型在VR系统中支持三维展示和典型的用户交互，通过本文方法大大减少了三维模型建模的工作量，并且本文方法生成的带纹理模型的渲染效果非常接近原始实物，具有较好的体验效果。
虚拟现实系统综合利用了计算机图形学、计算机仿真、多媒体、人工智能、人机交互等多种信息技术，实现过程比较复杂。在本项目中，固原丝绸之路文化遗产数字化平台由三个基础功能构成，分别为数字资源采集与处理、人机互动控制、虚拟数字内容展示，三个部分相辅相成，协同完成资源处理、人机交互以及虚拟场景的展示等任务。整个系统的软件平台框架图如图1所示。
当然，野村谷名贵树木不止于银杏。万亩山林，珍稀树种应有尽有。白龙山乃大别山一支，绿色基因库资源一脉相承。
胡萝卜 性凉、味甘，具有养血排毒、健脾和胃等功效。胡萝卜是有效的解毒食物，它所富含的胡萝卜素、维生素A和果胶可与汞离子结合，从而使人体血液中的汞离子浓度降低，加速其排出。
图 1固原丝路文化遗产数字化平台框架图
根据上文所说，针对当前的市场营销战略管理工作中存在的几个缺陷和问题进行了探究分析，加强管理方面的工作，可以保证企业获得更好的发展前景。而且，也要对市场营销战略管理工作进行优化升级根据自身的企业发展情况，制定出更加科学合理的市场营销战略方案，并且从不同的视角和途径来保证企业市场营销管理工作的顺利完成，以此提高企业发展能力，这对于企业自身来说也具有积极的现实意义。
在互动体验过程中，我们主要处理用户手部交互以及行走交互，用户既可以像现实生活中一样通过VR手柄抓取、拖动虚拟物品，也可以通过在万向行动平台上脚步的行走漫游于虚拟场景中。在实现过程中主要响应用户交互信号的识别和交互反馈等任务。首先，需要对原始信号进行标注，确保用户发出的交互信号可以精确区分，消除潜在的干扰。其次，通过使用统计学模型对用户发出的交互信号进行高精度实时识别。最后，使用场景控制、提示等形式进行实时交互反馈。采用三维交互展示的方法，一来可以让用户对虚拟模型的外观和特点有直观全面的了解，二来可以让用户自己来决定如何观察模型，这个互动的过程是传统的图片、文字等二维方式难以企及的。整个人机交互平台可以提供给用户精度高、自然性强的交互体验效果，通过实时交互反馈，用户的沉浸感也得到了提升。
在固原丝路文化遗产数字化平台中采用的数字资源主要是文化遗产的模型数据，用于实现固原丝路文化遗产建模。建模就是依据现实世界的对象建立VR系统中的主体数据，是现实世界对象在虚拟数字空间中的映像。由于现实世界对象种类繁多，因此模型数据也是各种各样，造成模型数据的采集和处理有多种不同的方式，主要根据实际应用情况进行选择。
在本案例中，文化遗产包含了不同规模的场景：大到依山而建的古代佛像遗址，小到表面几何特征精细的文物藏品。常规的文物数字采集通常采用基于结构光扫描的方式，需要在物体表面投影结构光图案，这类方式成本高，不适用于室外环境和大尺度的遗址数字化。我们利用多视角的三维重建技术实现简单有效的模型三维数字化，通过给定一组多视角图像，多视角立体(Multi-view stereo，MVS)重建方法可从这组图像中恢复场景的三维表面[6-7]。与主动视觉方法(Time-of-Flight，结构光等)相比，多视角立体重建具有更低的部署成本，可处理不同规模的场景，并同时适用于室内和室外环境。
( 1)数据资源采集与处理
对于室外的大尺度场景，我们使用无人机航拍进行数据的采集，无人机为大疆Mavic Pro，搭载带有稳定云台的4K相机进行视频拍摄。对于小尺度物体，我们采用自主研发的拍摄系统进行数据采集。该系统包含三个部分：自动控制转盘，高清摄像机和若干漫反射光源，通过转盘获取不同角度的图像，当转盘匀速缓慢转动时，相机由系统自动触发进行拍摄，最终对每个物体从不同角度获取60张高清图像，光源可以保障相机在较好的光照条件下清晰捕获文物表面的精细纹理。如图2所示，基于高清航拍数据，经由本文方法实现的须弥山大佛三维模型能够在保证三维形状完整重建的同时保留表面精细的几何结构，如大佛的脸部和衣服的褶皱等。如图3所示，基于自动拍摄系统，我们建立了固原地区的代表性文物模型，重建的文物三维模型忠实复原文物的几何形状，模型中几何细节清晰可见。
我们可以利用虚拟现实技术助推固原丝路文化的教育传承，通过对文化遗产的数字化、有形化，在计算机的生成空间中，建立与文化遗产匹配的三维模型以及一个虚拟的三维空间，设定多种交互手段和体验方式来模拟现实生活中的历史文化情境，可以让用户不受时间和地点的限制，更加全面、准确、细致地感知丝路文化遗产的形态，使人们能够更有效地开展可视化的教育培训或互动体验。
长期以来，变电站建设沿用的是就地采购砂石、砖、钢筋、水泥等建筑材料，现场捆绑钢筋，搅拌混凝土、浇筑、养护、填充、粉刷的传统模式。这种施工模式往往会因作业队伍技术水平参差不齐而使得工程质量受到影响。在国家电网公司“三通一标”和“两型一化”中，对变电站建设提出了更高的要求，工业化、模块化、标准化的装配式建构筑物将成为变电站建设发展的方向。
图 2固原丝路文化遗址须弥山大佛像数字 建模与互动体验效果图
(左上图是真实图像，右上图是重建的三维点云，左下图是重建的几何模型，右下图是VR系统中的互动效果)
图 3固原丝路文物数字建模与互动体验效果图
(左上图是自动拍摄系统采集的真实图像，右上图是重建的三角网格模型，左下图是三维重建后的文物渲染图，右下图是VR系统中的互动效果)
( 2)人机互动控制
4.北朝和隋唐墓地。 北朝和隋唐墓地是20世纪80年代在固原城西南塬陆续发掘的一系列墓葬的总称。历史上的固原，地处中原农耕文化与北方草原游牧文化、中亚西亚文化的交融碰撞之地，多元文化的东往西来通过丝绸之路相连接。20世纪80年代陆续出土的珍贵文物印证着固原在东西方文化交流中的重要位置，其中两件文物引起世界考古界的重视。一件是波斯鎏金银壶，壶身围绕着三组人物图像辗转构成，壶底缘有联珠一周，口部有流，柄部和口缘相接处有一个带有两撇胡须的胡人头像。壶的造型别致，图像精美，是国宝级的精品。还有一件玻璃碗，是波斯玻璃器皿进入中国的象征，被称为来自伊朗高原的尤物。
在七嘴八舌的叫嚷声中，陈山利再次壮起胆子。他的眼神，有些闪躲地看向马连长：“我别的要求没有，就想亲一口救护队的女兵李晓英！”说完，飞快回到队列，再也不敢抬头。
( 3)虚拟数字内容展示
虚拟内容展示以完成虚拟场景的逼真展示为目的。硬件方面，我们使用图形工作站进行虚拟场景的实时渲染，通过虚拟现实头盔接收渲染图像并呈现给用户体验。软件方面，为了能显示出精细的画面效果，提高用户的沉浸感，我们采用多种技术实现虚拟数字内容的信息融合与显示。
本项目的VR系统主体就是模型展示与交互，以图像加声音的方式提供全面的沉浸感受，因此系统的渲染呈现面临多个难点。首先，体验的场景较为开阔，模型密集程度高，单位空间内模型数量比较多；其次，交互元件数量多；再次，要达到较好的沉浸式效果，要保障优质的渲染质量和帧率；最后，对环境内多种声源需营造混合立体的效果，让用户获得更强的立体空间感。我们对此进行了多项技术优化，包括实时阴影、抗锯齿、shader LOD、光照烘焙、压缩纹理、遮挡剔除、音频监听和3D立体声等，从模型、灯光、材质、声音等多个角度进行相关处理，以获得更优的体验效果。图4和图5是系统展示效果图。
图 4固原古城虚拟展示效果
图 5固原古城内部漫游效果
( 4)底层支撑与系统集成
本平台包括硬件系统与软件系统两个部分，硬件系统由自动拍摄平台、无人机、虚拟现实头盔、虚拟现实万向行动平台、高性能图形工作站组成。软件系统主要有：数字资源采集编辑、人机互动控制、虚拟数字内容展示。其运行于windows系统，底层支撑部分包括虚拟场景管理、角色动画、网络同步、音效管理、渲染管理、交互输入和界面支持等组件。
我首先来到了教学楼前，拜访我的第一个朋友——香樟树。香樟树粗壮的树干上覆盖着厚厚的青苔，这些青苔都是从雨棚上淋下来的雨水滋润成的杰作，整个青苔毛茸茸的，像整齐而平滑的布，真想枕着头，贴着脸和它来一个亲密的接触。高大的树冠密密层层，把校园的一大块天都遮住了，这也是同学们最爱它的原因，每当夏季来临，同学们都爱在香樟树下躲阴，它就像一位温柔的母亲，细心呵护着每个孩子的安全。碧绿的枝叶耀眼而明亮。
固原丝路文化资源包括文物实物、古代遗址等不同种类的代表性资源，这些资源经系统处理后将存入数据资源库中，我们设计了多种参与方式让用户体验不同的固原丝路文化资源，包括VR视频、角色扮演、沙盘、虚拟博物馆等。利用虚拟现实技术支持的系统平台，用户可以随时随地进行交互体验，通过这种方式可以对固原丝路文化知识有更直观、更深入的了解。
参考文献：
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中图分类号: C39
文献标识码: A
文章编号: 1674-1331(2019)12-0051-05
收稿日期: 2019-04-20
基金项目: 宁夏高等学校一流学科建设(教育学)资助项目(NXYLXK2017B11)。
作者简介: 刘衍青,女,宁夏固原人,博士,宁夏师范学院固原历史文化研究中心教授;蒋浩,博士,中国科学院计算科学所副研究员。
[责任编辑 李世荣]
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