宋伯涵

摘 要：北京市大葆臺(tái)西漢墓博物館在文物數(shù)字化實(shí)踐探索過(guò)程中立足自身特點(diǎn)，充分考慮文物本體安全等諸多因素，開(kāi)展了三維掃描、虛擬現(xiàn)實(shí)展示等一系列文物數(shù)字化工作。文章即以這些工作實(shí)踐為基礎(chǔ)，探討技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中反映出的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：博物館;文物數(shù)字化;三維掃描;虛擬現(xiàn)實(shí)

當(dāng)今時(shí)代背景下，借助數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新成果，努力讓博物館豐富的文物資源充分發(fā)揮作用，提升公眾對(duì)歷史文化的了解，成了博物館工作的重要內(nèi)容。①文物數(shù)字化可以使遺產(chǎn)保護(hù)與展示得以兼顧，滿足博物館在保護(hù)、研究、展示、傳播等多領(lǐng)域的需求。

北京市大葆臺(tái)西漢墓博物館是北京地區(qū)唯一一座原址展示漢代王陵的遺址性博物館，其漢代“黃腸題湊”墓在業(yè)界具有獨(dú)特地位。該館自1983年建成開(kāi)館以來(lái)已30余年，建筑主體結(jié)構(gòu)早已超過(guò)設(shè)計(jì)壽命，因建筑存在安全隱患現(xiàn)已處于閉館改擴(kuò)建狀態(tài)。館藏可移動(dòng)文物也已搬遷至館外庫(kù)房保存。根據(jù)博物館當(dāng)前情況，無(wú)論是文物保護(hù)、科學(xué)研究還是教育展示，文物數(shù)字化工作都顯得尤為緊迫和重要。

1 文物的三維掃描與數(shù)字化檔案的建立

文物信息的采集是數(shù)字化工作的前提和基礎(chǔ)。②近年來(lái)，北京市大葆臺(tái)西漢墓博物館持續(xù)致力于推進(jìn)遺址和館藏可移動(dòng)文物的三維掃描工作，現(xiàn)已采集完成了整個(gè)大葆臺(tái)一號(hào)墓遺址的三維數(shù)字化信息。在館藏可移動(dòng)文物方面，已完成了全部珍貴文物及部分一般文物的三維掃描工作，建立了較為完善的數(shù)字檔案。通過(guò)對(duì)館藏文物進(jìn)行三維數(shù)字化保護(hù)與信息采集，我們進(jìn)一步完善了館藏文物的數(shù)據(jù)信息，加強(qiáng)了文物的保護(hù)和利用，初步實(shí)現(xiàn)了文物資源數(shù)字化保存。

1.1 遺址的三維掃描

遺址掃描工作主要采用了FRAO X330地面式三維掃描儀和FRAO Freestyle3D手持掃描儀兩種設(shè)備。由于既要確保文物安全這一首要前提，又要兼顧盡量保證數(shù)據(jù)的完整性，再加上遺址內(nèi)部工作空間的狹窄性，使掃描工作充滿了困難。此種困難尤其表現(xiàn)在掃描站點(diǎn)的布設(shè)上：掃描點(diǎn)架設(shè)時(shí)需要對(duì)遺址進(jìn)行充分避讓，這又對(duì)后期的拼接融合造成一定的影響。一些過(guò)于狹窄的區(qū)域只能使用手持掃描儀，最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合。

遺址掃描過(guò)程中使用的紋理采集方法并不是對(duì)遺址掃描時(shí)同步獲取，這是因?yàn)椴捎弥苯訏呙柰瑫r(shí)獲取三維點(diǎn)云和表面紋理的方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光線要求高，相關(guān)儀器的可靠性問(wèn)題在現(xiàn)有技術(shù)條件下也較難解決。因此，我們另辟蹊徑，先通過(guò)掃描三維模型，然后使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)文物不同角度的紋理進(jìn)行拍照，在后期處理中進(jìn)行紋理貼圖，以形成真實(shí)度較高的三維場(chǎng)景。實(shí)踐證明這一方法采集效率高、經(jīng)濟(jì)性好，成品效果也有保證。

1.2 可移動(dòng)文物的三維掃描

館藏可移動(dòng)文物的掃描工作主要采用的是Artec spider和Artec EVA兩款掃描儀，這兩款儀器都是手持式掃描儀，掃描操作角度比較靈活，在掃描過(guò)程中可以盡量減少翻轉(zhuǎn)或挪動(dòng)文物。使用Artec配套的軟件工具即可對(duì)文物三維數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和合成。掃描儀能穿透透明材質(zhì)，所以在掃描部分文物時(shí)配合使用了玻璃材質(zhì)的工裝，但也是由于這一特性，此技術(shù)對(duì)于玉器、瑪瑙器這類有一定透明度的文物掃描還存在一定的局限性。

主要的紋理采集工作還是依靠數(shù)碼單反相機(jī)完成的，雖然Artec EVA本身帶有紋理采集功能，但是在采集三維數(shù)據(jù)的同時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)光線比較困難，且其掃描精度不及Artec spider，難以更好地完成細(xì)節(jié)捕捉。

2 通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將文物數(shù)字化成果應(yīng)用于教育展示

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由虛擬仿真技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在社會(huì)諸多行業(yè)愈發(fā)受到重視，其價(jià)值亦在博物館領(lǐng)域得到切實(shí)體現(xiàn)。①近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟與運(yùn)用正好解決博物館閉館狀態(tài)下無(wú)法參觀遺址的問(wèn)題，即通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把遺址“裝進(jìn)口袋”進(jìn)行巡展，生動(dòng)地展示遺址原貌，拓展參觀體驗(yàn)。北京市大葆臺(tái)西漢墓博物館在遺址三維掃描等文物數(shù)字化工作的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了以墓室探索、虛擬展廳等基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科普互動(dòng)展示項(xiàng)目，適合全年齡段觀眾體驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)展示的基本技術(shù)路線：利用三維掃描技術(shù)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拍照采集紋理，經(jīng)過(guò)拓?fù)?、貼圖生成三維場(chǎng)景，并將三維場(chǎng)景導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，通過(guò)搭載VR設(shè)備的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

如果采用直接掃描封裝的模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)量是巨大的，展示平臺(tái)也無(wú)法支撐，且掃描數(shù)據(jù)在某些遮擋地方是完全掃描不到的，所以就需要利用拓?fù)涞姆椒▉?lái)重新建模。拓?fù)涫窃趻呙枘Ｐ偷幕A(chǔ)上重新繪制網(wǎng)格。這一方法大大降低了數(shù)據(jù)量，將高模變成了低模，從而能在展示平臺(tái)上流暢運(yùn)行。

Unity3D原本是一種游戲開(kāi)發(fā)工具軟件，其具備功能強(qiáng)大的渲染引擎，可搭建視覺(jué)擬真度極高的展示環(huán)境，并且支持多平臺(tái)發(fā)布，可應(yīng)用于多種終端設(shè)備。在Unity3D下憑借相關(guān)腳本即可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游功能，其展示效果真實(shí)，可支持較高畫質(zhì)，適用于具有沉浸式用戶體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)展示。將建立好的遺址場(chǎng)景導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D制成交互式體驗(yàn)程序，結(jié)合沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，就可以讓體驗(yàn)者置身于虛擬場(chǎng)景。

在大葆臺(tái)西漢墓博物館近兩年的社教活動(dòng)中（進(jìn)社區(qū)、進(jìn)學(xué)校、臨時(shí)展覽等），虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)揮著舉足輕重的作用。通過(guò)上述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方案的具體實(shí)施，大葆臺(tái)西漢墓博物館將龐大的一號(hào)墓遺址濃縮為大小僅有百兆級(jí)的應(yīng)用文件，然后依托電腦和VR設(shè)備將遺址“帶”出博物館，“帶”進(jìn)公眾的視野里。這種在博物館處于閉館改擴(kuò)建狀態(tài)下利用新技術(shù)發(fā)展舊設(shè)施的辦法，從一定程度上解決了無(wú)法參觀遺址的問(wèn)題，同時(shí)又開(kāi)拓了新的參觀領(lǐng)域。這是因?yàn)榧词乖诓┪镳^正常開(kāi)放狀態(tài)下，出于文物安全的考慮，觀眾是無(wú)法進(jìn)入墓室里面隨意參觀的。有賴于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的合理利用，觀眾可以在虛擬環(huán)境下的墓室中行走，沉浸感受“黃腸題湊”，近距離觀察車馬坑遺址，這些都是在傳統(tǒng)參觀方式中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3 積極推動(dòng)文物數(shù)字化成果在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的傳播

虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)，雖然有比較好的交互體驗(yàn)和沉浸感受，但受制于技術(shù)和成本因素，只能是在博物館內(nèi)設(shè)置體驗(yàn)區(qū)域或是攜帶設(shè)備前往條件允許的臨時(shí)場(chǎng)地開(kāi)展社教活動(dòng)。而通過(guò)智能手機(jī)等移動(dòng)端的三維展示則可以不受場(chǎng)地的束縛，隨時(shí)隨地觀看三維展覽。利用便捷的網(wǎng)頁(yè)瀏覽模式進(jìn)行藏品三維展示，是博物館廣泛發(fā)動(dòng)大眾參與、激發(fā)文化活力的一種積極嘗試，值得進(jìn)一步地深入探索。博物館教育工作在新媒體平臺(tái)上具有深厚的發(fā)展?jié)摿Γ本┦写筝崤_(tái)西漢墓博物館依托文物數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，積極探索讓文物資源在網(wǎng)絡(luò)空間充分發(fā)揮作用的新途徑，對(duì)接“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，成功擴(kuò)大了博物館服務(wù)的覆蓋面。

為了積極推動(dòng)文物數(shù)字化成果在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的傳播，讓觀眾更加便捷地享受社會(huì)文化資源，在文物數(shù)字化工作中開(kāi)始嘗試采用基于WebGL的三維展示系統(tǒng)。此系統(tǒng)無(wú)須借助插件即可直接通過(guò)瀏覽器獲得較高質(zhì)量的文物三維視覺(jué)體驗(yàn)。當(dāng)前的主流瀏覽器和移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)WebGL標(biāo)準(zhǔn)都具有良好的支持。用戶可通過(guò)PC或智能手機(jī)等設(shè)備直接在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行便捷的三維瀏覽?；赪ebGL的三維展示系統(tǒng)相比較于手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)g覽的方式，因?yàn)榘讶康娜S數(shù)據(jù)和渲染工作都放在了服務(wù)器上，所以不受限于設(shè)備的操作系統(tǒng)，具有更好的多平臺(tái)兼容性，無(wú)須安裝，不會(huì)大量占用移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)空間，對(duì)手機(jī)的硬件性能要求也較低，主要需求只是瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)連接。

文物在互聯(lián)網(wǎng)中的三維展示，依舊是基于文物三維掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)3DS MAX進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)再次建模，降低數(shù)據(jù)量便于應(yīng)用。而后使用Mudbox制作貼圖。通過(guò)以上兩步完成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合，就進(jìn)入了展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程。此前在虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)和PC端瀏覽的程序都是基于Unity3D制作的。Unity3D是一款功能強(qiáng)大的渲染引擎，應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)可以提供較高的畫質(zhì)和更完善的體驗(yàn)，但是網(wǎng)頁(yè)端的兼容性較差，往往需要安裝一些特定插件②，很難滿足在手機(jī)或?yàn)g覽器上便捷觀看的需求。利用WebGL構(gòu)建藏品三維展示系統(tǒng)的工作流程中，需要提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用Three.js引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，輔助生成模型、各種矩陣和材質(zhì)，并最終封裝為人類能看懂的三維圖像。在這一展示系統(tǒng)中，所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都需要上傳服務(wù)器進(jìn)行調(diào)試，用戶查看時(shí)也是通過(guò)瀏覽鏈接從服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)。瀏覽鏈接可以在博物館網(wǎng)站和微信公眾平臺(tái)等多種渠道發(fā)布或通過(guò)二維碼方式進(jìn)行推廣。

4 文物數(shù)字化工作中遇到的問(wèn)題與思考

在上文中已經(jīng)充分介紹了文物數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)踐過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題與不足更值得我們注意。

4.1 文物數(shù)字化展示與傳播中對(duì)于觀眾群體的限制

博物館是面向社會(huì)公眾的，其所開(kāi)展的社教活動(dòng)應(yīng)當(dāng)是針對(duì)各個(gè)層面、年齡階段的公眾人群的。高新技術(shù)的出現(xiàn)，面臨著人群接受度差異的挑戰(zhàn)。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題就是要讓不同年齡段的人能夠適應(yīng)并且接受的展示手法。在我們的社教活動(dòng)中，可以發(fā)現(xiàn)青少年容易接受這種體驗(yàn)，而老年人相對(duì)抵制。另外，由于個(gè)人身體狀況的不同，在使用這種沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，有的人會(huì)出現(xiàn)暈眩不適甚至嘔吐的情況。而這一問(wèn)題目前還沒(méi)有較好的解決方案。

4.2 技術(shù)和成本問(wèn)題

在傳播推廣領(lǐng)域這一問(wèn)題尤其需要注意，目前實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端瀏覽的常見(jiàn)方法是將三維展示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成一款手機(jī)應(yīng)用程序①，這樣三維數(shù)據(jù)和渲染都需要依靠手機(jī)本身的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力。雖然顯示效果好，但是對(duì)設(shè)備本身的硬件要求高，而且需要根據(jù)不同移動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的手機(jī)應(yīng)用程序，并且要求使用者下載安裝。這樣無(wú)形中就抬高了使用門檻，可能會(huì)將許多觀眾拒之門外，這是作為公眾文化教育機(jī)構(gòu)的博物館所不愿看到的。最初在微信公眾平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中我們也曾經(jīng)嘗試對(duì)藏品進(jìn)行三維展示，但是受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，只能將三維圖像轉(zhuǎn)換為動(dòng)畫文件上傳，只能觀看以固定方式變換觀賞角度的文物三維圖像，而無(wú)法進(jìn)行交互，這樣觀眾的體驗(yàn)感就大打折扣?；赪ebGL的三維展示系統(tǒng)的出現(xiàn)很好地解決了這一技術(shù)問(wèn)題。

4.3 文化遺產(chǎn)本身的信息無(wú)法得到充分體現(xiàn)

文化遺產(chǎn)本身包括非常龐大的信息量，如文物背后的故事。這些信息目前受限于現(xiàn)有技術(shù)和成本的問(wèn)題，無(wú)法在觀眾體驗(yàn)過(guò)程中得到交互式反饋。未來(lái)希望能通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，使這些信息不再局限于學(xué)術(shù)研究資料中，而是讓大眾都可以去理解和體驗(yàn)，變成人人都可以主動(dòng)獲取的文化產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

在執(zhí)行過(guò)程中首先明確目的與需求，不盲目地過(guò)度追逐最新技術(shù)，而是力圖使用已經(jīng)相對(duì)成熟和可靠的技術(shù)達(dá)到預(yù)期效果。遺址類博物館由于自身特點(diǎn)，其在文物數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用上需要區(qū)別對(duì)待、具體分析。遺址類博物館針對(duì)遺址本身進(jìn)行的技術(shù)應(yīng)用需要充分考慮到遺址本身的安全性以及遺址內(nèi)光線、復(fù)雜格局等問(wèn)題，應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮文物數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。新技術(shù)的應(yīng)用，最終還要從博物館自身實(shí)踐角度出發(fā)，分析利弊，選擇最適合的解決方案。