虚拟现实技术在文物保护传承中的功能现状及未来探索
《文化产业导刊》2020第3期
《虚拟现实技术在文物保护传承中的功能现状及未来探索》
作者：陈有 上海交通大学
朱宁嘉 上海交通大学
摘要：当代科技水平飞速发展，虚拟现实技术的渐渐崛起为文物的保护和传承带来了无限新可能、新思考。运用到位的虚拟现实技术能够很大程度上推进珍稀文物保护和推广之间的平衡，既能降低实地参观的慢性折旧或损毁风险，又能打破空间时间等种种限制，拓宽文物宣传渠道，让更多人有机会接触历史长河中的宝贵遗产。本文从目前虚拟现实技术在国内外文物保护和传承中的应用现状出发，简析其功能优势、重要性和存在的问题，并在此技术上探索虚拟现实技术在文物方面的未来运用可能性。
关键词：虚拟现实技术；文物保护传承；功能现状；未来探索
《虚拟现实技术在文物保护传承中的功能现状及未来探索》
作者：陈有 上海交通大学
朱宁嘉 上海交通大学
摘要：当代科技水平飞速发展，虚拟现实技术的渐渐崛起为文物的保护和传承带来了无限新可能、新思考。运用到位的虚拟现实技术能够很大程度上推进珍稀文物保护和推广之间的平衡，既能降低实地参观的慢性折旧或损毁风险，又能打破空间时间等种种限制，拓宽文物宣传渠道，让更多人有机会接触历史长河中的宝贵遗产。本文从目前虚拟现实技术在国内外文物保护和传承中的应用现状出发，简析其功能优势、重要性和存在的问题，并在此技术上探索虚拟现实技术在文物方面的未来运用可能性。
关键词：虚拟现实技术；文物保护传承；功能现状；未来探索
一、虚拟现实技术的基本概念与特点
将虚拟现实技术拆开来看，其中的“虚拟”是由计算机技术操作生成的虚构幻境，体验者通过相关设备将自己投射入这个幻境，并一定程度上在其中实现视听、嗅闻、控制操作等直观交互行为，因此虚拟现实技术也被成为幻境技术；“现实”则可以是计算机技术能够建构起的任何场景，它们可以是现实存在的也可以完全源于想象。虚拟现实技术系统一般由检测、反馈、传感器、控制、建模五大模块[1]组成，通过这一系列的环节识别现实中的三维表示，建构虚拟环境，获取用户操作指令，将其作用于虚拟幻境，再给予用户相应的反馈。
虚拟现实技术的特点主要表现在用户的体验感上，在理想实现的情况下，体验者虽然有虚构情境的思想预设，虚拟现实技术仍然能给予体验者难以置信的真实感，其中包括幻境物体的物理运动自主性和合理度、使用者的存在融合自然度、可操作度和所得反馈度[2]。
二、虚拟现实技术在文物保护传承中的功能现状
虚拟现实技术作为新兴技术，近年来硬件设施和软件算法从无到有、发展迅速，技术的进步和虚拟现实本身的沉浸式交互功能为文物的保护传承提供了全新的尝试，包括文物数字化、计算机技术辅助考古研究、数字博物馆等等。目前，国内外的部分文物点也都已经开始尝试以虚拟现实技术为文物的保护和传承提供有力的新支撑。
国内文物保护与虚拟现实技术功能的结合实例中，敦煌莫高窟是称得上首屈一指的。莫高窟作为文物其本身有着一定特殊性，本就已经年代久远的材料和工艺受到经年累月的自然与人为折损，时至今日，游人进入带来微弱的温度、湿度、二氧化碳浓度的变化都会伤害到珍贵的石窟壁画。在这种情况下，莫高窟于虚拟现实技术问世之前就已经将文物保护与数字化技术进行了结合，这份尝试至今已二十余年，一代文物保护学者的青春投入使得 170 多个洞窟中的珍贵彩塑得以永久保存。而开放于 2014 年 8月1日[3]的敦煌莫高窟数字展示中心则更带着新科技的影子，真正结合了虚拟现实技术，以全球第一部超高清8K 实景数字球幕电影《梦幻佛宫》吸引了无数慕名而来的游客，这部影片对 7 个已经封闭保护的珍贵“特窟”进行了全方位展示，很大程度上弥补了封闭石窟之憾。
相似的，位于我国河南省洛阳市的龙门石窟，也选择使用虚拟现实技术来平衡珍贵文物的保护与宣传。前往龙门石窟参观的游客无需真的进洞，只要运用虚拟现实技术的相关设备，就可以观赏到洞窟艺术，甚至对于一些流落海外的珍稀文物，也能通过虚拟现实还原全景，将文化遗产全然呈现到游客面前。
此外，还有广西少数民族建筑文物群，如苗族吊脚楼、瑶族谷仓、侗族风雨桥、壮族木楼[4]等，运用了虚拟现实的高仿真技术对建筑群实现了数字化建模，以虚拟仿真的模式推广了各民族的建筑文化瑰宝。
另外国内还有陕西省党家村、红色文物景点方志敏烈士陵园[5]等结合或正在尝试结合虚拟现实技术，为文物的保护和宣传开辟新可能。
再观国外在文物保护和虚拟现实技术的融合运用中所采取的尝试，其中十分典型的是日本九州装饰古坟群，通过颜色建模、图像还原等手段对王冢古坟、樱京古坟、乘场古坟、石人山古坟等进行虚拟现实处理，并且比起实体景观，经过技术处理的古墓壁画有着更清晰明显的纹理轮廓，无论是对于考古学家的保护研究，还是普通游客的观赏都有着更好的视觉效果。日本的奈良大佛、镰仓大佛也通过三维扫描数字化[6]的技术，通过几何和色彩建模还原出了现实展示系统，并且对于修复师而言在采集到三维模型数据后可以进行更高效的修复。
将坐标再往南移，东南亚的吴哥窟和巴戎寺等珍贵的文化遗产也是虚拟现实融合的典范，与国内的莫高窟、龙门石窟相似，这些长期露天的久远建筑受到自然、人为的侵袭，在现有的技术水平基础上，走上虚拟现实之路可以说几乎是一种必然。然而，与国内的应用有所不同的是，由于建筑特殊，一般运用的三维扫描难以采集建构。针对吴哥窟等文化遗产，气球扫描仪研究问世，作为虚拟现实技术的一个环节，气球扫描仪通过变形数据、图像运动和气球运动[7]实现高品质的建模和还原。
西方国家的代表建筑教堂自然也不会缺席虚拟现实技术的热潮，不少老教堂通过海量图像拼接全景以供展示。对于雕塑等立体属性的文物，也会采用三维分析和材料的物理特性分析，致力探究缓解老化的保护方式。
纵观国内外虚拟现实技术在文物保护传承中的功能现状，参与运用的国家不少，主要功能则表现在三维扫描、数字化建模和重现等，其在许多不可移动性质的文物保护中起了重要的作用，在给考古学家、文物修复师提供新的思考途径的同时，也将宝贵的文化遗产以对其本身更无害的方式展示给世人。
三、虚拟现实技术在文物保护传承中运用的优势和重要性
虚拟现实技术为用户带来的沉浸式交互体验在文物的保护和传承中可以发挥出极大的优势，由于是沉浸体验，虚拟现实技术在理想呈现的情况下甚至能比实地参观能摄入到更多的信息，获取更直观贴近的体验，在这个前提下虚拟现实技术可以说并不是一个比其观看实物“退而求其次”的选择。
首先是虚拟现实技术对于文物保护的促进。上文中提到国内的典型案例敦煌莫高窟，那里的游客数从1979 年的 2 万多人，一直到 2014 年达到 80 万人，2015 年达到 115 万人，40% 的年增长，截止到今天已经接近 165 万人了[8]。越来越大的人流量如果都实地参观，即使采取传统的分批申请、每日限流，也只不过能稍稍减缓石窟的风化速度，在参观过程中更是无法百分之百避免游客触碰、摄影等造成的物理损害。然而虚拟现实技术将偌大的敦煌莫高窟投射进一个虚构幻境，而文物本身则可以封闭处理，在一个稳定环境中更好地保护起来，大大延长了石窟的寿命。不仅是敦煌莫高窟，对于世界各地不可移动性质的大型文物点，虚拟现实技术都可以说是目前技术范围内一个相当优化的选择，或者说对于这类文物，在目前阶段走上虚拟现实技术的保护之路已经是一种大势所趋。
而对于如同雕塑、教堂花窗等相对移动性较高的文物，虚拟现实技术的应用可以帮助文物避开中转运输中的磕碰风险，对于考古学家和修复师而言也能提供更好的研究环境，将文物通过三维扫描、材料分析建构等方式“存档”，在研究过程中就避免了直接接触文物所可能带来的风险。而精确的数字化技术和仿真推理也为文物修复提供了现代化新视角，对文物保护的存档和进展记录也有帮助，总体上能极大提高对文物的保护效果。
其次，站在文物传承和推广的角度，虚拟现实技术的应用原理能够打破空间乃至时间的限制。虚拟现实建构起一个广袤的虚拟空间，理论上可以通过技术实现将世界上任意能采集建模的文物放置进来，并且将虚拟空间中的展览带给比传统馆内人流限额更广泛的人群，相比传统形式的布展，显然文物的展出数量和展出效率在不添加任何风险的情况下大幅提高，能大大推进文物知识普及。另外，多数传统文物的展出都严禁触碰，甚至必须隔开一段较长的距离（如 2010 年上海世博会前来参展的小美人鱼雕像）。然而虚拟现实技术能够解放触觉，让体验者打破地域大距离的同时也越过与展品之间的小距离，进行零距离的观赏体验。在时间距离方面，对于一些年代过于久远、受损严重的文物，虚拟现实提供了新的修复途径，体验者可以通过虚拟现实看到一些文物光彩照人的原貌，很大程度上提高了参观质量，调动体验者对文物的探索积极性，一定程度上提高民众文化自豪感。
概括而言，虚拟现实技术的投入应用对于文物本身的修复和参观者的体验都会有较大的帮助，针对传统布展效率较低、风险较大的问题也会起到不容小觑的作用，总体上对于提高文物普及度，提高文化软实力都相当有助益。
四、虚拟现实技术在文物保护传承中运用的问题
诚然，虚拟现实技术在文物的保护和传承中能够起到相当大的作用，也是时代技术发展的一种大趋势。但我们可以发现第二部分中的诸多实例虽然涵盖的国家较为广泛，但其实每一个国家内部的文物点运用比例并不高。究其原因，虚拟现实技术在文物保护传承中就目前而言尚存在不少问题的。
首先，年轻的虚拟现实技术仍有很大的发展空间。虚拟现实对于文物保护方面的众多优势都是建立在“理想呈现”的基础上的，但显然目前的多数文物点都还难以达到，他们能做的都还只是融合虚拟现实技术的尝试。敦煌的世界首部 8K 球幕电影也好，龙门石窟的虚拟现实参观也好，虽然都是不错的技术融合示范，但其实都离逼真的沉浸交互有较大的距离，在这种情况下，对于参观者而言使用虚拟现实设备并不能得到和实物参观同等的效果，只是对封闭保护文物的一种妥协。另外，作为实现基础的三维扫描和建模，以目前的技术水平来说绝大部分仍然是专业技术人员人工绘制[9]，这在效率和成本上都十分吃亏，为虚拟现实技术在文物保护、文物传承方面的广泛推广造成了阻碍。而再退一步说，虽然对虚拟现实技术的研究十分热门，但是从新技术研发成功到真正引入文物点与文化产业相融合也需要一段磨合的时间，因此技术之路与文物之路的更好交汇仍然需要许多人的努力和坚持。
其次，目前阶段还难以解决的人工绘制建模技术短板，也会连带引发相关的经济问题，尤其在文物虚拟现实展览方面，大量文物的复杂建模、后期技术实现以及为了适应参观者数量，需要购买的大量高硬件设备会带来一笔不可低估的开销，这部分成本无论由文物点自行承担还是转嫁到参观者，都会造成部分文物点或部分参观者的止步。
可见，技术的短板和相关的经济问题，使得目前的虚拟现实技术仍然很难在文物点大量普及，在用户体验上来说，也仍然难以取代实物参观。
五、虚拟现实技术在文物保护传承中的未来可能性
虽然虚拟现实技术还尚待探索发展，在文物保护传承方面的应用也还未普及，但我们处在一个无限可能的时代，也有着众多高新技术作为先例和基础支撑，相信作为热门研究领域的虚拟现实技术会有更加迅猛划时代的进步[10]。站在文物结合的角度，浅谈几点在我看来虚拟现实技术未来的发展水平和发展方向。
我认为首先要解决完善逼真程度的问题，实现视觉、嗅觉、听觉、触觉的高度全息体验。此外，对于遗址类的文物，可以在虚拟幻境中插入人物生活还原，开放对话、简单接触等功能，使参观者能够获得更深一层的互动体验。只有近乎完美逼真才能让参观者真正放下对传统布展“亲眼所见”的执念，相信虚拟现实能够为他们带来更好的体验。在此基础上，提高软硬件技术，逐步解决人工建模的耗时耗成本问题，并且开发更轻便的虚拟现实硬件设备，将高质量体验的门槛慢慢放低，相信这两点是技术融合普及的重要基础。
当技术进步到一定程度，我认为可以实现文物点与其他文化产业的再融合，当虚拟现实技术能够普及到使用户在家即可随时体验，文物的虚拟现实布展或许可以考虑与新媒体相结合，用户通过终端即可看遍灿烂文物，进一步打破空间局限。
对于考古、修复学者群体，也可投入新媒体终端技术。各文物点、博物馆都可以对自身馆藏进行三维扫描和材料分析建构，做成数字档案建立起共同的数据库，实现文物资源全共享，一方面便于学者查询研究，一方面可以保护一些有着修复疑难问题的文物，这种形式的档案库能够发动起所有参与的专家共同讨论方案，促进信息流通，提高文物修复的可能性，即使一定时间内仍然无法复原，扫描存档也使得珍稀文物得以以高新科技的形式永久保存。
最后，我希望在虚拟现实技术与文物保护传承的结合之路上，可以有支持政策和更大的资金扶持力度来提供保障、助一臂之力。一方面，需要更完善的政策和法规为新兴技术提供专利保障，研发人员的积极性才能更好地调动起来；另一方面，虚拟现实在文物点的投入普及绝对不会是一朝一夕的事情，而是需要一个渐渐推进的过程，在这个过程中让所有文物点或参观者自行承担研发成本显然会使得不少人望而却步。有了政策和资金的扶持，就可以让更多的文物点先踏出尝试的那一步，再随着技术进渐渐完善各点的虚拟现实体验水平，大幅促进虚拟现实技术在文物点的普及可能。
虚拟现实技术在中国、日本、东南亚、西方国家的部分文物点都已经投入使用，虽然尚还年轻的新兴技术存在短板，也不能理想地呈现极度逼真的虚拟现实效果，暂时难以普及推广，但这个朝阳领域仍然为许多珍稀的文物的前路带来了一缕新的阳光，它努力重构着文物保护和宣传展示之间的平衡，也为文物存档修复提供了新思路，是目前技术发展水平下不容忽视的文物传承新手段。
希望在不久的未来虚拟现实技术能够蓬勃发展，获得更大的政策支持，实现更逼真的沉浸交互式体验，并且也能够逐步降低体验门槛，与新媒体等其他文化产业相结合，实现文物资源全民共享，全面提高国家文化软实力。
参考文献：
[1]《从文物修护概念看博物馆 VR 技术的应用前景》( 张学慧 陕西省艺术博物馆 《文物世界》2017 年 05 期 p.65).
[2]The Development of Computer Competencies Using Artificial Intelligence (Jacek Grudzien De Gruyter 2014 p.40-p.56).
[3]《虚拟现实技给现代旅游业带来的机遇与挑战》( 陆俊朋 海南热带海洋学院旅游学院 《旅游纵览》下半月 2017 年 04 期 p.13).
[4]《广西少数民族建筑文物虚拟仿真系统关键技术研究》( 黄丽达 甘广欣 冯文苑 魏源良 广西艺术学院 广西大学 《电子技术与软件工程》 2017 年 16 期 p.185).
[5]《虚拟现实技术在红色文物保护方面的应用研究》（况扬 陈明辉 江西科技师范大学 《科技广场》 2017 年 07 期 p.97-p.98).
[6]《虚拟现实技术在文物遗产保护和博物馆教育中的应用研究》( 秦一 河南博物院 《现代营销》( 下旬刊 ) 2017 年 01 期 p.141).
[7]《不可移动文物的数字化展示》( 熊四明 肖增超 广州欧科信息技术股份有限公司 《电子技术与软件工程》 2016 年 24 期 p.260-p.261).
[8]2017 年 10 月敦煌研究院院长做客上海交大讲堂 - 世界博物馆馆长讲堂 演讲手记 .
[9]《虚拟现实技术与博物馆的未来发展》( 王英勋 潍坊市博物馆 《人文天下》2017 年09 期 p.65).
[10]Artificial Intelligence in Knowledge Management: Overview and Trends (llze Birzniece De Gruyter 2011 p.5-p.11).43
