虚拟现实技术(VR)在遗迹复原中的应用

山东省淄博市临淄区是齐文化的发源地，在《战国策》一书中提到“临淄之中，七万户，临淄之途，车毂击，人肩摩，连衽成帷，举袂成幕，挥汗成雨”，体现了齐国故都临淄的繁华盛景。但是随着社会的快速发展，大量历史遗迹受到不同程度的损坏，当时齐国的繁荣盛景可以说已是所剩无几，存在的也有相当部分是后人进行多次修葺的。无法真实体现出那种齐桓称霸时期的宏伟场景，即便是进入临淄齐国历史博物馆也没有那种身临其境的感受。

古建筑之所以被重视、被保护，一个重要的原因就是其不可再生性，这一特征决定了古建筑一旦被破坏，将很难再完整的呈现在人们的眼前。随着计算机三维技术的发展，三维动画技术与虚拟现实技术相结合，利用3D虚拟建筑技术可以将被破坏的古建筑以视频动画的形式再次呈现。通过古建筑的历史留存资料，建立起实物模型三维数据库，对文物古迹进行复原。同时，虚拟仿真技术复原的文物古迹，也解决了部分文物古迹不便于长期多次展览展示的难题，真正让文物古迹成为人类可以“拥有”的文化遗产。

虚拟现实技术Virtual Reality，简称VR，是利用计算机技术模拟产生三维空间，营造出一个接近真实的虚拟世界。VR利用视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等，达到让使用者“身临其境”的效果。VR有三个核心特征：沉浸感、交互性、想象力。其中，沉浸感是VR系统最基本的特征，即让人脱离真实环境，沉浸到虚拟空间之中，获得与真实世界相同或相似的感知。受VR技术的启发，可以将该技术应用到齐文化遗迹复原当中。当然，这并不是什么创新，在今年4月由Realities.io团队制作的VR游戏《现实（Realities）》即将登陆HTC Vive，这是一款超现实游戏，简单来说用户可以通过HTC Vive虚拟现实头戴式显示器1：1实景在世界各地旅行。

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

虚拟现实技术主要具有以下四个重要特征：

1.存在感：

它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

2.交互性：

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

3.多感知性：

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

4.自主性：

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。

虚拟现实系统主要由以下五个模块构成：

1.检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

2.反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

3.传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

4.控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

5.建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

2.实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

3.立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

4.应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

5.系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

相对于国内而言，VR技术的发展还并不完善，应用的领域相对较少。尤其是遗迹复原方面，现阶段大部分只是在遗迹原貌上的虚拟展示，并没有达到那种通过视觉、听觉、触觉等全方位身临其境上的感受。所以，将VR技术应用到齐文化遗迹复原中去，开发一款齐文化遗迹虚拟仿真平台能够更好的将历史原貌展示给用户，只要借助头盔、眼镜、耳机等虚拟现实设备，就能够 “穿越”到当时齐桓称霸时期，甚至是当时硝烟弥漫的古战场，活生生呈现在面前。这样能够更好地对历史进行还原。同时，也能够做为一项旅游热点项目，带动区域经济发展。

VR在齐文化遗迹复原中存在的主要问题是VR设备兼容性问题，目前市场上的主流设备为HTC Vive、Oculus Rift等，应用面较窄，在对接上局限性较大，如前面提到的VR游戏《现实（Realities）》只能够利用HTC Vive，而Oculus Rift，Realities.io制作团队正在与该设备方洽谈阶段，所以，VR设备的应用普及面现阶段较窄。另外，在制作技术上也受到了一定的限制，现阶段制作VR主要采用的软件为3dmax、maya、CryEngine、unity3d等软件，部分软件因刚刚接触，技术水平还没有达到一定的要求，网络书籍上的相关材料较少，大多只是停留在理论层面，所以在制作的过程中，模型精度、渲染贴图等方面在应用中会出现不稳定因素。

在处理存在的问题时，主要是通过统一VR设备，在制作前期掌握相关VR设备的功能属性。同时，进一步提升相关专业水平，多到VR技术较为发达的地方进行学习交流，如今年建立的中国（南昌）虚拟现实VR产业基地中的中国（南昌）虚拟现实教育培训集团，可去进行学习提升。另外，组建制作团队，规划合理，分工明确，并在制作前期与当地相关机关对接，掌握相关历史资料，提前分析整个制作中每个环节。