数字化技术促进文化遗产保护与旅游开发和谐共生

数字化技术促进文化遗产保护与旅游开发和谐共生

鲁东明　刁常宇

(浙江大学计算机学院，杭州310027)

【摘　要】文化遗产保护与旅游开发之间的矛盾已引起社会的广泛关注，数字化技术为文化遗产的保护与旅游开发带来新的手段与形式，能够在文化遗产的发掘、保护、研究与展示等一系列环节中促进保护与开发的和谐共生。本文首先介绍了数字化技术在文化遗产保护中的应用，包括全方位的遗址发掘过程信息获取、高精度文物信息三维重建、计算机辅助的文物保护监测与模拟、计算机辅助的壁画临摹等;然后介绍了数字化技术在文化遗产旅游开发中的应用，包括基于虚拟现实技术的旅游规划、基于网络的虚拟展示、现场的虚拟交互体验等;最后概要介绍了浙江大学在敦煌、金沙、河姆渡、良渚等文化遗产的数字化技术应用情况，并对数字化技术促进文化遗产保护与旅游开发和谐共生的前景进行了展望。

【关键词】文化遗产;数字化技术;保护;旅游开发

1　引言

保护与开发，是文化遗产的一把双刃剑，保护不仅是文化遗产自身生存的需要，也是旅游开发的基础;开发不仅是经济发展与满足人们生活的需要，也是弘扬文化的重要手段。在实际的案例中，如被评为“全球优秀生态旅游景区”的峨眉山风景名胜区一样两者兼顾取得良好效果而被社会认同的并不多见，而过度开发导致文化遗址遭到损害却不胜枚举，如居庸关的“爱情长城”、泰山岱顶月观峰索道站破坏地形与植被;泰山有几十处采石场，破坏地形和生态的原真性;城市化的岱顶，改变了遗产的真实性和完整性;黄山北海景区城市化，破坏了核心景区的原生环境;黄山索道和五里桥水库51m高坝破坏了原生地形、生态和景观环境……

从某种意义上讲，开发既是一种保护又是一种破坏。旅游开发将改善、美化环境;旅游收益也为保护创造了经济条件。但另一方面伴随旅游开发而带来的环境污染、游人的不文明活动及行为、外来文化的冲击等都会对文化遗产资源造成破坏。旅游资源开发和保护既相互联系又相互矛盾，两者是辩证的矛盾统一体，并在辩证联系中共同改善文化遗产的状况，达到传承文化的目的。

如果对文化遗产保护继续采用传统的手段进行，将不可避免的与旅游开发产生冲突。数字化与虚拟现实技术的应用将有效的缓解两者之间的矛盾，促进文化遗产保护与旅游开发的和谐共生。

2　数字化技术创造文化遗产保护的新手段

文化遗产的数字化保护利用数字技术为传统保护手段带来突破，从文化遗产的发掘、保护、研究与展示的各个环节对文化遗产保护工作进行辅助，通过数字化的手段更全面的记录文化遗产的信息，永久的记录下文化遗产的当前状态，并基于文化遗产的数字模型对保护、研究和展示提供辅助支持和新的手段。

2.1　文化遗产的数字化发掘

遗址文物信息具有不可再生的特性。而随着遗址考古发掘过程进行的，这些信息将有部分被破坏或丢失。这些信息对于考古学研究有着重要的意义。而目前考古界对这些信息的管理主要采用照片、文档的管理手段，遗物间的关系，遗物与遗址间的复杂关系不够直观，管理也不方便。同时，目前，考古发掘和研究相分离，和博物馆管理相分离，这造成遗址文化信息不流通，研究内容滞后，发掘信息管理繁重等问题。

传统的文化遗址发掘主要采用摄影、摄像与文字记录的方式对发掘过程进行记录，发掘时的文物出土方位、文物形状信息等大量流失。利用数字化技术辅助文化遗址发掘过程能够全方位的记录文物出土时的形状、色彩、方位等信息，还能够记录下遗址发掘过程中每一文化层的分布。

对文化遗产进行三维高精度获取的手段很多，有利用机械臂接触式进行测量的方法，也有利用光学原理非接触式进行测量的方法。接触式测量的主要工具是三维坐标仪，利用细小的探头逐点测算文物表面的空间位置，能够重建出文物的大致轮廓。接触式测量的精度能够达到微米级，但是由于要和文物实际接触，可能会对文物表面造成伤害，只适用于青铜器、玉器等质地坚硬的文物。另外接触式测量每次只能获取一个点的空间位置信息，无法重建出细致的文物三维模型。

非接触式测量具备了速度快、采样率高的特点，更适合与文物的三维信息数字化获取。非接触式测量又可分为飞行时间测量法与三角测量法，飞行时间测量法首先从扫描仪发出一个激光脉冲，然后开始计时，等到传感器捕捉到从场景反射回来的脉冲信号后立即停止计时，用激光的飞行速度乘以飞行的时间就是扫描仪到被扫描点的距离。改进的飞行时间测量法利用激光的相位差能够对激光飞行时间进行更为精确的判断。利用激光飞行时间法能够测量最远至几公里范围内的场景三维信息，适合于大型文化遗址的三维重建。三角测量法与飞行时间法相比更适合与小型文物的三维信息获取，可以使用点激光、线激光及面结构光的方法高精度获取小型对象的三维形状。点激光、线激光与面结构光的基本原理相同，都是通过被测量点与发光点、感光点构成的三角形来测算点的空间位置。目前使用较多的是线激光扫描与面结构光扫描，面结构光扫描由于一次性能够获得上百万个采样点的三维信息而具备了更高的扫描效率，浙江大学自主开发的结构光三维扫描设备达到了0.2mm的扫描精度，单次扫描能够获取300万个采样点，已经在国内多家文化遗址保护单位取得实际应用，完成了数百件文物的三维信息精细获取工作。

文化遗产高精度信息获取还包括色彩信息的获取。现有的一些三维扫描仪也提供了色彩信息获取手段，但相对于文化遗产的信息获取要求仍显不足。针对文化遗产色彩信息获取的需求，浙江大学开发了专门的色彩信息获取设备与系统，包括面向壁画等大型平面文物的获取设备与面向三维重建的纹理获取系统。壁画拍摄设备利用分块拍摄后自动拼接的方式能够自动化的获取整幅壁画极高分辨率的数字图像，对于壁画的信息保存、保护与研究等工作带来了极大帮助。面向三维重建的纹理获取系统使用专业的数码后背拍摄系统获取文物表面高精度的数码照片，然后通过交互指定文物三维模型与数码照片的对应点为文物三维模型生成自然、逼真的表面纹理。

图1　遗址发掘现场三维信息获取(左)文物三维信息获取(右)

2.2　文化遗产的数字化保护与研究

利用数字化技术辅助进行文化遗产保护包括使用传感器对文化遗产的温度、湿度等环境状况进行监测，使用全光谱仪对文物材质进行分析等，对传统文物的物理保护工作带来帮助;也包括利用三维获取技术高精度记录下文化遗产当前的状态，并把这些数字信息永久的保留下来。如果说前面一种保护方式算是让文化遗产延缓衰老，那么后一种保护方式则能够让文化遗产在数字化技术创造的虚拟世界中容颜永驻。

数字化技术对于文化遗产的研究工作也能起到辅助作用，在文物的病害监测过程中，利用图像分析处理手段能够辅助进行病害区域标定与病害区域扩散测算，高精度的测算出病害的现状与发展趋势。智能的壁画临摹辅助系统还能够从壁画的数码照片中生成线描图，辅助壁画临摹画家进行壁画的临摹工作。计算机生成的线描图与壁画原作在比例、形状和细节上能完全吻合，并且能够大大减少画家临摹修图的时间，为壁画临摹工作带来了突破性的进步。基于壁画颜料化学变化的壁画变褪色过程模拟能够将壁画从最初画完到目前的状态按照时间流逝进行演示，有助于画家对壁画的色彩理解和保护专家对于壁画色彩演变的推测。

3　虚拟现实发掘更多文化遗产资源价值

虚拟现实技术将对文化遗产保护和旅游的和谐发展做出最大、最直接的贡献，由于时间和保安等方面的限制，游客即使在实地也无法看到文化遗产中的全部内容，利用虚拟现实技术就能弥补这一不足，甚至能够带领游客穿越时空，看到千年以前的文化遗址盛况。利用虚拟现实技术，在对文化遗产进行旅游开发之前可以进行开发规划的模拟，在计算机中按照规划方案虚拟的建立新的建筑或设施，辅助领导者进行直观的判断，从而做出正确的决策。虚拟规划可以将自然场景进行三维建模，然后把新规划的模型与自然场景的三维模型融合在一起进行展示，也可以由用户佩戴头部跟踪器与头戴显示器在实地进行观看，由摄像头将真实场景的图像按照用户视点进行拍摄，而后计算机将新规划的模型与自然场景图像实时的融合在一起。后一种方法能提供更为真实的效果。

基于虚拟现实技术的虚拟旅游能为旅游开发带来新的表现形式，利用网络化的虚拟现实能够更好的宣传文化遗产，现场的虚拟展示则能带给用户更丰富的交互体验。

3.1　文化遗产的网络虚拟展示

基于网络的文化遗产虚拟展示综合利用了三维展示、视频、音频、动画、图片与文字等手段，以文物的三维模型为索引，为用户提供了比普通网站更直观、更逼真感受。用户在三维场景中进行虚拟漫游的同时能够同步获得场景中景物介绍，融合人文知识背景与实际景物为一体，是文化遗产宣传与教育的最佳形式。用户还能对小型单件文物进行全方位的任意角度观看，就仿佛亲手拿着进行把玩，这是在实际展览中也无法达到的，可以给用户最大的自由空间。利用网络的交互特点，用户及专家可以把对文化遗产的理解与感受发表在一起，形成文化知识的讨论碰撞，让文化遗产蕴含的文化知识传承发扬，而不只是简单的宣传教育。

利用虚拟现实技术可以方便地进行虚拟陈列与教育。首先在计算机中建立虚拟的展馆模型，然后按照展览的主题进行布展，将要展示的文物模型按照主题的需求放置在虚拟展馆的指定位置，并配以相关的文字与多媒体介绍。虚拟陈列比真实的展馆陈列具备更大的灵活性，不受实际场馆的地形与尺寸约束，可以按照主题需要建立适合的展馆形状，而且展品的布置也有更大的自由度，能够在展馆空间中任意的放置展品而无需考虑光照、温度、湿度与保安等环节。虚拟陈列展览既可以在实地进行也可以放置在网络上，利用虚拟陈列进行多样化的主题展览有助于开展文化宣传与教育。

3.2　文化遗产的虚拟交互体验

通过建立大型的虚拟现实系统，文化遗产地可以在现场为游客提供交互式的虚拟漫游，引领游客穿越时空的限制体验文化遗产历史的辉煌。现场的虚拟展示形式可以有多种，如球幕展示、环幕展示、环幕立体展示、触摸屏展示等。从投影幕的形式上可以分为球形幕、柱幕、平面幕、巨幕等，球形幕与巨幕能够带来最大的沉浸感;从投影机架设的方式可以分为背投式和正投式两种，背投式能够允许用户近距离观看;从立体感的角度可以分为主动立体式、被动立体式和非立体式3种，主动立体式需要用户佩戴电池驱动的液晶眼镜，被动立体可以使用廉价的偏振光眼镜。新的科技也为立体展示带来了突破，基于微棱镜技术的立体显示器允许用户在一定距离和一定角度内无需佩戴眼镜也能看到立体感的图像。全息光学技术能够支撑更大范围的立体感展示，但全息图像源的计算量很大，目前还没有实时的展示系统出现。

浙江大学设计开发了现场的多通道环幕立体展示系统、基于网络的远程虚拟展示系统及支持虚拟陈列的数字博物馆系统。多通道环幕立体展示系统使用被动立体正投模式，由计算机计算生成左右眼各自观看到的图像，经由两台设置了偏振光的投影机投射在环形屏幕上，用户佩戴了相应的偏振光眼镜后就能观看到立体的图像。浙江大学在多通道环幕立体展示系统中的环幕投影校正、多机协同绘制等关键技术上都达到了国际先进水平。基于网络的远程虚拟展示为用户在网络上观看高复杂度的三维模型提供了解决方案，用户无需下载巨量的模型数据即可在远程观看到模型的精致细节并可以任意旋转。数字博物馆系统提供了文物信息的结构化存储与管理，融合了文物的三维模型与多媒体信息作为元数据，支持在自定义的虚拟展馆中按主题布展，并允许用户与专家对文物进行品评讨论。

4　实例分析

4.1　敦煌莫高窟

敦煌莫高窟的数字化文物保护与旅游开发工作开展较早也较全面，目前已经形成了旅游模拟、虚拟旅游、文物信息保护及保护工作辅助等一系列系统。

旅游模拟系统中按敦煌莫高窟的景区地理信息建立了计算机模型，记录了每个洞窟的位置、景区路线等。系统中可以设定游客流量、导游数量、每个洞窟的观看滞留时间等，在研究和设计影响景区客流量各个环节的管理策略基础上，通过该系统模拟各个环节、不同管理策略对于景区客流量分布的影响，寻找合理高效利用各个环节硬件设施的最优管理策略。

敦煌莫高窟在2000年就建立了敦煌石窟虚拟漫游系统，并代表中国参加了在德国汉诺威举行的世界博览会，引起了世界的关注。之后敦煌研究院仍在洞窟虚拟展示方面进行大量的工作，在与浙江大学、中国科学院的合作下完成了敦煌莫高窟第158窟和第45窟的更高精度三维重建，并基于高精度的三维模型制作了数字球幕电影。

在石窟文物的保护方面，敦煌研究院也采用了一系列的数字化辅助系统来提高保护的工作效率与能力。辅助病害标注系统、壁画临摹辅助系统、壁画演变模拟系统等都对敦煌研究院的实际工作带来了帮助。

将人工智能技术与艺术相结合还带来了新的文化遗产开发方式，敦煌风格图案创作系统能够辅助设计人员自动制作出带有敦煌风格的图案，将敦煌艺术发扬光大，已经实际应用于印染行业。

4.2　金沙遗址

金沙遗址的数字化保护工程是国家十五科技攻关的重大专项项目，针对遗址考古、博物馆展示数字化建设的需要，以金沙遗址为示范，开发了一个整合博物馆数字化管理、遗址考古发掘信息管理、考古研究辅助、数字化文化遗存信息参观等功能的综合系统。系统通过一个公共的数据库实现数据流通和共享。为博物馆人员提供方便的馆藏信息管理方式;为考古发掘人员提供方便的数字化信息录入手段，方便文物信息的规范化管理与数字化利用;为考古研究人员提供一个内容充实、更新及时的研究环境。该系统具有开放性的特点，克服了实体博物馆时空上的缺陷，转变公众观念，方便文化遗存信息的管理者和考古研究人员的研究工作，因而具有很大的市场应用和产业化前景。传统的照片、文档形式的遗址信息保存方式将被打破。新形式的数字化手段和网页形式的遗址信息管理方式为遗址考古发掘人员提供一种快捷便利的形式。而数据共享机制将及时反馈的反映，激励遗址考古发掘人员的工作积极性。传统观念里参观博物馆意味着长途跋涉的劳累。而数字博物馆解除了公众这种烦恼，公众通过互联网就可以方便的“参观”博物馆，而且可以在一个数字展厅里同时参观来自不同实体博物馆的器物。这种快捷便利的形式将更受公众的欢迎，为公众所接受。数字博物馆将更好地发挥其宣传教育的功能。

图2　敦煌莫高窟景区旅游模拟(左上)敦煌158窟三维重建(右上)壁画临摹辅助系统(左下)敦煌风格图案创作(右下)

图3　金沙数字博物馆虚拟展厅(左)金沙文物立体展示控制端(右)

图4　河姆渡场景重建(左)河姆渡场景环幕展示效果(右)

图5　良渚数字博物馆文物查询管理(左)良渚文物虚拟展厅(右)

4.3　河姆渡文化遗址

在国家973项目的支持下，浙江大学完成了河姆渡文化遗址的虚拟重建与展示。建立了河姆渡原始人部落遗址的虚拟场景模型，模型虚拟再现了7 000年前河姆渡人的生活、劳动的真实场景，包括山、水、天空、树木、房屋、人物、工具等高精度逼真模型，能够真实再现古代河姆渡的自然风景与生活条件，将考古结论直观的展现给游客。河姆渡文化遗址虚拟展示系统重建了古代河姆渡人伐木、捣谷、捕鱼、做饭的4个生活场景，通过动作捕捉设备录制古代人物劳作的人体运动数据赋予场景中的古代河姆渡人物模型鲜活的人物特征，真实地展现了古代河姆渡人的勤劳与智慧。项目基于以太网及PC集群，建立了支持普通桌面式系统及主动式立体显示系统等展示方式的集成平台，基于TCP协议，完成了多主机同步栅栏、帧数据一致维护等同步功能;提供高效的分布式渲染数据共享模型及用户接口实现;可支持多种全景拼图格式(例如同心圆拼图)的扩展，可支持VRML、3DS等主流数据模型的导入;支持OpenGL渲染引擎，并可扩展至DirectX、Performer等其他主流渲染引擎;可配置的投影拼接方案，支持CAVE、i-Cone等多种投影拼接方式。

4.4　良渚文化遗址

浙江大学针对遗址考古、博物馆展示数字化建设的需要，开发了一个整合数字化文物信息管理、博物馆数字化展示、遗址考古发掘信息管理、考古研究辅助等功能的综合系统。系统通过一个公共的数据库实现数据流通和共享。为博物馆人员提供方便的馆藏信息管理方式;为考古发掘人员提供方便的数字化信息录入手段，方便文物信息的规范化管理与数字化利用;为考古研究人员提供一个内容充实、更新及时的研究环境。系统采用网页形式的数据库管理模式，系统内通过一个公共的数据库，实现数据流通和共享，更好的发挥博物馆在教育、宣传方面的作用。

良渚数字博物馆系统是在Internet上通过多种方式展示出文物的文字、图片、视频、三维模型等多维度信息。博物馆管理员可以动态布展，通过设置不同的展示主题对文物进行不同类别的展示;用户可以通过登录系统参观网上虚拟展厅，查看文物多维信息，在参观虚拟展厅的时候还可以与其他用户进行交流。

5　总结与展望

文化遗产的保护与旅游开发之间的矛盾已经引起了社会的关注，本文提出的数字化技术手段将为两者的和谐共生提供一条创新性的解决思路。数字化技术在文化遗产发掘、保护、研究与开发利用等一系列环节都能够为传统的工作方式提供辅助，并带来新的保护与展示形式。利用数字化获取设备与系统能够全方位的保存文物现状下的信息，实现了文物的数字化永久保存;基于虚拟现实技术的文化遗产虚拟展示则能有效避免因游客与文化遗产过多直接接触带来的伤害，还为游客和科研人员提供了比实际观看更为自由和全面的便利手段，更能够避免因规划不合理导致的巨大损失。但目前国内大部分的文化遗产保护工作仍然基于传统的图片与文字的记录形式，旅游开发也大多是建立在游客与珍贵文化遗产直接接触的基础上，缺乏数字化技术的支持与应用。

数字化与虚拟技术的应用将是文化遗产保护与旅游开发的一个重要发展方向，目前相关的技术研究与系统、设备的研发已经接近成熟，由于文化遗产的保护与旅游开发涉及大量的人文知识背景，依靠计算机领域专家单方面的努力将难以取得好的效果，需要文化遗产保护与开发领域的领导与专家加深对数字化技术的理解，双方共同为保护与开发工作的和谐共生、为中华民族乃至全世界文化遗产及其蕴含的文化知识的传承发扬作出贡献。

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Digital Technology Promotes the Harmonious Coexistence between Cultural Heritage Preservation and Tourism Development

LU Dong-ming DIAO Chang-yu

(Department of Computer，Zhejiang University，Hangzhou 310027)

Abstract The contradiction between the preservation of cultural heritage and development for tourism has gained wide attention.Fortunately，digital technology brings a lot of new methods for both of them and is help ful in solving the contradiction during the process of excavation，protection，research and exhibition of cultural heritage.The application of digital technology in cultural heritage preservation is introduced in its first part，such as comprehensive information acquisition for the excavation process of site，high precision 3D reconstruction of cultural heritage，computer aided monitoring and protection of cultural heritage，computer aided mural copying.Then，the application of digital technology in tourism development inc luding V Rtechnology based tourism planning，network based virtual exhibition，virtual interaction and experience of sites is introduced.The paper is concluded by a brief presentation of the digital application projects of Zhejiang University in Dunhuang，Jinsha，Hemudu，Liangzhu and such cultural heritage sites，and a prediction of how digital technology can promote the harmonious coexistence between cultural heritage preservation and tourism development.

Key words cultural heritage;digital technology;preservation;tourism development