古籍三維數(shù)字模型庫(kù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)(共11頁(yè))

1、古籍(gj)文獻(xiàn)(wnxin)三維數(shù)字(shz)模型庫(kù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)薛堯予 蕭?。▏?guó)家圖書(shū)館 北京 100081）摘要：利用信息技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)數(shù)字化保護(hù)是保存與利用民族文獻(xiàn)遺產(chǎn)的重要手段。本文以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖書(shū)館的古籍文獻(xiàn)特點(diǎn)及應(yīng)用情況，構(gòu)建古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫(kù)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)作以探討。該方法為古籍文獻(xiàn)保存和利用提供了新的思路。關(guān)鍵詞：古籍文獻(xiàn) 三維數(shù)字模型庫(kù) 虛擬現(xiàn)實(shí)引言：國(guó)家圖書(shū)館古籍書(shū)庫(kù)文獻(xiàn)豐富，有很高的文化價(jià)值和歷史內(nèi)涵，為研究人類(lèi)文明和科技發(fā)展提供了可靠的歷史憑證。古籍文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)文化的傳承、積累，對(duì)于人類(lèi)文明的發(fā)展有重要的意義。傳統(tǒng)的文

2、獻(xiàn)保管要考慮文獻(xiàn)制成的材質(zhì)耐久性，及溫度、濕度、大氣污染，有害光線、微生物、昆蟲(chóng)等外界條件對(duì)文獻(xiàn)的損毀。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家測(cè)算，善本古籍手工閱讀一次，其壽命將減少30 年左右。文獻(xiàn)保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用之間的矛盾也日益突出，從文獻(xiàn)保護(hù)的角度而言，“少看”仍然是最佳的方式。古籍?dāng)?shù)字化作為保護(hù)與傳承珍貴古籍的重要手段之一，可以真實(shí)清晰地反映古籍原貌1。尤其是當(dāng)進(jìn)入數(shù)字虛擬時(shí)代，數(shù)字時(shí)代的新技術(shù)“虛擬現(xiàn)實(shí)”是文物保護(hù)和展示技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是目前國(guó)內(nèi)外科技界關(guān)注的一大熱點(diǎn),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)構(gòu)造逼真的人工模擬環(huán)境,并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知行為的高級(jí)人機(jī)

3、交互技術(shù),具有多感知性、沉浸性、交互性和想象力的特征,其中三維立體成像與交互性的配合是它相較于傳統(tǒng)的數(shù)字影音、網(wǎng)站等信息傳遞平臺(tái)的最大優(yōu)勢(shì)2。將古籍文獻(xiàn)仿真地建立在計(jì)算機(jī)中，構(gòu)建古籍?dāng)?shù)字模型庫(kù)，無(wú)論是藝術(shù)欣賞還是研究分析都可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從數(shù)字模型庫(kù)中調(diào)用資源。數(shù)字模型還可以為文物考古、歷史研究提供重要參考。目前“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)正朝著更加強(qiáng)調(diào)參與性和體驗(yàn)感的層面發(fā)展，綜合了音頻、視頻和逐步解說(shuō)向?qū)?，在保護(hù)文物的同時(shí)為使用者提供一種全新的體驗(yàn)，故而，研究通過(guò)建立數(shù)字模型庫(kù)系統(tǒng)對(duì)古籍文獻(xiàn)進(jìn)行保護(hù)的方法對(duì)古籍文獻(xiàn)數(shù)字化保護(hù)具有重要意義，同時(shí)對(duì)各類(lèi)的古籍?dāng)?shù)字化保護(hù)也具有借鑒意義。 一建立(jinl)數(shù)字化

4、模型庫(kù)之優(yōu)勢(shì)(yush)分析古籍文獻(xiàn)資源庫(kù)建設(shè)是古籍保護(hù)與利用(lyng)工作的方向3。對(duì)古籍進(jìn)行數(shù)字化建模，通過(guò)將大量的圖片、文字信息和三維模型（3D model）等數(shù)字化資料匯集存儲(chǔ)，建立數(shù)字模型庫(kù)，生成一個(gè)文獻(xiàn)檔案，既實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)資源共享、提高了文獻(xiàn)利用率，又利于文獻(xiàn)內(nèi)容的優(yōu)化保存。帶有三維信息的模型庫(kù)在一定程度上再現(xiàn)了文物的原貌，利于啟發(fā)和擴(kuò)展學(xué)者研究的廣度與深度。1.1 數(shù)字(shz)模型庫(kù)利于(ly)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代(shdi)信息資源共享建立圖書(shū)館古籍文獻(xiàn)數(shù)字模型庫(kù)，將會(huì)使文獻(xiàn)信息在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上大大提高利用率，提高人們對(duì)古籍文獻(xiàn)的認(rèn)知程度。以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為平臺(tái)，以瀏覽器-服務(wù)器(B/S)結(jié)

5、構(gòu)構(gòu)建系統(tǒng)，不同的應(yīng)用系統(tǒng)可以通過(guò)接口調(diào)用數(shù)字模型庫(kù)中的資源，如圖1所示。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立三維場(chǎng)景虛擬漫游系統(tǒng)虛擬展館，讓用戶身臨其境的再博物館中欣賞古籍；用網(wǎng)頁(yè)制作軟件及JSP 技術(shù)制作動(dòng)態(tài)可交互的三維模型網(wǎng)站；通過(guò)特定的網(wǎng)絡(luò)用戶界面調(diào)用數(shù)字模型庫(kù)中的資源，可以讓進(jìn)入的用戶方便快速的訪問(wèn)到所要展示的三維古籍，利用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等簡(jiǎn)單的設(shè)備就可以完成古籍全方位的瀏覽，對(duì)三維模型的旋轉(zhuǎn)、平移、放大、及縮小等實(shí)時(shí)交互操作。古籍?dāng)?shù)字模型庫(kù)可以廣泛長(zhǎng)期反復(fù)利用，互聯(lián)網(wǎng)中已建立的B/S結(jié)構(gòu)的文物遺產(chǎn)系統(tǒng)可以再擴(kuò)展，將三維古籍文獻(xiàn)添加進(jìn)來(lái)，用網(wǎng)頁(yè)鏈接加載資源包這種簡(jiǎn)單的方式把圖書(shū)館3D文獻(xiàn)資源展示出來(lái)。數(shù)

6、字模型庫(kù)加大了信息資源的共享程度，更好的體現(xiàn)了珍稀古代文獻(xiàn)的價(jià)值。圖1 系統(tǒng)(xtng)總體結(jié)構(gòu)1.2 數(shù)字模型庫(kù)提高(t go)了古籍文獻(xiàn)利用率檢索文獻(xiàn)顯示三維模型提供(tgng)更多的有效信息，方便研究者的引用，三維模型極大地啟發(fā)和擴(kuò)展其研究的廣度與深度。對(duì)甲骨建立三維模型還原原型將彌補(bǔ)拓片不足，更清晰展現(xiàn)甲骨文信息方便學(xué)者研究和臨摹書(shū)寫(xiě)。用戶檢索文獻(xiàn)后先獲取簡(jiǎn)單的文字信息，確定使用后，點(diǎn)擊相關(guān)鏈接從數(shù)字模型庫(kù)中調(diào)用該文獻(xiàn)的虛擬三維仿真頁(yè)面，用戶可以交互性的360度觀看甲骨文文獻(xiàn)，以及放大視角仔細(xì)觀察，將長(zhǎng)期被束之高閣的珍稀古籍更好的展現(xiàn)，大大的方便了讀者的研究工作，提高了古籍文獻(xiàn)的利用率

7、。二 數(shù)字(shz)化模型庫(kù)的實(shí)現(xiàn)(shxin)方法2.1 三維建模模型(mxng)是三維模型庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，三維建模是涉及攝影測(cè)量與遙感、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和模式識(shí)別等領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題4。目前三維模型按細(xì)度區(qū)分有如下方法：（1）適于數(shù)據(jù)分析的高精度模型通過(guò)三維掃描儀來(lái)獲取物體所有數(shù)據(jù)信息。測(cè)繪遙感技術(shù)，以毫米的精度虛擬在電腦里，武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李德仁院士在數(shù)字敦煌項(xiàng)目中談到“進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，我們測(cè)繪的精度大大提高，達(dá)到毫米級(jí)甚至微米級(jí)，這才為數(shù)字考古奠定了基礎(chǔ)。” 為了實(shí)現(xiàn)精確目標(biāo)，研究人員在前期必須運(yùn)用大量測(cè)繪方法，如通過(guò)控制測(cè)量的方法，提供一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)，

8、將物體放在合適的位置；通過(guò)多目立體測(cè)量的方法，用兩臺(tái)以上的相機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行拍攝；通過(guò)激光掃描的方法，采集目標(biāo)表面的信息等。制作時(shí)具體工作分為三步：首先是利用激光掃描技術(shù)，將文物結(jié)構(gòu)的位置數(shù)據(jù)測(cè)定，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理組合，組建成三維模型，要求精細(xì)的測(cè)繪技術(shù)，處理海量的數(shù)字信息。保存文物原有的各項(xiàng)型式數(shù)據(jù)和空間關(guān)系等重要資源，實(shí)現(xiàn)瀕危文物資源的科學(xué)、高精度和永久的保存。（2）適于藝術(shù)(ysh)賞析的中低精度(jn d)模型考慮(kol)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的限制，為了保持操作的流暢性，三維場(chǎng)景虛擬漫游系統(tǒng)中三維虛擬場(chǎng)景的模型使用簡(jiǎn)模或者中模?？梢杂袃煞N方法，一種是在文獻(xiàn)原型上采集多方位的照片，建模人員按

9、參照物比例手工建模，主要是由視覺(jué)感官來(lái)建立視覺(jué)建模的方案。三維模型的制作主要采用三維模型制作軟件來(lái)完成，現(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)軟件較多，常用的有AutoCAD、3DSMax、MAYA 等。另一種方法是在二維高清圖片上進(jìn)行處理，將圖片生成黑白灰度圖片，通過(guò)代碼自動(dòng)生成具有高度差的空間三維雛形，再經(jīng)過(guò)補(bǔ)充和修改生成目標(biāo)模型。2.2 三維模型添加材質(zhì)和紋理貼圖建立好模型后，需要實(shí)現(xiàn)三維模型（3D model）到紋理模型（Textured model）的轉(zhuǎn)換工作，即紋理映射工作，通過(guò)融合技術(shù)、紋理拼接、各向同性、紋理捆綁等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)5。首先，在模型表面利用紋理貼圖產(chǎn)生圖像逼真效果。其次，通過(guò)材質(zhì)模仿現(xiàn)實(shí)中物體

10、表面對(duì)光源的反射和傳播，表現(xiàn)出物理材質(zhì)特性。材質(zhì)和紋理貼圖結(jié)合后可以制作如水面、鏡子、玻璃、鋼鐵等等效果，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出物體的真實(shí)性。制作紋理貼圖，應(yīng)以實(shí)際拍攝圖片為基礎(chǔ)，紋理貼圖通常調(diào)整為2的冪次方大小，該方法運(yùn)算的過(guò)程中計(jì)算速度最快，也就是渲染時(shí)最快捷的方式。使用帶有通道貼圖的格式文件，可以直接使用alpha 透明貼圖通道結(jié)合Refraction 折射效果表現(xiàn)出通過(guò)透明或半透明物體所看到的景象，制作出透明或半透明反光材質(zhì)。給三維模型添加材質(zhì)和紋理貼圖是表現(xiàn)效果是否逼真的關(guān)鍵步驟。三數(shù)字(shz)模型庫(kù)系統(tǒng)中虛擬(xn)展現(xiàn)采用(ciyng)的關(guān)鍵技術(shù)在數(shù)字模型庫(kù)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步

11、通過(guò)圖像渲染、碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫(kù)系統(tǒng)。其中，虛擬漫游系統(tǒng)使用Web3D實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的虛擬現(xiàn)實(shí)展示，通過(guò)GUI界面和鼠標(biāo)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)參與者與古籍仿真環(huán)境相互作用，借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位的獲取環(huán)境所蘊(yùn)含的各種空間信息和邏輯信息。一般情況下由以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1 圖像渲染引擎模塊顯卡是物理基礎(chǔ)，在顯卡之上是各種圖形API函數(shù)，主流的是DirectX和OpenGL。圖像引擎是建立在這種API之上，控制著實(shí)現(xiàn)不同的效果。而在引擎之上，則是引擎開(kāi)發(fā)商提供給開(kāi)發(fā)者的SDK開(kāi)發(fā)套件，這樣程序員和美工就可以利用SDK建立畫(huà)面效

12、果。目前主流圖像引擎模塊都支持凹凸貼圖（Bump mapping）,反射貼圖（Reflection mapping）, 動(dòng)態(tài)陰影效果，實(shí)時(shí)圖形化界面，Shader代碼的動(dòng)態(tài)合成，地形系統(tǒng)。當(dāng)把材質(zhì)貼圖賦予模型完成貼圖模型之后，相當(dāng)于為骨骼蒙上皮膚，最后再通過(guò)渲染引擎把模型、動(dòng)畫(huà)、光影、特效等所有效果實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)并展示在屏幕上。3.2 碰撞檢測(cè)模塊(m kui)碰撞檢測(cè)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)中最基本且非常(fichng)重要的組成部分。碰撞檢測(cè)(Collision Detection)返回(fnhu)兩個(gè)或多個(gè)物體是否發(fā)生碰撞的布爾判斷，然后找到物體之間的實(shí)際相交位置，針對(duì)兩個(gè)物體之間的碰撞決

13、定采取何種操作，當(dāng)發(fā)生接觸時(shí)， 運(yùn)動(dòng)可以停止不前或平滑移動(dòng)到其它位置。主要是應(yīng)用于檢測(cè)攝像機(jī)或角色人物模型同三維虛擬場(chǎng)景中的其它模型，如地形、建筑物、綠植等各種物體模型是否接觸的情況。在某些應(yīng)用中，可能希望檢測(cè)物體與環(huán)境之間的距離來(lái)判斷做出新的動(dòng)作指令。3.3 聲音特效控制模塊人能夠很好地判定聲源的方向。聲音到達(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同，在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來(lái)確定聲音的方向。常見(jiàn)的立體聲效果就是靠左右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以會(huì)有一種方向感。聲效控制模塊主要是來(lái)觸發(fā)三維虛擬場(chǎng)景中是否出現(xiàn)聲音和聲音的強(qiáng)弱、聲道以及遠(yuǎn)近等，其作用是來(lái)模擬真實(shí)自然環(huán)境中

14、的聲音效果，如控制攝像機(jī)或者角色人物接近虛擬物體時(shí)，會(huì)觸發(fā)控制事件從而聲音隨著距離的接近聲音會(huì)逐漸變強(qiáng)，反之則聲音又逐漸減弱，聲效模塊同樣加強(qiáng)了使用者的沉浸感。配上解說(shuō)還可以讓一些抽象的解說(shuō)變得淺顯易懂。3.4 物理(wl)系統(tǒng)模塊(m kui)由于(yuy)物體與物體之間的動(dòng)力學(xué)特性，物體的運(yùn)動(dòng)遵循固定的規(guī)律。運(yùn)動(dòng)物體具有密度、質(zhì)量、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角速度、沖量等各種現(xiàn)實(shí)的物理動(dòng)力學(xué)屬性，在發(fā)生碰撞、摩擦、受力的運(yùn)動(dòng)模擬中，不同的動(dòng)力學(xué)屬性能得到不同的運(yùn)動(dòng)效果。例如，當(dāng)角色跳起的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)定的重力值將決定他能跳多高，以及他下落的速度有多快，子彈的飛行軌跡、車(chē)輛的顛簸方式也都是由物理系統(tǒng)決

15、定的。3.5 粒子系統(tǒng)模塊粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用粒子自動(dòng)機(jī)的方法描述粒子的運(yùn)動(dòng)，粒子特效模塊主要是在三維虛擬場(chǎng)景中用來(lái)模擬和控制各種天氣狀況，如雨、雪、霧等。它能夠更為真實(shí)的反應(yīng)出場(chǎng)景的環(huán)境效果，使其更加逼真可信。3.6 動(dòng)畫(huà)功能模塊目前所采用的動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)可以分為兩種：一是骨骼動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，一是模型動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，前者用內(nèi)置的骨骼帶動(dòng)物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，比較常見(jiàn)，后者則是在模型的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行變形。例如，拆卸和組裝的動(dòng)作，可以用動(dòng)畫(huà)幀的方式播放。3.7 GUI背景(bijng)與系統(tǒng)控制模塊(m kui)GUI來(lái)制作(zhzu)瀏覽界面、漫游模式、按鈕、滾動(dòng)條、對(duì)話框等對(duì)象，溝通程序的時(shí)間回調(diào)機(jī)制將最終用戶在GUI

16、窗口中執(zhí)行的操作，比如鼠標(biāo)按鈕觸發(fā)等送到應(yīng)用系統(tǒng)中去，應(yīng)用系統(tǒng)在得到這些消息和事件后可以根據(jù)自己的系統(tǒng)需要做靈活處理。利用GUI控制漫游模式，實(shí)現(xiàn)不同視點(diǎn)和不同的運(yùn)動(dòng)方式的切換，它是整個(gè)系統(tǒng)的集成，用于控制系統(tǒng)功能的主程序。四結(jié)束語(yǔ)論文將數(shù)字技術(shù)和文獻(xiàn)保護(hù)兩者結(jié)合起來(lái)構(gòu)建三維數(shù)字模型庫(kù)，該模型庫(kù)能推動(dòng)學(xué)術(shù)研究，有利于文獻(xiàn)遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)，有利于建設(shè)圖書(shū)館數(shù)字化和知識(shí)化服務(wù)平臺(tái)，對(duì)圖書(shū)館的資源建設(shè)與知識(shí)服務(wù)有積極的促進(jìn)作用。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代寬帶大規(guī)模應(yīng)用的到來(lái)得到更高的突破，古籍文獻(xiàn)三維模型的建立會(huì)更快捷和精準(zhǔn)，古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫(kù)將得到更廣闊的應(yīng)用。五參考

17、文獻(xiàn)1梁愛(ài)民,陳荔京,. 古籍?dāng)?shù)字化與共建共享J. 國(guó)家圖書(shū)館學(xué)刊,2012,(5).2李輝熠,鐘山,張立里,. 基于用戶體驗(yàn)的旅游景點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究J. 數(shù)字技術(shù)(jsh)與應(yīng)用,2013,(3).3石梅,. 數(shù)字圖書(shū)館古籍文獻(xiàn)資源庫(kù)建設(shè)的思考J. 數(shù)字與縮微(su wi)影像,2012,(4). 4 王繼陽(yáng); 李德仁等建筑物三維重建方法(fngf)綜述J HYPERLINK /kns55/oldNavi/Bridge.aspx?LinkType=BaseLink&DBCode=cjfd&TableName=cjfdbaseinfo&Field=BaseID&Value=YGJS&NaviLink=%