数字博物馆可视化技术及发展趋势

数字博物馆可视化技术及发展趋势

一引言现代博物馆作为信息社会中一个不可缺少的环节，是重要的信息传播场所。它致力于营造让观众陶冶情操的知性场域，却难免受到开放时间、展示空间和人文环境的限制，很难为民众提供全天候、无时空距离的服务。网络的发展和数字化技术的出现弥补了普通博物馆的缺陷，数字博物馆便应运而生了。[1]数字博物馆兴起与20世纪90年代。与普通博物馆不同，数字博物馆兴起较晚，现在仍处于理论探索和实践尝试阶段。1996年，GeoffreyLewis提出了数字博物馆的定义。他认为，数字博物馆“是一个可透过电子媒介存取与历史、科学或文化相关的数字化影像、声音档案、文件及其他数据的集合体”[2]。随着虚拟现实技术、数字交互艺术、多媒体等数字技术在博物馆展示中的不断应用，现代的博物馆展示理念已经突破了传统博物馆的围墙的概念，展板、展柜、模型、文字已经不再是博物馆展示的唯一了，更加人性化的数字化展示设计模式将代表博物馆的展览发展方向。早在1990年，美国国会图书馆就进行图书馆内文献、手稿、照片、录音、影片等典藏品的数字化，并编辑成历史文化传承的主题产品供人们观赏；1996年，美国加州大学伯克利分校建筑学院和国际学术机构联合建立了虚拟遗产网络，在文化遗产数字化领域中被称为“样板工程”。随后，一些大学和博物馆纷纷推出了自己的数字博物馆，比较著名的有：加拿大文化遗产信息网、大英博物馆、美国艺术博物馆、美国纽约自然博物馆、日本全球数字博物馆、斯坦福大学的“TheDigitalMiehelangeloProjeet”、意大利米兰工业学院的罗马大剧院等[3]。我国数字化博物馆的发展较其他国家或地区略晚。1998年，由文化部牵头，中国国家图书馆、中国电信总公司、中国科学院、清华大学、北京大学等单位联合启动了国务院立项的“中国数字图书馆工程”，其目标是全面地收集文化资源信息，通过数字化图书馆、数字化博物馆、数字化影视中心等形式，建立起一个跨地区、跨行业的巨大文化信息资源数据库和网络系统，使之成为中国的“国家信息基础设施”，中国的数字化博物馆建设由此起步。[4]从内容上讲，数字博物馆中的文化遗产包括物质文化遗产和非物质文化遗产两个方面。从技术上讲，数字博物馆必须拥有两个完整的两翼：一个是对文化遗产资源的数字化采集、加工、处理、传输和使用；另一个是利用可视化技术对数字化后的文化遗产资源的展示。过去人们谈到数字博物馆往往注重的是物质文化遗产的数字化技术，而忽视了物质文化遗产的可视化，即信息可视化；很少涉及非物质文化遗产的可视化，即知识可视化。二文化遗产的数字化技术文化遗产的数字化技术主要有静态平面数字化技术、静态立体数字化技术、动态平面数字化技术和动态立体数字化技术。（一）静态平面数字化技术静态平面数字化技术是针对博物馆展品中的实物利用摄影技术进行平面的拍照或数字二维成像。通过数码相机或扫描仪将文物展品进行数字成像，然后利用图像处理软件对图片进行高清晰处理。博物馆展览中应用静态平面数字技术的目的主要有三个方面：第一，有些文物展品非常易损坏，随着时间的流逝有些文物可能会消失，如在空气中会被氧化而变色；有的不适合长期展览，如绢画等，这些珍贵的文物在一出土就通过摄影技术将其原貌拍摄下来，通过图像的形式长久保存下来；第二，博物馆的藏品并不能把所有的实物展示出来，通过平面数字成像技术可将不能以实物展出的展品以高清晰的图像的形式展示给观众；第三，实物展览只能有少部分到现场观看，为了能让更多的人看到博物馆的藏品，将该技术所得图像以出版物或网络博物馆的形式传播出去，以起到更好的传播作用。例如，将敦煌的壁画和雕塑、南京博物院的大量珍贵文物，拍成照片，做成出版物向社会发行。（二）静态立体数字化技术静态立体数字化技术主要用于物质文化遗产的三维模型重建，通过采用计算机视觉、三维立体测量、实地测量以及设计图纸等，构建物质文化遗产的三维矢量模型，通过实地摄影或人工处理生成场景纹理，准确、生动、真实再现文物及其场景，为物质文化遗产的数字化保护、复原、传播提供有效的解决方案。目前主要有三大类三维建模方法：基于几何的建模，用点、线、多边形、曲面直接构建物体的模型，如AotoCAD、3DMax等；基于图像建模，利用真实图像或摄像的输入，构造已有对象的模型；混合建模，综合前两种方法的优点，根据对象不同部位的不同要求进行建模的综合方法。图像建模的方法是当前模型重建研究的重点，概括起来图像建模主要有三类技术摄影测量重建、结构光重建和三维激光扫描。[5]摄影测量重建方法借助人眼的双眼视差，通过拍摄物体对象不同位置的照片，还原解析出物体的外部空间形状，也可以通过拍摄一系列不同位置的照片，借助物体的显著特征点在不同图像上的差异，解算出物体摄影时相机镜头、位置等参数，并可以解求出图像像素的几何位置信息。所谓结构光（structuredlight）是指将一组规则形状的光投射到物体，这种形状可以是黑白相间的小方块、栅格或其他更为复杂的形状。经常采用的是黑白相间的条形图案，改变不同的粗细分别投影到物体上，如此在物体表面产生出间隔的明亮条纹，从一个角度观看，则物体的起伏变形所引起的线条变化便可以转换为物体的表面高度变化。三维激光扫描（3Dlaserscanner）技术是20世纪90年代蓬勃发展起来的高精度、快速获取物体三维几何数据的新型技术。其技术又分为适合近距离、高精度获取的三角（triangulation）激光扫描和中远距离飞行时间（timeofflight）激光扫描等。三维激光扫描仪能够快速获得物体的三维几何信息，但由于目前绝大多数市面上的激光扫描仪都是单色激光，所以，其所完成的物体模型缺少色彩纹理，通常需要结合单独数字摄影拍摄文物图像，贴图完成纹理绑定或结合摄影测量组合纹理信息。[6]（三）动态平面数字化技术随着数字影视技术的日益完善，影视技术应用到博物馆展示中，真实的影视结合现场的实物展示，让观众以身临其境的感受去体会展品的文化内涵。影视记录了事件当时真实的场面，为完善展品的展示内容提供了有益的补充。（四）动态立体数字化技术动态立体数字化技术主要利用运动捕捉仪对表演对象的动作或根据摄像资料采用补间技术，为中华武术、舞蹈、民间戏剧、传统制作工艺等民族文化进行数字化处理，建立三维动作库，为动作类的非物质文化遗产（特别是濒临消亡的传统技艺）的数字化记录、传播与传承提供有效的解决方案。三物质文化遗产可视化技术（一）三维展示技术三维展示是物质文化遗产可视化的主要功能之一，三维展示的方式主要包括多媒体展示和数字辅助展示三种方式、虚拟现实实时交互显示。多媒体展示就是将馆藏的各类文物、文献、资料等的数字化资源，通过多媒体技术进行整合，通过程序编制，制作成交互性的多媒体演示系统，直接通过多媒体工作站与受众之间进行交互性演示。多媒体展示较虚拟现实展示而言具有投入少，设计简便，制作周期短，互动性强，不需要专门场地和特殊专业设备等优势。目前各博物馆使用的交互性触摸屏实际上就是多媒体展示的初级阶段。数字辅助展示就是再多媒体展示基础上，通过与声、光、电、模型技术相结合，采用计算机控制，让原来的声光电展示手段更为亲近、直观，具有更强的交互性。目前这种展示手段在欧洲国家使用较多，如2004年在国家博物馆展出的《法国时尚百年展》中法方使用的核电站模型就采用了这种手段，主办方使用一台多媒体工作站与核电站模型相连，观众通过多媒体演示可以了解核电站各部分的构造及相关信息，同时模型也会产生一定的效果如灯光亮起、发出声音等，这种展示形式当时受到了在场观众的一致好评。随着虚拟现实技术的发展，人们也研究基于虚拟现实的数字博物馆的互动漫游展示技术，即利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实一样的感觉[7]。虚拟现实系统可以分为三种类型：①网络虚拟现实环境，如在东京大学数字博物馆项目开发的系统中[8]，使用者可以通过网络访问数字虚拟博物馆，在其中漫游，与其他使用者进行交流，通过环境提供的放大、旋转等工具对藏品进行研究和欣赏，并且提供了基于视频的虚拟导游提供导游服务；②沉浸式的虚拟漫游系统，如山东大学考古数字博物馆系统[9]中，研究人员采用了多通道交互技术加强沉浸感，使用头盔显示器、立体眼镜、三维鼠标和数据手套等虚拟现实设备，利用手势、语音、感觉反馈等新的交互技术与计算机进行交互，大大提高了人机交互的自然性和高效性，增强了沉浸感；③Web3D技术[7]，如英国苏塞克斯大学研究了基于XML的、使用Web3D技术的数字博物馆藏品展示[10]。用虚拟技术重现博物馆展示物品及当时的真实场景。整个场景可以三维和交互式探索形式重现。由于虚拟物展品和场景全部存在于计算机中，因此，对其尺寸的大小没有任何限制，物体的3D模型可以无限期展示，没有物品被毁坏、被偷窃的危险。（二）实时绘制技术随着建模技术的发展和三维数据获取设备的完善，大型三维模型已经十分常见，这些模型满足了人们在精确度、真实感等方面日益增长的需求。但是这些模型数据量相当大，给其存储、传输、绘制以及渲染等方面带来诸多困难，是快速绘制的瓶颈。虽然图形绘制技术经过了几十年的发展，取得了长足的进步，但在提高场景绘制和加速技术、提高图像的真实感效果的同时能实现场景实时漫游仍然是一个具有挑战性的研究课题。[11]模型简化（ModelSimplification）技术是实时绘制的重要内容之一，不仅成功应用于各种虚拟现实系统中，而且对于科学计算可视化、真实感绘制、计算机视觉、网络传输等也有着十分重要的作用。模型简化技术就是在保证模型外形相似和满足需要精度的前提下，对模型进行简化，用较简单的模型来代替复杂的原始模型，以减少数据量，加快处理速度。细节层次模型（LevelofDetail，LOD）是模型简化最有效的方法之一。当场景中的物体离观察者很远的时候，它们经过观察、投影变换后在屏幕上往往只是几个像素而已。我们完全没有必要为这样的物体去绘制它的全部细节，我们可以适当的合并一些三角形而不损失画面的视觉效果。对于一般的应用，我们通常会为同一个物体建立几个不同细节层度的模型，供绘制时选择使用。实现LOD算法时，除了如何对几何物体进行简化以外，还有一个很重要的问题就是如何决定是否对一个物体进行简化，或者说在某个时刻该如何决定使用哪个层次细节。（三）协同技术所谓协同，指的就是系统各个部分的协同工作，子系统间通过信息交换等方式相互作用，使整个系统形成一个整体效应。计算机支持的协同工作（ComputerSuppoertdCooperativeWork，CSCW）指的就是，在计算机技术支持（CS）的环境下，特别是在计算机网络和多媒体环境下，一个群体协同工作完成一项共同务（CW），即协同应用系统的体系结构基础是分布式构架。分布信息的计算、处理与交互决定了协同的成败。目前数字博物馆中的协同技术研究中，一般包括两类。一类是即时的同步协同。使用者在访问数字博物馆和浏览藏品或做相关研究工作时，可以观测到权限支持下其他相关使用者的一些信息及当前的状态或行为，并可以通过各种交流工具进行实时交流[12]。这些同步协同的技术主要有即时消息技术、视音频技术（例如视频会议）、应用共享技术（例如白板）及协同虚拟环境等。在体系结构上，则包括了C-S、B-S、Peer-Peer等各种体系结构及混合型的多服务器体系结构。第二类则是异步的非即时协同交流方式。例如，提供使用者书写评述、在原始数字藏品的基础上增加使用者的个性化创作内容等方式，供使用者之间进行交流，这也是数字博物馆中最具领域特点的异步交流技术。此外，论坛、Web社区、多媒体电子邮件是数字博物馆应用最多的异步协同技术，而随着Web技术的发展，一些新的异步协同技术也开始被引入，如WebBlog技术。[13]（四）文物可视化实现步骤要把一件文物所包含的历史内容和意义可视化并不是一个简单的过程。需要对文物资料或图文文献等民族文化知识的挖掘、提炼及创意设计基础上，通过三维可视化手段，利用灯光、特效、渲染、音效及后期处理技术，制作民族文化内容产品。它大致需要以下几个步骤。[14]第一，剧本。剧本的好坏直接影响到观众在观看时是否容易理解。在编写剧本的时候我们不仅要把文物所包含的内容写进去，对于一些比较难以理解的名次和文言文语句也要加以解释，让即使没有这方面专业知识的人在看完之后也能明白我们所要表达的意思。第二，创意，也是分镜头的设计。当剧本创作好以后就要开始进行镜头的设计了，一共有多少个镜头，每一个镜头表现什么内容都要在这个阶段设计好，并根据镜头的内容去搜集素材，比如图片、文字信息等。第三，软件选择，根据创意内容，选择的文物可视化展现方式，再根据可视化展现方式选择合适的建模软件。如Maya和3DStudioMAX都是CG界公认的优秀的三维动画设计软件，但Maya更适合角色动画，而3DStudioMAX则适合场景动画。第四，可视化内容的制作。这是整个可视化过程中最重要的一步。利用文物的三维模型重建技术建模之后，就对已经做好的模型选择材质来进行贴图，这样可以让模型看起来更加逼真。然后根据实时绘制的要求，对模型进行简化处理，如选择虚拟现实实时交互方式展示，则把简化后的模型导入虚拟现实软件，并进行调试处理。如选择多媒体方式展示，则转入下个步骤。第五，后期制作。在物体和场景制作好后就是要加入动画和特效，并根据设计好的镜头的进行渲染输出。渲染的好坏直接影响到输出的效果。Renderman是基于Reyes技术构建并运用RIB界面的渲染标准，Renderman的材质体系要更强大，用户可以参与亲自控制的属性项目更多，也可在需要的时候甚至可以自己编写RSL（RendermanShadingLanguage）表达式来做到完完全全地控制RenderMan。最后再根据渲染输出进行合成和编辑。四非物质文化遗产可视化技术非物质文化遗产是指各族人民世代相承，与群众生活密切相关的各种传统文化表现形式和文化空间。随着经济的快速发展，传统的文化生态遭到了不同程度的破坏。迄今为止，抢救和保护非物质文化遗产已取得了众多成果，如我国政府已公布了两批国家级非物质文化遗产代表作名录，非物质文化遗产的保护已引起全社会的高度重视。鉴于非物质文化遗产的文化空间具有活态性（传承、演变情况）、传统性（特定的文化渊源与所处地方、环境有内在联系）、整体性（包括生态、文化）等特殊性质，简单的数字化存储通常忽视了其赖以生存的文化空间特性。[15]因此，非物质文化遗产的可视化实质上是知识可视化问题。知识可视化（KnowledgeVisualization）是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，它应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新。知识可视化的研究主要分为两个方向。一方面是对知识的可视化表现方法进行研究，它包括：知识可视化的基础理论，如双重编码理论；知识的可视化表现图的类型及各自的适用范围和效果，如概念图、思维导图、认知地图、语义网络可视图、思维地图等[16]。另一方面是从可视化实现的角度，包括找出知识可视化的形式化模型和相应算法，并开发实现该理论的软件，如开发有应用软件。国内学者在知识的可视化表现方法方面也有大量的研究，如通过建构和传达复杂知识的图解手段，以帮助他人正确重构、记忆和应用知识[17]；从知识组织、分类与特性方面研究知识可视化的含义与基本过程[18]；通过概念图、语义图、思维图、视觉隐喻等知识可视化技术有效地表达隐性知识转换模型[19]。（一）文化空间中知识的特征基于文化空间的活态性、传统性和整体性，在对文化空间中知识的系统性、复杂性和内隐性等特征进行详细分析研究的基础上，从民俗学、社会学、人类学、美学、历史学、心理学等多重角度探索文化空间知识的构成要素，提取知识的特征并对其进行归纳总结；从When、How、What、Where、Why五个方面分别表示文化空间的时间演变、表现方法、形式、相应地域及其内涵，并对分类后的知识从语法粒度角度建立其间的关系。在分析文化空间知识的特征基础上，探讨知识的构成，并对其进行分类研究。研究主要从两个方面入手：一是通过领域细分建立文化空间知识的多层次类型分类体系，二是从语法粒度角度划分知识元素的类型并建立其间的相互关系。前者需要用到专家知识进行系统地分析，以建立文化空间知识分类体系；后者更多地需要从知识工程的角度进行分析，设计并建立文化空间知识层次结构模型。（二）文化空间中知识本体构建运用本体论（Ontology）来整理和表达知识、认识知识和资源近年来取得了较大的成果，在美国和欧洲（如EuropeanKnowledgeAcquisitionWorkshop，EKAW），人们已经进行了多年的基于本体论的知识表现模式研究、新一代语义网页（SemanticWeb）以及旅游目的地的语义信息编码技术研究等。[20]国内也有学者采用本体论的知识组织理论与方法建设了“峨眉山世界自然文化遗产特色资源数据库”[21]，基于本体技术和用户搜索的自扩充知识地图。[22]构成非物质文化遗产中文化空间的要素是设计知识本体及结构框架的基础，文化空间中知识本体需要考虑与地理、政治、历史等背景相关的物质载体；与艺术、历史人物等相关的文化风格。应用CIDOCCRM本体模式描述文化空间的物质载体，可以是某个具有特色的政治、历史地理区域或某种物质实体对象。该模式能描述知识间的结构关系，各个政治、历史的知识通过代码或者地理坐标进行编码。艺术风格的概念则借用艺术与建筑的表达方式（AAT），它代表了一种包含显示概念间关系的语义网络知识库，以便提高知识检索的成功率；艺术风格还包含一些没有实例化的术语，可以随着不同机构的研究成果逐年更新。AAT非常形象直观。（三）文化空间知识可视化非物质文化遗产中文化空间包括了不同的知识源，如史料记载文档、民俗活动、民间技艺、戏曲、舞蹈等，这些知识源在语义上具有异构性。知识描述层描述文化空间知识的特征及其构成分类，如地域类、时间类、表现方式类、表现形式类、原因含义类文化空间知识。可视化表达层阐述根据知识的特征及其构成分类，选择恰当的模型进行表达，以便于不同用户进行知识的学习、共享与创新。知识应用层可以让用户根据自身的文化背景、知识构成等情况选择最适合自己实际情况的知识可视化表达方式来学习、构建文化空间知识等。用户通过