一、簡介

對于“虛擬博物館”這個概念，大家并不陌生。早在上個世紀，就已經(jīng)有不少組織甚至個人，通過圖文結(jié)合的形式在網(wǎng)上建立了形形色色的“虛擬博物館”，將現(xiàn)實生活中的信息在網(wǎng)絡(luò)上反映出來。不過，由于技術(shù)等方面的限制，早期的虛擬博物館都存在一個問題，那就是大多數(shù)采用文字、圖片、視頻等形式表現(xiàn)的信息，缺乏交互性。為此，從2002年開始，北京航空航天大學虛擬現(xiàn)實新技術(shù)教育部重點實驗室與微軟亞洲研究院開展了名為“DOM（即Digital Olympic Museum，數(shù)字奧林匹克博物館）”的合作，針對“虛擬奧運博物館”的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，目的是研發(fā)出一個“真正立體的博物館，讓觀眾感到與真實博物館一樣具有逼真的感受”。2005年北京航空航天大學虛擬現(xiàn)實新技術(shù)教育部重點實驗室還獲得國家自然科學基金重點項目“虛擬奧運博物館關(guān)鍵技術(shù)研究(編號60533070)”資助。本文對這些研究成果進行介紹。

二、實時交互式多視角視頻系統(tǒng)

“實時交互式多視角視頻系統(tǒng)”技術(shù)聽上去非常復(fù)雜，但其所實現(xiàn)的內(nèi)容卻早已為人們所熟知，那就是電影《Matrix》中，基努·李維斯的那個騰空后360度的全方位鏡頭。只不過電影中的這個場面是靜態(tài)的，觀眾只能看到主人公一瞬間的全方位場景，而在應(yīng)用了新的技術(shù)后，由于現(xiàn)場架設(shè)了多臺攝像機，并通過計算機同步拍攝，我們就可以在整個視頻播放過程中，任意選擇感興趣的視角進行欣賞。從技術(shù)上來講，交互式多視角視頻不僅是一種新型的視頻捕捉系統(tǒng)和方法，也是一種新型交互式多視角視頻服務(wù)技術(shù)。這套系統(tǒng)包括視頻攝像機、控制電腦、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)組件以及客戶端。為了實現(xiàn)全過程的全角度拍攝，在拍攝現(xiàn)場布置了幾十至幾百個視頻攝像機，這些攝像機經(jīng)過校準并全部由電腦控制。在拍攝時，事件將被不同方位的攝像機同時捕獲，所得到的全部視頻將在控制電腦上被壓縮并實時傳送給服務(wù)器，或者被實時地傳送給最終用戶，用戶可以獲取任意視點的視頻圖像。

“實時交互式多視角視頻系統(tǒng)”不僅可以為用戶提供多角度的影片，最有趣的是，視角的切換還能由用戶進行控制。試想一下，如果奧運比賽使用這個系統(tǒng)進行拍攝，并在網(wǎng)絡(luò)上進行實時播放，那么我們將擁有一種前所未有的視覺新體驗。人們可以從任意角度觀看比賽，而且比現(xiàn)場的觀眾看到更多東西，欣賞到過去難以想象的各種經(jīng)典場景。

三、在線文物展示

作為博物館，最重要的職責之一就是保存歷史資料的原貌，這些歷史資料不僅要完整，而且要準確，在必要時人們甚至可以通過這些資料還原出歷史的真相。對于“虛擬奧運博物館”來說，由于其完全基于數(shù)字化技術(shù)，因此在數(shù)據(jù)的保存方面更是具有得天獨厚的優(yōu)勢：它們保存的數(shù)據(jù)不會因時間的流逝而損壞。

虛擬奧運博物館可以逼真地再現(xiàn)小到藝術(shù)雕像、運動器具，大到整個運動場館，而這要歸功于技術(shù)人員所采用的三維激光掃描技術(shù)。激光掃描儀的工作原理非常簡單：由于激光的速度是恒定的，因此，只要知道光束發(fā)出和返回的時間，我們就可以計算出其間的距離。只要能夠獲得一個三維物體上足夠多的點與發(fā)射源之間的距離，自然就可以獲得其外形的準確數(shù)據(jù)，也就可以在電腦上生成其三維模型了。

當然，要想獲得完美的掃描結(jié)果，也并不是一件容易的事情。因為掃描所獲得的只是一些具有深度信息的點云數(shù)據(jù)，還需要進行相應(yīng)處理才能構(gòu)造出逼真的三維模型。在這一過程中，人們可能會遇到各種問題。例如掃描得到的數(shù)據(jù)不完整需要再次掃描，或者某些位置無法通過掃描獲得，必須用軟件進行填充、修補。在修補的過程中，對于那些無法得到的數(shù)據(jù)，必須通過對其相鄰的點進行“猜測”來判斷這個點最可能的值是什么。在“虛擬奧運博物館”中，工作人員用三維掃描技術(shù)制作了一個中國古代跪射彩色秦俑的三維模型。在利用多角度掃描獲取了足夠多的數(shù)據(jù)后，技術(shù)人員開發(fā)出相應(yīng)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的修復(fù)、多個數(shù)據(jù)塊的自動拼接、模型自遮擋產(chǎn)生模型漏洞的修復(fù)，以及高分辨率紋理自動映射等，在電腦上生成了一個與原物完全相同的逼真三維模型。利用激光三維掃描技術(shù)，“虛擬奧運博物館”的技術(shù)人員構(gòu)造出大量的、與奧運相關(guān)的逼真三維模型，例如體育藝術(shù)品、大型體育場館和古運動會遺址。這樣一來，人們不親臨現(xiàn)場也能夠欣賞它們了。

四、參與：游戲

1908年第四屆倫敦奧運會期間，英國大主教彼得有感于馬拉松比賽中，選手多蘭多·皮特里的拼搏精神，而說了一句迄今廣為傳頌的名言：“奧運會重要的不是勝利，而是參與?！睆拇耍爸卦趨⑴c”就成了奧林匹克運動的口號之一。

作為以展現(xiàn)奧運風貌、弘揚奧運精神為主的“虛擬奧運博物館”，最大的特色就是擁有大量可以讓用戶參與的內(nèi)容?！疤摂M奧運博物館” 包含北京奧運、現(xiàn)代奧運、古希臘體育、古代中國體育四大部分，通過對中西方體育文化異同點的比較，向人們系統(tǒng)而完整地講述世界體育運動史。為了讓參觀者能夠更形象、具體地了解古代體育的特色，在“虛擬奧運博物館”中，設(shè)計了許多可以與用戶互動的項目，讓人們親身參與到古代的體育運動中。

五、古希臘跳遠

在古希臘，人們跳遠時雙手會各持一只石制或金屬制的類似啞鈴的助跳器。運動員起跳后，會在空中向后將其拋出，以提高自己的成績。事實上，直到19世紀，這種做法依然被很多運動員沿用。在虛擬奧運博物館中，技術(shù)人員通過運動捕捉技術(shù)（Motion Capture），采集了大量真實運動員的動作數(shù)據(jù)后，對這些運動數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，然后用其控制計算機中的三維虛擬人運動，這樣人們就可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)交互，親自感受古代跳遠運動的特色。

在創(chuàng)建這個模擬跳遠系統(tǒng)時，技術(shù)人員制作了一個獨具特色的“運動編輯器”，借助它，就可以將捕捉到的運動數(shù)據(jù)應(yīng)用到不同的三維模型中，并可以在不同的運動數(shù)據(jù)片斷之間平滑過渡。我們知道，通過運動捕獲方法得到的運動數(shù)據(jù)，通常不能直接使用。這是因為：第一，在數(shù)據(jù)捕獲過程中，因為各種原因，得到的數(shù)據(jù)可能存在不同程度的噪聲；第二，數(shù)據(jù)應(yīng)用的虛擬人模型可能和采集到的真人骨架不匹配，例如關(guān)節(jié)長度不一致等，直接使用可能會出現(xiàn)較大的誤差；第三，人體運動是相當復(fù)雜的，運動模式多種多樣，不可能將所有的運動模式都采集下來，這就需要我們利用已有運動數(shù)據(jù)生成一些新的運動數(shù)據(jù)。此外，在實際的應(yīng)用中，同一運動數(shù)據(jù)匹配到不同的虛擬人骨架模型和不同的虛擬場景中，也可能會產(chǎn)生一些不理想的情況，比如因為骨架的不同匹配會產(chǎn)生滑動，場景的不同匹配會產(chǎn)生碰撞或者動作不到位等。

“虛擬奧運博物館”的運動編輯器可以解決這個問題，通過諸如運動拼接、運動融合、運動變形等技術(shù)，可以逼真模擬出不同虛擬人在不同虛擬場景完成的虛擬跳遠動作。

六、五禽戲

“五禽戲”的創(chuàng)造者是中國古代名醫(yī)華佗，原名為導引術(shù)。這套功夫通過模仿虎、鹿、熊、鷹、猿五種動物的動作，達到強身健體的目的，被看作是中華武術(shù)的起源。過去我們只是聽說，而在“虛擬奧運博物館”中，我們卻可以親身體驗這套武術(shù)的魅力。

首先，技術(shù)人員采用前面提到的運動捕捉技術(shù)，獲取真實人體的運動信息，從而在計算機中生成運動逼真的虛擬人，向參觀者演示“五禽戲”。然后，參觀者就可以照著模擬人的動作進行演練。最有趣的是，通過攝像頭，計算機會記錄下參觀者的動作，并與電腦中的數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)人們所做動作的標準程度，給出評分。

如果說模擬跳遠系統(tǒng)像一個在線的體育模擬游戲的話，那么這套可以讓參觀者親自“動手動腳”的“五禽戲”，則更能體現(xiàn)出“虛擬奧運博物館”的獨特魅力。

七、禮射

“禮射”是中國西周時期重要的禮儀活動之一，也是我國最早的體育比賽。它有明確的規(guī)范和嚴格的程序，參與者眾多。禮射共分為四種， 包括大射、賓射、燕射和鄉(xiāng)射。目前“虛擬奧運博物館”中展示的是最普及的“鄉(xiāng)射”。首先，通過運動捕捉技術(shù)采集數(shù)據(jù)，控制虛擬人運動，并在仿真的場景中完成整個鄉(xiāng)射的過程。當用戶參觀時，則可以通過“角色扮演”的方式，親自扮演鄉(xiāng)射中的各個角色，借助系統(tǒng)的語音和文字等的提示，完成整個儀式。

八、結(jié)束語

“虛擬奧運博物館”是多學科交叉的成果，涉及了體育史、信息技術(shù)、新媒體藝術(shù)等多個學科。該項目預(yù)計將于2008年全部“竣工”，屆時，我們只需通過Web瀏覽器即可暢游整座博物館了。由于基于Java技術(shù)開發(fā)，虛擬博物館可以很方便地部署到任何平臺的服務(wù)器下，使用不同平臺的用戶也都能訪問它。“虛擬奧運博物館”采用了圖像、視頻、音頻、三維圖形、動畫等多媒體形式展現(xiàn)與奧運有關(guān)的信息，并利用先進的人機交互技術(shù)，讓觀眾可以親身體會到各種運動的樂趣。雖然數(shù)據(jù)量非常大，但由于采用了多種優(yōu)化算法，使其對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求降到最低，普通用戶也可以通過家中的網(wǎng)絡(luò)流暢地參觀整座博物館。