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田野考古中虚拟现实技术应用研究(完)

2.三维演示系统

    演示程序(Simulator.exe)

    这个程序是整个工作成果展现的平台。它读取由EditConfig.exe制定的演示项目文件。将目录一层层的动态生成。组成图文并茂的且可以身临其境操作的演示平台。

    程序的下方有操作菜单帮助说明,便于用户进行各项操作,该程序应用目标是触摸屏,所以只进行鼠标操作便可漫游演示系统。

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(十)

⑸ 三维展示脚本编辑器(DataExploer.exe)

    用来编辑一个考古课题,如何带读者进入这个虚拟世界的脚本,一个考古课题中的介绍可以按层次章节来展现给读者,对于每个章节所展示的信息,包括三维虚拟,说明信息,音频信息,视频信息等,添加到章节中,在演示引擎中展现给读者丰富的信息。

图:章节构造程序

    (图:章节构造程序)

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(九)

⑷ 场景构造编辑器(GenerateSEC.exe)

    构建三维模型虚拟现实的场景,包括:自然环境(天空,大地、植被等)、考古遗址、出土文物等。

    通过添加模型数据库中的各种真实物体(包括考古遗址、出土文物等)到场景中,构建出虚拟场景,其中模型数据库中的真实物体对应现实考古中的现实物体,包括物体在场景中相对于测量点的摆放坐标,摆放时物体的摆放角度,物体的实际测量值等属性。


 图:场景构造程序
    (图:场景构造程序)

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(八)

⑶ 地层地形地貌编辑器:(GenerateTerrain.exe)

    我们认为地貌地层的制作有很多手段,在本课题的研究中,我们先实现一种,用网格的坐标方法输入,即先在遗址上打上网格,形成此区域的平面坐标,指定共有多少个时期的地层,然后测量每个地层在各个坐标的上表面的深度,还要指定这个地层的图片,将这些数据导入本模块,生成地貌地层。下面,将详细介绍地形数据的测量,系统数据录入,模拟测量地形的过程。

    测量数据采集方法介绍:
    在遗址上划定待测量的土地的范围,并确定测量点:在测量土地表面上打上正方形网格,网格上的每一个点对应的土地表面表示为一个测量点。
 
    测量数据包括:
    ① 测量区域地形的长度,
    ② 测量区域地形的基准点,
    ③ 测量区域地形的测量点的测量值(该点相对于基准点的深度或高度值)。

    测量数据录入与模拟地形流程介绍:
    ① 测量数据录入:

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(七)

五、系统使用说明

    虚拟现实技术在考古大遗址保护中的应用预研究课题共分为两大功能模块,分别是:三维数据构造和三维演示系统,下面分别对这两个系统进行详细介绍。

1.三维数据构造系统

    ⑴ 三维模型建立(Generate3D.exe应用程序)
    利用常用的一些关于文物、考古中的实物、物件,建立考古资料符号库,整合统一文物资源,提供快速建立虚拟展示环境。演示系统根据考古发现、挖掘已知的一些通用的物件、元件建立一个标准的模型符号数据库,可根据考古人员的需求可直接调用和提取加工,该素材数据库也可由用户自行定义和扩展,根据考古的需求和分析,根据考古的不同功能、时代分别归类,建立素材数据库供考古人员在处理虚拟演示过程中调用。

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(六)

B篇  软件使用说明

一、前言
    “大遗址保护中虚拟现实技术应用系统研究”课题的内容是根据考古发现、发掘的资料,对出土的遗迹遗物进行地层学与类型学研究,寻求它们的内在联系和发展演变规律,以此复原当时的历史面貌,通过多媒体计算机虚拟现实技术处理考古发现、发掘的结果、展示考古发现、发掘过程的虚拟多媒体演示系统。系统可以根据考古发掘的过程,以及考古发现的结果,虚拟再现考古发掘全过程、考古发现的内容及考古资料的虚拟现实模拟演示系统。

    该课题是建立一个与传统的考古方式相比而言,具有良好的交互性和友善的用户操作界面,成为一个新型的、多维化(包含时空)的人机和谐的考古现场复原和重新研判田野考古方法的教室。系统充分利用计算机交互性强的特点,应用三维虚拟技术。使人利用计算机等设备就可以“身临其境”地在虚拟的考古现场中进行田野考古工作“复盘”,并可以学习并演示考古过程中涉及的现象、知识等。
 
    该课题实现的考古大遗址虚拟现实演示系统是一套通用的三维及多媒体演示系统,其中不但各种多媒体资源可以由用户自己制作,而且三维图像也可以由用户根据一定的原则使用一定的仪器或工具自己生成,再由这些数据构成三维虚拟环境,整个系统操作、处理简单易用。

二、系统开发平台和运行环境
 系统采用VC++6.0、OpenGL开发环境,运行在WINDOWS98版本以上操作系统。
 硬件要求:
 CPUPIII  450MHz以上
 内存     128MB以上
 硬盘空间 10GB以上
 硬件系统需支持OpenGL显示环境。

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(五)

7. 引擎设计详解

 

 

 

三维引擎完成功能

 

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(四)

6.Simulator.exe----三维场景浏览器程序

p.画面

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q.功能
画面有三部分组成:
场景区:
用来显示三维场景或场景介绍
在显示三维场景时将弹出漫游菜单:

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(三)

3. GenerateTerrain.exe----地层地形地貌编辑器

 

g.画面

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田野考古中虚拟现实技术应用研究(二)

技术详细设计

一、系统概况

    考古大遗址保护的虚拟现实技术系统研究的主要成果——“考古三维虚拟现实系统”是用于辅助考古工作人员进行模拟或重现考古过程的工具。它从三维建模开始通过3D模型制作工具或其它3D输入设备取得物体的3D模型,并在计算机中显示出来,使用户可以直接看到模拟真实物体3D模型。然后需要对模型的各项属性进行设置,包括:物体形状、材质属性、摆放位置、观察位置、光线照射等。主要是为了在场景的搭建中是物体可以自动处在合理的位置。经过用户创建后的3D模型将被存放在对象模型库中以备多次使用。可以使得资源有效的被复用。节约演示剧本制作的时间。在场景搭建的环节中用户需要把之前取得三维模型对象资源整合到一起。比如:天空、大地、树木、考古遗址、文物等等。并将这些对象摆放在合理的位置上。保存为SCE后就成为一个场景单元。场景单元也可以放在场景数据库中,并多次使用。最后编辑场景脚本,就像为书撰写目录一样。分章论节,树形状态一层层展开。
 
    详细的制作流程如图:

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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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这可能是我国博物馆信息化建设中涉及到虚拟现实技术应用最早的一篇文章了。那是在2001年,江苏省原主管科教文卫的副省长吴锡军女士、江苏省科委原主任姚应才先生找到南博,并联系上我,希望能和江苏省科技开发院合作开发博物馆的多媒体展示应用。吴省长多次谈到了三维技术的应用,认为现在博物馆的展示方式过于呆板,对年轻人缺乏吸引力,博物馆高筑象牙塔,导致门可罗雀,可惜了珍贵的文物。吴省长和姚主任两位长期主管全省科技工作的领导调动了很多的力量一同来研究促进博物馆通俗化、趣味化、信息化的发展途径,现在博物馆的发展方向已证明了当时他们预见的正确性。在吴省长的大力支持下,2001年底我写了下面这篇文章,报送江苏省科技厅、国家科技部和国家文物局。吴省长、姚主任和当时国家文物局博物馆司司长孟宪民先生多方协调、支持,直接促成了江苏省科技开发院与武进淹城遗址博物馆有关虚拟现实技术应用的合作研究,以及南博承担国家“十五”科技攻关课题——大遗址保护中虚拟现实技术的应用研究。

以后,这篇文章中的许多文字我在多篇文章中都看到被引用了,甚至在一些公司对博物馆工程建设的投标书中也多次看到,虽然几乎没有人对这些引用的文字说明出处,但能为大家所认可,我依旧感到很欣慰。

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虚拟现实技术在文物展示、复原和保护中的应用
南京博物院信息中心 张小朋


一、 研究目标:
虚拟现实技术在文物展示、复原和保护中的应用

二、 技术现状
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,世界上少数发达国家在经济、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(如复原生成阿房宫、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。

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六个模块构成:

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。
 
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。
虚拟现实的发展前景诱人,在某种意义上说它将改变人们的思维方式,会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用虚拟现实技术和Internet技术相结合,我们可以建立真正的远程教室,在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏,就像在现实生活中一样。我们也可以进行基于文本、声音和三维视频的聊天站,甚至在网上建立一个真正的三维社区也不再是梦想。

三、 文博行业应用现状
我国有着悠久的文化历史,因此而拥有丰富的文化遗存,但由于受观念落后、资金、人才匮乏的困扰而面临严峻的形势,主要表现在以下几个方面:
1. 展出数量少
据统计全国已登记在册的文物点约有35万处,收藏于各类博物馆当中的文物达1200万件,每年还有大量的文物出土,但能展出的仅占极少部分。如南京博物院藏品有41万件,而常年展出的仅有5千件,不足1.25%,加之办新展览需要资金投入来设计、制作,而博物馆很难筹措到必须的经费而导致展品的更换率极低,因此博物馆的陈列形式长年不变,使得本来就很少的观众变得更加稀少,形成了恶性循环。

2. 文物保护手段落后
在文物当中存在大量的易损文物,如纸质类、织绣类、漆器类、石窟壁画类文物等。经过长期的自然侵蚀,这些类文物都容易出现脆化、脱色、剥落等现象,而人工临摹、修复后的文物不仅仍难于长期用于研究、收藏和展示,并且面对众多需保护的文物也是杯水车薪。据报导,景德镇陶瓷研究所为复原一件古瓷器,其中为一件瓷片的放置竟耗去一个人三个月的时间。

3. 迁址保护损害文物价值
我国拥有大量的不可移动的文物,但许多又处于交通闭塞的地区,难以在就地保护的原则下用于展出,使文物的价值无法发挥出来。比如1979年江苏省在高邮仙居山发掘了一座具有极高文物价值的汉代墓葬,但由于该地在当时交通闭塞,不得已而迁址到扬州市建立了汉墓博物馆,予以保护陈列,耗费了大量财力,但更重要的是损害了文物的原有价值。

4. 陈列手段落后
我国博物馆长期沿用“通柜、实物加说明牌”的陈列手段,难以诠释展品内涵,因而难以吸引生活在信息时代的观众。
以上这些问题都是我国博物馆所面临的重大难点,它们极大地阻碍了博物馆的发展,但合理地应用虚拟现实技术,在很大程度上能解决这些问题。
2. 提高文物的展出率和效果
运用技术手段将文物大量地制作成各种类型的影像,如三维立体的、动画的、平面连续的等等,来展示文物生动的原貌。激动人心的还在于,虚拟现实技术提供了脱离文物原件而表现其本来的重量、触觉等非视觉感受的技术手段,能根据考古研究数据和文献记载,模拟地展示尚未挖掘或已经湮灭了的遗址、遗存。
透过网络技术能将这些文物资源统一整合起来,全面地向社会传播,而丝毫不会影响到文物本身的安全。

2. 提高文物保护技术手段并利于文物保护
利用细致拟真的虚拟技术来预先展现文物修复后的影像,从而检验修复技术、手段的可行性,进一步可以和视图计算技术相结合,考察修复过程中的各项环节和修复后的耐久性。利用虚拟技术大量而完好地多角度展示文物,从而使文物实体保存在更加严密的环境中,有利于文物寿命的延长。
我国博物馆目前在应用这项技术还处于相当落后的阶段,甚至还谈不上起步,主要原因在于观念落后、资金和人才极其匮乏。仅有南京博物院、故宫博物院在这方面做过一些初步的研究,敦煌博物院、上海博物馆等单位也仅仅对部分文物做过平面的图像采集。

四、 应用研究目标
利用虚拟现实技术,结合网络技术,将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。
首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段,建立起实物三维或模型数据库,保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源,实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存;
其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段,同时可以缩短修复工期;
第三,通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源,并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物,从而使文物脱离地域限制,实现资源共享,真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。
我们的研究目标就是要开发出一套我国目前技术条件下可用于博物馆的虚拟技术支撑下的文物展示和保护的总体解决方案及其相关软件,在一定程度上实现自有知识产权。从而推动文博行业更快地进入信息时代,实现文物展示和保护的现代化。

我们建议列入“十五”期间的相关课题为:
博物馆藏品管理信息系统和统一资源网站的建设;文物修复、复原的计算机技术研究;多媒体和虚拟技术在文物展示和复原中的应用;文物鉴定专家系统研究;数字化博物馆建设研究。

Tags: 虚拟现实 文物 展示 复原 保护

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