田野考古中虚拟现实技术应用研究(一)

以下将连载的是七年前由国家科技部和国家文物局立项、五年前我完成的国家“十五”科技攻关课题研究报告的摘录。该课题主要探索了这样一条路:用简单的取点测量方法,生成被测量对象的三维模型,并实时反映出各个模型间的空间关系,允许使用者通过鼠标移动、旋转、拆分、去除、放大、缩小、平移、俯视、仰视模型,可以通过鼠标操作,在三维模型场景中漫游。这样就可以在考古现场快速生成遗址的三维模型,重新复原文化层的堆积状况,使得研究者可以在日后重新审视发掘的过程、判读遗迹间的关系。通过这套工具,考古工作者无需再依赖于专业的计算机图形专业人士,而拥有可以自己快速掌握的考古专业三维模型生成工具。

       全部软件软件早已开发完成,是用C++程序设计语言在OpenGL环境下实现的。共分为三维模型编辑器、出土物三维编辑器、地层地形地貌编辑器、场景构造编辑器、三维展示脚本编辑器和三维展示浏览器六大部分。其核心是构建了三维引擎。

       现在我正在设计、组织田野考古辅助软件的开发,想把这套程序整合到其中,因此,将研究报告的主要部分分几次摘录出来,以就教于大家。下面就是第一部分的内容。

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A篇  系统设计

一、关于考古发掘工作

    考古科学是通过主要以田野发掘的手段来获取人类在以往社会、自然中的活动遗迹、遗存为材料,分析、判断各种遗迹、遗存间的相互作用关系,并借助相关的历史文献记载、民族学、民俗学、语言学、社会学等学科的研究成果,在综合推断的基础上复原古代人类社会以及人与自然之间关系的发展、演变过程,以求推测人类社会将来的进化轨迹。

    考古学的田野发据工作一般而言是破坏性的,在详细记录了发掘过程、获取了遗存、遗物的基础上,它彻底清除了古代人类活动所残留下来的文化堆积,只有极少部分的遗址得到了部分的保护,如在考古田野发掘工作结束后,就地建立了遗址博物馆。但这一类的博物馆也大部分是仅仅保护了考古田野工作中最后、最底层的一个工作面,其上的文化堆积全部被挖掉,在绝大部分的工作中,它们只以二维的方式存在于纸张、录像带和胶片上。

    考古田野发掘工作一般是一个由上往下发掘、有时间限制的连续作业过程,期间文化层中的各类遗存、遗迹的各种堆积、叠压、位置、姿态、打破、交叉现象层出不穷,从大的范围来看,它们代表了遗址的时代、区域的差异,从小的范围来看,它们代表着当时人类社会中各集团、聚落之间、人与自然之间各种错综复杂的关系。参加考古田野发掘的人员虽然多是专业工作者,并具备相当的水平和资格,但难免对遗址中各类现象的现场判断出现偏差,或无法判断,在记录了这些现象后就把它们挖掉,严重的情况下会由于判断的偏差导致后续的发掘工作向不正确的方向进行。田野工作结束后,考古学研究进入了资料整理、深入分析阶段,这时会仔细研究当时无法判明的一些堆积现象,这时所依据的是记录于纸张、录像带和胶片上的二维信息以及相关出土物,但二维信息是不全面的,它只是现实三维空间中的一部分信息,而且这些二维信息是散落于各种记录媒介之上的,它们需要人脑的想象与推断,才能初步复原出近似当时作业层中的静态三维空间,这对检讨、研判发掘工作、探讨遗存现象以及之间关系是不利的。

    因此,有必要引入一种技术,在详细测量、记录发掘过程的基础上,尽可能地用三维的方式恢复发掘过程,在三维空间中细致地判断对遗址的每一步工作以及遗址中每一种现象。这不仅是对考古田野发掘的后期整理、研究工作有益,而且是对遗址的一种保护手段,它使遗址在发掘后还能在该技术的支持下保持近似原生态的基础上向考古工作提供尽可能多的、接近于实际的研究线索。

    利用这种技术,还可以对已经湮灭的遗址,在掌握了同等或相近的资料基础上予以复原,同样对一些尚未发掘的遗址,也可以用这种方法予以展示,达到保护的目的。

    这种技术目前来看,可以投入使用的主要是虚拟现实技术。

二、虚拟现实技术

 1.虚拟现实技术的广泛运用

  虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术,原本是美国军方开发研究出来的一项计算机技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支,从而大大推进了计算机技术的发展。由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的,人机交互是和谐友好的,因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状,即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。通过20多年的研究探索,VR技术于20世纪80年代末走出实验室,开始进入实用化阶段。目前,发达国家在经济、艺术乃至军事等领域,已开始广泛应用这种高新技术,并取得了显著的综合效益。
  VR技术具有强烈的“身临其境” 临场感、友好亲切的人机交互性、引人想像的多感知性和虚拟现实世界的自主性。

    VR技术分虚拟实境(景)技术(如虚拟游览实体博物馆)与虚拟虚境(景)技术(如复原生成阿旁宫、圆明园等已经湮灭了的建筑、构建尚未发掘的秦始皇陵等)两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛,几乎到了无所不包、无孔不入的地步。就目前成功运用的领域有虚拟现实技术战场环境、虚拟现实作战指挥模拟、飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练、飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造(含系统的虚拟设计)、虚拟现实建筑物的展示与参观、虚拟现实手术培训、虚拟现实游戏、虚拟现实影视艺术等等,由此可见VR技术有着强烈的市场需求和技术驱动。

 2.虚拟现实系统的有关技术特征、构成和研究现状
    从本质上说,虚拟现实就是一种计算机用户接口,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。

    虚拟现实的定义可以归纳如下:虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征:

   • 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。

   • 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。

   • 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。

   • 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。

 虚拟现实系统的模型表示如图(2)。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)。

虚拟现实系统的模型

      虚拟现实系统主要由以下几个模块构成。

虚拟现实系统的构成

     • 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。
     • 反馈模块:接受来自传感器模块信息,为用户提供实时反馈。
     • 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。
     • 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。
     • 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:

    • 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。

    • 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,其关键是实现“实时”生成。为了达到实时的目的,软硬件体系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。

    • 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。

    • 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。

    • 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。

    虚拟现实的应用领域十分广泛,主要在工程设计CAD、遥控机器人学、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、临床外科、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。

三、本研究课题的目标

    本课题的目标是给出将虚拟现实技术运用于大遗址中的平台原型。

    虚拟现实技术融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支,应用实施中存在大量的技术关键点。对于一般虚拟现实技术的应用而言,更多的是在给定的环境条件下构建相应的虚拟现实数字模型以及场景,每次更换描述表现的对象,都要从基础开始重新建立数字模型,其中的构建技术难以为一般考古工作者所掌握,因此,我们的研究重点在于探讨模型建立方式的一般规律和普遍方法,解剖常见数字三维模型文件的内部构造,建立数据接收、转换编辑器、数字模型驱动引擎和综合浏览平台。

    利用数据接收、转换模型编辑器、生成器,接收各种常见的三维描述数据、计算机文件,并将其转换为数字模型驱动引擎(三维引擎)可以使用的数据,编辑器的数据接口是公开的,允许使用者采用特定的程序设计语言开发新的数据编辑器,用以扩展可接收数据的范围。三维引擎建立并驱动由数据编辑器转换得到的三维数字模型,这一过程对使用者是透明的。在综合浏览平台上可以搭建各类数字模型及其场景,设定灯光、方位、范围、物件大小,并整合各种媒体文件,如视频、音频、图像、文字等数据,允许使用者通过定位设备,如鼠标操纵所表现的物件、镜头的移动、漫游。

    在考古学田野发据、研究中,地层是最为重要的因素之一。考古学上的地层不是地质学中的地层概念,而是在不同时期所形成的文化层的堆积,它们在土壤性质、内容物、密度上表现不同,代表了不同时期的文化。地层间不是永恒的层层堆叠状态,期间存在着交叉、打破、尖灭,甚至颠倒现象。如四川资阳黄鳝溪的资阳人出土地点的地层就出现过颠倒现象,这是因为洪水冲击、掏挖所形成的。考古人员对遗址地层是极为重视的,因为它是判断相对年代的主要依据,对出土物的各种解释都离不开对地层状况的最基本判断。因此我们在研究中特别设置了地层编辑器,通过对现场详细的测量,取得完整的地层数据,在编辑器中输入地层各点的数据,就可以得到地层堆积的三维图像,各层之间可以相互剥离、旋转、移动,为对地层的研究提供了可视化的三维工具。

    最后根据以上所述研制的平台工具,利用江苏省泗阳县汉代泗水国王墓为例子,演示本课题的研究成果。

    首先是整理所取得的考古材料,构建地层、地形、图形库、材质库;其次是抽取遗迹、出土物的形态数据,生成对象的数字模型,并对数据进行压缩处理,使得数据可以在Internet网络上以合理的时间传输;在脚本中组合三维模型群和其他数据集合(文字、音视频数据等),按照贴近实际的效果完成表面渲染,并确定灯光、范围、方位、运动模式等场景数据;最后在浏览器中,利用三维引擎展示所复原构建的遗址场景。

    本课题研究提出了开放的数据编辑、生成器,建立了用户可扩充的数据来源接口;建立了三维引擎,消隐了对一般使用者而言相对较难掌握的数字模型建立过程;利用脚本编辑器,同时融合了三维数字模型、文字、音视频数据,丰富了对遗址数据的表现方式。

    通过本次研究,我们认为将虚拟现实技术运用于大遗址保护研究中是可行的,而且也是必要的。要将该技术为考古人员自己掌握,关键在于要屏蔽虚拟现实技术的应用难点和学习的复杂程度,摆脱以往遥感技术、年代测定技术、DNA技术运用于考古学中的状态——即考古人员提供样本、遗址,而以其他专业人员为技术的主要研究者,考古人员只知道其研究结果,然后再将其结果纳入考古学研究中。这样做有时会出现一些偏差,如各自然科学技术的研究人员没有经过考古学的系统训练,对相关的民族学、人类学等知识掌握不够,而考古人员又没有真正掌握该该技术与技能,导致在研究过程中损失了部分信息,或通过孤立的证据得出了不完整的结论。在此,我们提出了虚拟现实技术的应用平台,屏蔽了专业的、复杂的技术细节,允许考古人员通过输入测量数据就可以得到初步的、近似的三维图像,经过培训,还可以通过其他专业的三维建模环境,导入细致的三维图像。我们设计了开放型的数据编辑环境,规定了标准的接口模式,从而开拓了导入该平台的三维前期数据的范围,同时开发了三维引擎技术,保障了在不同的遗址环境中对该技术的顺利运用。

    初生之物,其形必丑。作为预研究,对虚拟现实技术在考古大遗址中的运用还没有进行全面的细致探索,各种模型的编辑取样还比较粗糙,未能完整贴合实际状况。我们只是探索出这条技术运用路线是正确的,并且成功地屏蔽了虚拟现实技术的掌握、使用难点,如果能够继续将此课题延续研究下去,我们有信心将现在得出的平台原型细化、深入,使得该技术最终成为摆脱计算机图像专业人员而为考古工作者亲手掌握的、可实用的大遗址保护辅助研究工具。




[本日志由 张小朋 于 2010-04-16 04:51 PM 编辑]
文章来自: 本站原创
Tags: 考古 虚拟现实
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