何明， 袁恩培

1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術學院 設計學院，重慶 401120；2. 重慶大學 藝術學院，重慶 401331

非物質文化遺產是人類在不斷發(fā)展過程中積累下來的優(yōu)秀民族文化, 是人類智慧和文明的結晶[1]． 對非物質文化遺產的保護和繼承, 既能加強民族凝聚力, 又能對社會和經濟發(fā)展起到一定的推動作用． 亞太地區(qū)“非物質文化遺產”數據庫[2]、 “美國記憶”計劃[3]、 世界記憶工程[4]等都已開始實施, 我國的非物質文化遺產保護工作起步較晚, 目前還處在探索的初級階段． 國內的非物質文化遺產項目大多以家族傳承、 師徒傳承等方式進行, 這種以人為主導的傳統(tǒng)傳承模式極有可能出現(xiàn)保護、 搶救不及時和傳播失誤等問題, 從而影響到傳統(tǒng)文化的傳承． 非物質文化遺產保護和運用是當務之急, 必須通過新技術對其進行更好的研究和探索, 使其在傳統(tǒng)文化中得到轉化和創(chuàng)新, 從而為中國傳統(tǒng)文化的傳承注入新的生機．

近年來, 隨著研究與應用的不斷深入, 地理信息系統(tǒng)(GIS)技術日趨完善, 其與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)技術、 遙感(Remote Sensing, RS)技術組成的3S(GIS,GPS,RS, 簡稱3S)技術, 已是許多行業(yè)應用的重要工具和方法． 3S技術的范圍涉及地理、 交通、 資源環(huán)境、 區(qū)域發(fā)展以及文化遺產保護等研究領域[5]． 當前, GIS技術在體育非物質文化遺產的研究中, 除個別研究應用GIS技術構建非物質文化遺產的數據庫和空間分布外, 深層次的應用研究較少． 文獻[6]基于非物質文化遺產傳承保護工作模式和扎根理論, 構建了體育非物質文化遺產的綜合評價體系, 并通過GIS等數字化技術對體育非物質文化遺產項目相關的檔案資源進行整理、 分類, 建立系統(tǒng)且全面的數字化檔案． 文獻[7]應用GIS技術的空間分析方法, 對已經公布的國家級體育非物質文化遺產空間分布特征進行了分析． 文獻[8]將國內外旅游業(yè)與GIS,RS,GPS等功能進行集成, 使地理信息融入移動三維地理信息系統(tǒng)中, 將文本、 圖像和音頻等旅游信息導入GIS系統(tǒng), 使非物質文化遺產景點可視化, 推動了非物質文化遺產的傳播和發(fā)展． 文獻[9]應用空間分析方法對湖南湘江文化圈體育非物質文化遺產的地理空間分布特點和影響因素進行研究, 為體育非物質文化遺產的傳承、 保護和管理提供參考． GIS技術作為重要手段在非物質文化遺產應用研究中具有較大的發(fā)展空間．

但是, 單一的GIS技術難以完整表達非物質文化遺產錯綜復雜的關系． 為了更好地對非物質文化遺產進行數字化描述, 本文在GIS技術的基礎上, 結合多媒體技術、 計算機網絡技術、 虛擬現(xiàn)實技術和增強技術等多種數字技術, 對非物質文化遺產景觀信息進行采集、 監(jiān)測、 分析、 模擬、 創(chuàng)造、 再現(xiàn), 并通過這種非物質文化遺產景觀的數字化呈現(xiàn)方式, 為我國非物質文化遺產的保護和發(fā)展提供新思路．

1 相關技術

1.1 數字景觀技術

“數字景觀”是借助計算機技術, 綜合運用GIS、 遙感、 遙測、 多媒體技術、 計算機網絡技術、 人工智能技術、 虛擬現(xiàn)實技術、 仿真技術和多傳感技術等多種數字技術, 對景觀信息進行采集、 監(jiān)測、 分析、 模擬、 創(chuàng)造、 再現(xiàn)的過程[10-11]． 數字景觀技術不僅僅體現(xiàn)在風景園林規(guī)劃設計中, 同樣適用于非物質文化遺產保護． 運用文字、 錄音、 錄像、 視頻、 多媒體等數字化技術, 可以真實、 系統(tǒng)、 全面地記錄非物質文化遺產信息, 并建立起檔案數據庫, 有效地保護具有歷史價值的非物質文化遺產．

1.2 GIS技術

地理信息系統(tǒng)(GIS)技術作為數字景觀的核心技術, 是一種綜合空間管理技術[12], 而非物質文化遺產具有復雜性、 多功能性等特點, 其對生存環(huán)境條件的要求非常高, 在保護和管理過程中傳統(tǒng)的方法已經不能滿足要求, 需要更為先進的手段和技術進行支持． GIS技術是將數據采集、 存儲、 編輯、 管理、 分析、 顯示以及應用等操作融為一體的計算機系統(tǒng), 能夠處理海量的地理空間等數據．

1.3 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實(VR)技術是一種更加智能的景觀模擬可視化技術[13], 融合了數字圖像處理、 計算機圖形學、 人工智能、 多媒體技術、 傳感器、 網絡以及并行處理技術等多個信息技術分支的最新發(fā)展成果． 與通常計算機輔助系統(tǒng)所產生的模型以及三維動畫不同, 虛擬現(xiàn)實環(huán)境是一個開放、 互動的環(huán)境． 用戶借助必要的設備, 以自然的方式與其中的對象進行交互作用, 從而產生“身臨其境”的感受和體驗[14]．

1.4 增強現(xiàn)實技術

增強現(xiàn)實(AR)技術是一種實時地計算攝影機影像位置及角度并加上相應圖像、 視頻、 3D模型的技術[15], 這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動． 增強現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實領域發(fā)展出來的一個分支, 卻又與虛擬現(xiàn)實有所不同． 增強現(xiàn)實的最終結果是達到物理現(xiàn)實世界的“立體化增強”, 強調的是部分虛擬． AR在文化遺產數字化保護中具有極大的作用及重要意義, 它可以讓參觀者身臨其境地參與到展示活動中, 增強大眾對文化遺產的認識, 從而促進我國非物質文化遺產的保護．

2 非物質文化遺產保護數字化策略

目前, 我國的非物質文化遺產保護傳承工作難以滿足文化發(fā)展需求, 普遍存在非物質文化遺產原生環(huán)境被破壞等嚴重問題． 并且, 由于我國的非物質文化遺產項目存在傳承人老齡化、 積極申報但消極保護等問題, 傳統(tǒng)的保護傳承手段難以有效地解決這些問題． 數字化保護作為一個較為新穎的方式, 能夠將非物質文化遺產的無形模式轉化為信息化模式, 從而將其存儲于計算機內[16]． 通過這種非物質文化遺產的數字化保護策略, 不僅能夠讓非物質文化遺產得到永久保存, 還能讓其更為廣泛地傳播, 從而全面宣傳我國的非物質文化遺產．

非物質文化遺產數字化保護策略的具體實施過程:

1) 非物質文化遺產數據庫建立． 通過三維登記、 掃描、 建模、 數字融合等數字技術, 建立非物質文化遺產數字化保護系統(tǒng)平臺．

2) GIS空間分析模型構建． 利用GIS空間分析算法開發(fā)非物質文化遺產管理系統(tǒng), 建立非物質文化遺產GIS系統(tǒng)的平臺框架圖．

3) AR,VR技術應用． 通過AR、 動畫、 游戲等多種數字資源, 增加民間非物質文化遺產與大眾互動的經驗, 并通過3D虛擬場景資料、 舊物3D復原資料等, 虛擬復原并展示已有的非物質文化遺產, 以此加深大眾對非物質文化遺產的認知．

數據庫是創(chuàng)建平臺的基礎[17]． 數據庫不僅要盡可能全面地收集和管理信息, 而且要利用表和系統(tǒng)公告來顯示平臺中收集和記錄的信息(表1)．

表1 系統(tǒng)結構分布

3 基于GIS的體育非物質文化遺產管理與保護系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架建立

開發(fā)體育非物質文化遺產管理系統(tǒng), 是GIS技術在體育非物質文化遺產應用開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)． 其中, 三維場景和角色動畫設計、 高精度數字模型及文化元素交互設計、 三維場景構建與渲染等都是系統(tǒng)建立過程中的關鍵技術[18]． 虛擬現(xiàn)實技術可對體育非物質文化遺產傳承人角色的動畫制作提供真實感的人物模型, 可以利用動作資源庫中的動作數據生成角色動作動畫等． 應用Web-GIS等多種技術可把多種形式的體育非物質文化遺產信息系統(tǒng)綜合起來, 同時借助移動互聯(lián)網等交互體系平臺實現(xiàn)體育非物質文化遺產可視化產品的傳播, 使體育非物質文化遺產管理系統(tǒng)成為現(xiàn)代技術條件下比較適合大眾傳播的一種創(chuàng)新平臺． 體育非物質文化遺產管理系統(tǒng)平臺框架如圖1所示, 具體實現(xiàn)步驟為:

1) 建立非物質文化遺產資源數據庫和非物質文化遺產信息管理系統(tǒng)． 其中, 非物質文化遺產資源數據庫由GIS數據庫、 多媒體數據庫、 模型數據庫組成． 非物質文化遺產信息管理系統(tǒng)包括GIS空間分析技術、 信息管理技術和3D應用技術．

2) 通過數據庫和數據管理系統(tǒng), 構建體育非物質文化遺產資源共享與服務系統(tǒng)． 用戶可通過該系統(tǒng)完成注冊、 瀏覽、 檢索、 發(fā)布等數據公布與服務功能．

3) 通過構建體育非物質文化遺產多媒體交互體系平臺, 完成體育非物質文化遺產情景建模的交互設計以及知識建模技術, 實現(xiàn)體育非物質文化遺產的可視化．

圖1 基于GIS的體育非物質文化遺產管理平臺框架圖

3.2 基于GIS遺產研究的空間分布模式

為了對非物質文化遺產的空間分布進行分析, 需要通過GIS空間分析技術來實現(xiàn)． GIS空間分析指在GIS里實現(xiàn)分析空間數據, 即從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、 分布、 形態(tài)、 形成和演變等信息并進行分析, 主要包括平均最近鄰指數、 標準差橢圓、 核密度分析和空間相關分析[19]． 平均最近鄰指數是衡量點物在內部空間的分布程度． 體育非物質文化遺產的空間分布類型可以通過平均最近鄰指數來區(qū)分, 如下式所示．

(1)

ANNI表示平均最近鄰指數,ANNO表示實際最近鄰距離,ANNE表示理論最近鄰距離,dij表示任意一項體育非物質文化遺產與其最近的體育非物質文化遺產之間的距離,n表示點數;A表示研究區(qū)域面積．

地理集中指數用于衡量元素分布的集中程度, 其值越大, 元素的集中程度越高． 其計算公式為:

(2)

式(2)中,G表示地理集中度指數;xi表示體育非物質文化遺產在區(qū)域i的數量;T表示總數;n表示區(qū)域總數． 如果設Gi為理想的地理集中指數,Gr則表示為G和Gi比值的地理集中度, 其計算公式為:

(3)

當Gr的值大于1時, 表示體育非物質文化遺產分布趨于集中, 且分布集中程度隨著Gr值增大而增大． 相反, 則意味著體育非物質文化遺產的分布較為均勻．

本文引入基尼系數來代表分布均勻性, 其多尺度空間取值范圍為[0, 1]． 基尼系數的增加意味著空間分布均勻性元素含量的增加． 計算公式如式(4)、 式(5)所示:

(4)

C=1-Gini

(5)

式(4)、 式(5)中,C為元素分布均勻性, 用來表示空間要素占各要素不同分區(qū)的百分比,Wi表示i區(qū)域排序的累計比例順序;n表示分區(qū)總數．

由于空間和尺度分布不同, 非物質文化遺產要素的不平衡指數能測度空間分布均衡度不同區(qū)域的元素, 取值范圍為[0, 1]． 空間要素分布均衡度隨著不平衡指數降低而提高． 計算公式為:

(6)

式(6)中,S表示不平衡指標;n表示區(qū)域數;Yi表示第i個分區(qū)中所有元素的空間元素之和的百分比．

密度函數可以反映點密度與鄰里元素的空間． 設核心體育非物質文化遺產密度為f(x), 則公式為:

(7)

式(7)中,x表示待估計點的位置;dis表示搜索半徑為r點到圓心的距離;n表示點數;k表示核密度方程．

3.3 增強現(xiàn)實系統(tǒng)的3D技術實現(xiàn)方法

為了對非物質文化遺產進行三維數字化呈現(xiàn)(圖3), 即為用戶提供虛擬化現(xiàn)實的體驗效果, 需要通過3D技術進行實現(xiàn)． 3D技術是增強技術的一個重要現(xiàn)實系統(tǒng)研究[20]． 3D增強現(xiàn)實技術在博物館、 古文化遺址、 文化遺產等領域有著很大的發(fā)展空間, 可以讓參觀者更好地了解文化遺產, 提升他們的學習動機, 增進他們與非物質文化遺產的交流． 三維增強現(xiàn)實技術對非物質文化遺產進行了有效的保護, 加強了學習環(huán)境, 為遺產管理和保護平臺的設計和發(fā)展奠定了基礎． 同時, 體育非物質文化遺產的原貌可以通過三維物理建?；蜻€原相應的數據庫, 從而實現(xiàn)高精度、 實時性和長期保存．

利用基于Kinect深度攝像頭的虛擬現(xiàn)實技術來實現(xiàn)無形文化遺產三維模型的構建, 需要進行坐標系轉換和投影操作[21]． 世界坐標系的點表示為齊次坐標, 即Xw(xw,yw,zw, 1)T在圖像上的投影平面表示為X(x,y, 1)T． 兩者之間的關系為:

(8)

如果Xw在曲面實平面上, 則zw=0, 式(8)可以轉化為式(9):

(9)

式(8)中, 攝像機內部參數表示為K, 外部參數表示為M．

實現(xiàn)三維建模首先需要觀察真實場景中的自然特征點, 并對其進行跟蹤． 同時, 三維坐標在觀測中投影出相應的特征點二維圖像坐標系, 可建立它們之間的對應關系． 在此過程中, 可以使用單應性來得到每一幀圖像的矩陣, 從而估計出姿態(tài)信息． 最后, 本文使用這些信息來進行三維建模計算．

假設在徑向坐標中有一個點空間表示為X=(U,V,W, 1)T, 坐標在不同的觀察角度下, 圖像平面上的點被表示為x1={u1,v1, 1},x2={u2,v2, 1}, 其在徑向坐標系中的位置可由式(10)計算而得:

(10)

圖像坐標系包括兩個維度的像素坐標系和一個成像平面． 假設每個像素的物理尺寸在x軸和y軸方向分別是dx和dy控件中任意像素點的變換關系, 則兩個坐標系下的圖像為:

(11)

由于攝像機的制造工藝不同, 因此轉換關系為:

(12)

攝像機的位置在任何場景是任意的, 所以需要確定相機位置并借助其他物體的世界坐標, dinate系統(tǒng)與攝像機坐標系統(tǒng)之間的轉換關系可以用旋轉矩陣和平移向量表示, 設置坐標系下的一點兩個坐標系(Xw,Yw,Zw, 1)T, (Xc,Yc,Zc, 1)T, 變換關系為:

(13)

式(13)中, 正交單位矩陣表示為R, 三維平移矢量表示為t=(tx,ty,tz),t和M1表示為4*4．

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中, 虛擬對象的位置需要通過虛擬坐標系來表示． 因此, 虛擬坐標系統(tǒng)與世界之間的變換坐標系為:

(14)

4 實驗分析與研究結果

4.1 數字景觀技術在體育非物質文化遺產上的實驗分析和研究結果

本文以我國傳統(tǒng)體育非物質文化遺產為例, 對其進行數字化技術應用分析． 根據非物質文化遺產相關數據庫, 可將我國體育非物質文化遺產劃分成不同類型(圖2)． 大多數體育非物質文化遺產項目可以按12種類型分類． 由于綜合競爭的分類具體有幾個項目不能確定, 所以將他們統(tǒng)一歸為一個新的類別, 即民間娛樂． 其中, 武術是體育非物質文化遺產的最大類別, 約占總數的60%． 第二大類別為民間娛樂, 約占總數的20%． 其他項目如國際象棋、 摔跤、 球類游戲、 皇家禮儀、 劍術等都有一定數量的占比． 無論是從總體上看還是從不同級別上看, 我國體育非物質文化遺產類型分布存在較為不均衡的特點, 差異性較為明顯． 其中, 武術較多, 而跟蹤和實地活動、 水上活動、 滑冰和滑雪這3個項目占比較少．

圖2 我國體育非物質文化遺產項目的類型結構

圖3顯示了我國體育非物質文化遺產的區(qū)域和省級分布, 不同顏色代表不同地區(qū)體育非物質文化遺產數量．

圖3 我國體育非物質文化遺產的區(qū)域分布

如圖3所示, 華北和華東地區(qū)擁有最多的體育項目非物質文化遺產; 其次是華中、 西北以及西南; 我國體育非物質文化遺產發(fā)布較少的是東北和華南地區(qū)．

如圖4所示, 運用GIS技術和虛擬現(xiàn)實技術構建體育非物質文化遺產人物形象． 虛擬現(xiàn)實構建的三維模型技術可使用戶沉浸在虛擬環(huán)境之中, 獲得與現(xiàn)實世界同樣的體驗, 形成身臨其境的感受． 因此, 通過這種方式可使更多的民眾了解體育非物質文化遺產的內涵和精神, 促進體育非物質文化遺產的保護和傳承．

圖4 非物質文化遺產虛擬人物形象構建

4.2 數字景觀技術在傳統(tǒng)文物遺產上的實驗與應用

4.2.1 數字遺產可視化顯示

本文所論述的非物質文化遺產以傳統(tǒng)文物為例, 使用虛擬現(xiàn)實中的可視化技術進行數字呈現(xiàn)(圖5)．

圖5 模型渲染過程

如圖5所示, 準備一個陶瓷手工雕刻壺作為模型, 通過調整點、 線和曲面節(jié)點, 盡可能接近真實達到最準確、 最簡潔的效果, 并通過3DMAX設置表面紋理． 展開具有稍微復雜的結構和弧度, 是為了使平面紋理更精確地對齊模型, 并完成最終渲染．

交互式虛擬固定位置顯示圖的效果顯著, 提供了用戶和用戶之間的物理通信場所, 同時消除了從物理認識看虛擬陶器的時間成本, 實現(xiàn)了一體化顯示和效益輸出．

4.2.2 虛擬顯示數據采集比較

目前, 常用的數據采集方法有3種坐標系測量方法、 激光三角測距方法、 結構光方法和計算機斷層掃描技術(Computed Tomography, CT)[22]． 掃描圖像后, 大量點云獲得了數據． 按照掃面設備和掃描質量可以分為無序點云、 噪聲點云和冗余點云． 本文比較了在不同回調信號強度下非物質文化遺產場景點采集的云信號速率(圖6), 信號強度間隔控制在0.35～0.65． 當回波信號強度從0.33增加到0.44, 采樣提高了32.36%+e, 激光回波信號區(qū)域無形實體在0.47～0.58之間．

圖6 非物質文化遺產實體收集數據

為了驗證本文模型在加載場景中的應用效果, 設計了加載場景前后對比數據(圖7)．

圖7 本文模型場景加載前后數據對比

如圖7所示, 通過不斷增加視點與文物之間的距離, 分析模型加載之前和之后的區(qū)別． 從圖7可以看出, 本文模型可以有效縮短加載時間, 尤其是當視點更接近文物展品且數據量很大時, 優(yōu)化時間更明顯． 為了獲得最佳的圖像質量和顯示時間, 采用加載機制可以確保當前幀的最佳加載多細節(jié)層次模型(Level of Detail, LOD)級別, 并適當降低一些不重要模型的LOD級別以減少場景． 本文模型可以降低LOD級別, 有效地提高簡化后的質量造型, 確保最佳畫面效果, 讓用戶可以在場景中瀏覽文物, 從不同角度展示并實現(xiàn)虛擬場景的實時漫游．

5 結語

非物質文化遺產是一個民族、 一個國家精神文明發(fā)展的結晶, 更是歷史文化積淀的結果． 相比其他傳統(tǒng)文化遺產, 非物質文化遺產具有很大的不穩(wěn)定性和傳承難度． 數字景觀技術的發(fā)展可以很好地補充傳統(tǒng)管理方法的各種不足, 充分運用數字化景觀技術, 對保護非物質文化遺產具有重要意義． 本文分析了數字景觀技術、 GIS技術、 虛擬現(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實技術, 并根據我國現(xiàn)狀提出了非物質文化遺產保護數字化策略, 對我國傳統(tǒng)體育非物質文化遺產進行了數字化技術應用與分析, 且對傳統(tǒng)文物實現(xiàn)了可視化數字呈現(xiàn)． 數字景觀技術為非物質文化遺產的保存和傳播提供了新的途徑, 具有重要意義．