文/黃昌正 陳曦 周言明 劉潤(rùn)鋒

0 引言

歷史文物是先輩勞動(dòng)與智慧的結(jié)晶，博物館承載著向大眾傳播文物所蘊(yùn)含歷史文化的社會(huì)責(zé)任。歷史文物的保存、展示、運(yùn)輸均有著嚴(yán)格要求，以防止出現(xiàn)損壞或丟失的情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，博物館數(shù)字化發(fā)展經(jīng)歷了從實(shí)物到照片存檔、膠片電子影像檔案、數(shù)碼視頻影像檔案等階段，而隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)博物館建設(shè)日漸成為了一個(gè)重要的研究課題。虛擬現(xiàn)實(shí)博物館通過(guò)三維建模構(gòu)造出文物的虛擬影像并在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行展示，參觀者通過(guò)體感交互設(shè)備即可觀賞虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的虛擬文物，獲得身臨其境的參觀體驗(yàn)。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)文物展示所采用的交互設(shè)備多為手柄設(shè)備或體感控制器，雖然可協(xié)助參觀者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中完成一些簡(jiǎn)單交互操作，但在以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，上述設(shè)備所采用的按鍵操作模式使參觀者失去了人手自然交互的代入感。在未來(lái)的文物展示與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用中，通過(guò)穿戴式自然手勢(shì)交互設(shè)備，既可提高參觀者的體驗(yàn)代入感、與文物的互動(dòng)感，又可將文物更為全面地向參觀者進(jìn)行展示，大大縮小虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限，將成為虛擬現(xiàn)實(shí)博物館交互模式的主要發(fā)展方向。

1 虛擬博物館發(fā)展沿革

虛擬博物館的發(fā)展歷史包括電子相片、錄影帶、數(shù)碼影像、全景視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)博物館等過(guò)程，從體驗(yàn)感上進(jìn)行區(qū)分可分為三大類(lèi)：二維電子展示博物館、全景VR博物館、虛擬現(xiàn)實(shí)博物館。

1.1 二維電子展示博物館

在起步階段，博物館將收藏文物排成照片或視頻，做成電子相冊(cè)、數(shù)碼影像形式，配以文字說(shuō)明或語(yǔ)音介紹，形成電子博物館，供參觀者通過(guò)電腦端進(jìn)行瀏覽。這一階段所采用的技術(shù)手段相對(duì)簡(jiǎn)單，僅展示文物的圖片、視頻，而圖片、視頻的拍攝視角相對(duì)有限，介紹文字雖然可以做得足夠詳實(shí)，但是參觀者只能被動(dòng)地查看所展示的內(nèi)容，容易帶來(lái)枯燥乏味的觀感；此外，展示內(nèi)容在缺乏更新素材的情況下往往一成不變。

在這一階段，文物展示領(lǐng)域開(kāi)始探索不同于實(shí)物展示的文物展示形式，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，其體驗(yàn)感相比實(shí)地參觀博物館相去甚遠(yuǎn)，仍需開(kāi)拓更為新穎的展示形式。

1.2 全景VR博物館

全景VR博物館是虛擬現(xiàn)實(shí)博物館的早期形態(tài)，采用全景視頻的方式進(jìn)行沉浸式瀏覽。其制作方式采用全景拍攝來(lái)完成，具有制作周期短、有一定的沉浸感；缺陷是缺乏人與展示文物的互動(dòng)交互，同時(shí)由于全景拍攝采用的是球面的魚(yú)眼攝像頭，全景視頻圖像存在畸變，嚴(yán)重影響參觀體驗(yàn)。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)博物館

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已發(fā)展得相對(duì)成熟，在文旅文創(chuàng)、游戲娛樂(lè)等方面已獲得廣泛應(yīng)用，在虛擬文物展示中也開(kāi)始了一定探索。相比于早期的電子展示博物館的平面化、靈活性差、展示內(nèi)容死板等缺點(diǎn)，虛擬文物展示極為生動(dòng)有趣，參觀者可在虛擬展館中從不同視角觀察虛擬文物，甚至可通過(guò)交互設(shè)備與虛擬文物進(jìn)行交互，對(duì)虛擬文物進(jìn)行抓取、翻轉(zhuǎn)等操作，獲得沉浸式的參觀體驗(yàn)。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其在沉浸程度與交互體驗(yàn)上的巨大優(yōu)勢(shì)，預(yù)示著虛擬現(xiàn)實(shí)博物館是數(shù)字博物館未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)文物展示的一個(gè)重要發(fā)展方向。虛擬展館將是傳統(tǒng)博物館的重要補(bǔ)充，可大大降低博物館在文物維護(hù)保養(yǎng)、安全保護(hù)、接待參觀者等方面投入的資金和人力成本。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化與便攜化，虛擬現(xiàn)實(shí)博物館的建設(shè)也將擺脫了場(chǎng)地與設(shè)備的限制，人們可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地地參觀虛擬博物館。

在現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)博物館應(yīng)用案例中，參觀者與虛擬文物的交互通常采用交互手柄來(lái)完成，通過(guò)按鍵操作來(lái)達(dá)到人與展示文物的互動(dòng)，雖然能達(dá)到較高的沉浸體驗(yàn)，但是缺乏通過(guò)手部自然動(dòng)作的交互體驗(yàn)。為了讓更自然的人體交互動(dòng)作帶入到虛擬現(xiàn)實(shí)博物館的交互體驗(yàn)，需要嘗試更新穎的交互方式來(lái)提升虛擬現(xiàn)實(shí)博物館的交互體驗(yàn)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)分類(lèi)

2.1 3DOF體感手柄

在虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展初期，“VR Box+智能手機(jī)”是普通大眾所理解的虛擬現(xiàn)實(shí)，用于觀看VR視頻。由于其缺乏交互，發(fā)展出了3DOF體感手柄，可以實(shí)現(xiàn)在“VR Box+智能手機(jī)”所營(yíng)造的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的交互功能。

2.2 6DOF交互手柄

3DOF體感手柄在虛擬現(xiàn)實(shí)交互中體現(xiàn)出了一種缺陷，即缺乏空間位置跟蹤能力?；诖私换スδ苄枨螅鱾€(gè)廠家開(kāi)展了6DOF交互技術(shù)研發(fā)，利用外部輔助定位設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互手柄的6DOF交互。代表性產(chǎn)品包括HTC VIVE、大鵬DPVR。

2.3 VR自然手勢(shì)交互

VR中的自然手勢(shì)交互改變了傳統(tǒng)手柄“按鍵+觸摸板”的交互方式，采用與人們?nèi)粘Ｉ钪须p手的動(dòng)作完全一致的交互操作，無(wú)需像手柄交互那樣付出大量學(xué)習(xí)成本，去記住按鍵、觸摸板在不同場(chǎng)景可能具有不同的操作功能。

VR中的自然手勢(shì)交互根據(jù)技術(shù)方案不同，分為光學(xué)和慣性?xún)煞N動(dòng)作捕捉手勢(shì)交互。光學(xué)動(dòng)作捕捉手勢(shì)交互采用雙目視覺(jué)圖像識(shí)別技術(shù)，具有手勢(shì)識(shí)別精度高、使用方便的優(yōu)勢(shì)，但是由于光學(xué)動(dòng)作捕捉的固有缺陷，無(wú)法解決遮擋的問(wèn)題。慣性動(dòng)作捕捉手勢(shì)交互采用了MEMS傳感器動(dòng)作捕捉技術(shù)，通過(guò)穿戴式設(shè)計(jì)，完全使用人們的自然手勢(shì)交互動(dòng)作實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行交互，還可設(shè)置交互力反饋裝置，具有設(shè)備小、精度高、使用方便的特點(diǎn)，同時(shí)很好地解決了遮擋的問(wèn)題，是未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)交互產(chǎn)品的重要發(fā)展方向，應(yīng)用前景極為廣闊。典型產(chǎn)品為廣州幻境科技2017年發(fā)布的NullTouch、handy手勢(shì)交互產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于文旅交互、虛擬主播直播、虛擬展廳文物展示等，如圖1所示。

圖1 VR自然手勢(shì)交互產(chǎn)品

3 自然手勢(shì)交互在虛擬文物展示中的應(yīng)用

目前已有博物館開(kāi)始嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于文物展示，通過(guò)三維建?；蛉S掃描生成文物的三維模型，通過(guò)高精度三維模型表面紋理處理，可以制作出1:1真實(shí)還原的文物模型。結(jié)合虛擬博物館大場(chǎng)景建模，實(shí)現(xiàn)高沉浸度的文物虛擬展示，其優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)大量珍貴文物展示且不受場(chǎng)地限制；虛擬博物館場(chǎng)景還可以根據(jù)文物特點(diǎn)及文化背景營(yíng)造虛擬的歷史環(huán)境，結(jié)合文物的文字和語(yǔ)音介紹，讓參觀者沉浸在歷史背景環(huán)境中，感受文物的文化氣息。但是在現(xiàn)有的虛擬博物館建設(shè)中，參觀者與文物的交互所采用的交互設(shè)備絕大多數(shù)仍采用手柄樣式，參觀者無(wú)法以雙手抓、拿、放、轉(zhuǎn)動(dòng)或在雙手間交換等自然動(dòng)作來(lái)與文物進(jìn)行交互操作，交互體驗(yàn)較差。

圖2所示是參觀者在“南海一號(hào)”虛擬現(xiàn)實(shí)博物館體驗(yàn)虛擬文物展示。自然手勢(shì)交互技術(shù)則為虛擬文物展示提供了很好的自然動(dòng)作交互手段，參觀者以雙手自然動(dòng)作即可完成與虛擬文物的抓、拿、放動(dòng)作，也可以把虛擬文物拿起后，在雙手間任意交互進(jìn)行全方位鑒賞；在虛擬場(chǎng)景中還可以營(yíng)造文物出土環(huán)境，模擬文物挖掘場(chǎng)景，讓參觀者用自己的雙手拿取各種挖掘工具，親自把文物挖掘出來(lái)，形成高度逼真的虛擬文物鑒賞交互體驗(yàn)。

圖2 參觀者在“南海一號(hào)”虛擬現(xiàn)實(shí)博物館體驗(yàn)

對(duì)于大型或大規(guī)模出土的文物，一般在文物出土地點(diǎn)就地建設(shè)博物館，但是建設(shè)博物館的規(guī)模有限，出于文物保護(hù)的目的，可展示的文物數(shù)量有限；同時(shí)部分文物的修復(fù)與保護(hù)難度大，長(zhǎng)時(shí)間展示、頻繁搬動(dòng)等都可能對(duì)文物造成不可逆的損壞，因此大量的文物一般處于密封保存狀態(tài)，普通人無(wú)法參觀學(xué)習(xí)，且通常博物館的文物展示環(huán)境缺乏氣氛烘托，顯得過(guò)于平淡。此時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)博物館即具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下構(gòu)造出與文物歷史、文化內(nèi)涵相融合的展示環(huán)境，通過(guò)高精度建模構(gòu)建出與實(shí)體文物一致的虛擬文物，參觀者還可基于文物歷史、文化內(nèi)涵與虛擬環(huán)境中的文物進(jìn)行互動(dòng)學(xué)習(xí)，有利于歷史文化宣傳與傳承保護(hù)，提升參觀者的參觀體驗(yàn)。

另一方面，歷史文物基本都是從地下挖掘或從水下打撈出來(lái)，由于各種自然環(huán)境變化，很多珍貴文物出現(xiàn)了破損，雖然現(xiàn)代工藝可以從體量、質(zhì)地、紋飾、文字、圖案等各方面制作出與文物原件非常接近的復(fù)制品，具有較高的收藏價(jià)值，但從法律層面，國(guó)家也出臺(tái)了《文物復(fù)制拓印管理辦法》，規(guī)定復(fù)制文物后的復(fù)制品應(yīng)該有明確的標(biāo)識(shí)，表明復(fù)制年度和“復(fù)制”字樣，但是難以杜絕不法分子利用高精度文物仿制品冒充真品進(jìn)行詐騙活動(dòng)，不利于文物市場(chǎng)健康發(fā)展。此外，某些珍貴文物以現(xiàn)代工業(yè)流程也很難進(jìn)行復(fù)原修復(fù)，或者修復(fù)工作可能會(huì)對(duì)文物本身造成損傷而不適合修復(fù)，或者因工程巨大而無(wú)法進(jìn)行文物復(fù)原，使得人們無(wú)法觀賞文物本身原貌而生出遺憾。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，則很好地解決了此問(wèn)題，基于文物的材質(zhì)、紋理、圖案、尺寸數(shù)據(jù)等，通過(guò)三維建?？梢栽谔摂M環(huán)境中完美地復(fù)原文物。

以圓明園遺址為例，其作為重要的歷史證據(jù)，直接在原址進(jìn)行修復(fù)是不現(xiàn)實(shí)的，而世人面對(duì)著遺址又無(wú)法真切感受到昔日萬(wàn)園之園的魅力，因此可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在不實(shí)際改變遺址的情況下對(duì)圓明園遺址進(jìn)行虛擬修復(fù)，讓參觀者可透過(guò)遺址與修復(fù)后的虛擬影像，在銘記歷史的同時(shí)欣賞圓明園的宏偉。清華大學(xué)建筑學(xué)院郭黛教授和她的團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字化建造，用15年時(shí)間重現(xiàn)了圓明園的歷史原貌。2017年4月，由香港新銳創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)奇諾文化創(chuàng)意有限公司、北京成龍國(guó)際集團(tuán)及臺(tái)灣德武國(guó)際開(kāi)發(fā)股份有限公司三方合作，籌備推出共同開(kāi)發(fā)創(chuàng)作的“走進(jìn)圓明園的未來(lái)”科技體驗(yàn)展，推出零距離高互動(dòng)性VR虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，讓體驗(yàn)者可以親手打造海宴堂十二獸首，將三百年來(lái)中國(guó)第一座噴泉“海宴堂”及“十二獸首”的歷史遺跡，通過(guò)體驗(yàn)者的雙手親自重建，栩栩如生的噴泉即刻啟動(dòng)、再現(xiàn)眼前，讓觀眾親身體驗(yàn)乾隆皇帝設(shè)計(jì)園林的巧思與美學(xué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓原本遙不可及的歷史遺跡、文物或藝術(shù)品變得平易近人，而虛擬現(xiàn)實(shí)博物館中參觀者與虛擬文物的互動(dòng)交互，為枯燥平淡文物賦予了靈魂，使得文物鑒賞兼具了歷史文化底蘊(yùn)、典雅而又不失娛樂(lè)性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件技術(shù)逐步成熟，虛擬文物展示將是未來(lái)文物展示的一種重要發(fā)展方向，是文物歷史文化傳播不可或缺的一員。自然手勢(shì)交互技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)博物館的文物展示中的應(yīng)用，將是賦予文物靈魂的重要手段，將為文旅、文創(chuàng)開(kāi)創(chuàng)新的發(fā)展方向和局面。