24、虚拟现实在文化遗产与其他领域的应用探索

虚拟现实在文化遗产与其他领域的应用探索

一、文化遗产领域的虚拟现实应用

1.1 虚拟敦煌

敦煌是中国西北丝绸之路上靠近塔克拉玛干沙漠的重要历史遗址，1987 年被联合国教科文组织列为世界遗产。这里以莫高窟闻名，在丝绸贸易的辉煌时期，佛教僧侣挖掘并装饰了这些洞窟。如今，该遗址包含近 550 个洞穴、3000 尊雕像和 50,000 平方米的壁画，但由于塔克拉玛干的气候和游客的影响，受损严重，目前只有不到 10%的区域对公众开放。

1999 年，中国杭州的浙江大学和德国达姆施塔特/罗德施托克的弗劳恩霍夫 - IGD 开发了一个用于保护和传播敦煌艺术的虚拟环境。该项目分为三个主要部分：敦煌信息网、基于互联网的虚拟现实和高端 VR 展示。其中高端 VR 展示部分使用 CAVE 系统，能让用户很好地沉浸在敦煌洞窟中。

不过，在 CAVE 中呈现历史内容面临一些技术挑战：
- 信息提供方式 ：博物馆展品通常配有描述其年代和制作材料的文字说明。为避免干扰沉浸在 3D 世界中的用户，采用虚拟语音提供这些信息，就像有真实导游在讲解一样。
- 自由导航机制 ：真实的洞窟环境比方形房间复杂得多，研究人员开发了“手电筒交互范式”，用户可以扮演著名考古学家“印第安纳·琼斯”，用手电筒探索失落的历史遗址。

这个“虚拟敦煌”项目是文化遗产领域中完全沉浸式虚拟游览的优秀范例之一。

1.2 兵马俑

20 世纪 70 年代，中国发现了大量真人大小的兵马俑，这些兵马俑描绘了士兵、仆人和马匹，估计总数约 6000 件，是以秦朝皇帝的真实军队为蓝本制作的。借助西安项目，现在人们在国外也能看到它们。

西安项目旨在利用虚拟现实技术重现兵马俑军队并赋予其“生命”。在瑞士日内瓦的 Digital 97 活动中展示了一部短片，片中首先呈现 3D 兵马俑埋在地下的场景，天空黑暗且布满星星。随着天亮，光线逐渐增多，突然一个兵马俑苏醒，他惊讶地看着周围，发现旁边有另一个士兵和掉在地上的头颅，他捡起头颅放在旁边士兵的身体上，这个士兵也复活了，随后整个军队慢慢苏醒。

在创建虚拟兵马俑时，传统的 3D 扫描技术存在一些问题。扫描获得的数据是“点云”，即一组未连接的 3D 点，不是构建可接受 3D 模型所需的连贯表面（3D 网格），需要进行重新网格化操作，包括填充孔洞和去噪算法。而且得到的网格不适合虚拟现实应用，三角形太多且没有纹理。

为克服这些问题，Magnenat - Thalmann 等人提出了不同的方法：
- 面部建模 ：基于粘土雕塑模拟来建模面部。
- 身体建模 ：使用元球来建模士兵的身体。

但该项目仍面临一些挑战：
- 面部个性化 ：士兵的面部各不相同，生成的面部需要适应基于层次模型（情感、言语短语、头部运动）的面部动画方法。
- 真实感与变形能力 ：要让士兵足够逼真且具有动画变形能力，研究团队在动画骨架上构建了基于元球的可变形层，以模拟皮肤和肌肉等软组织，最后添加衣服。这需要优化的机械模型来管理碰撞检测和自碰撞。同时，也使用类似技术对兵马俑的马匹进行建模和动画制作。

1.3 EU - INCO CAHRISMA 和 ERATO 项目

ERATO 项目和早期的 CAHRISMA 项目通过整合视觉和声学模拟，显著提高了虚拟体验的可信度。

ERATO 项目提供了地中海地区著名古代剧院和音乐厅的虚拟模拟，如约旦的杰拉什、阿芙罗狄西亚、土耳其的阿斯潘多斯、意大利的奥斯塔和法国的里昂。CAHRISMA 项目则创建了由伟大的奥斯曼建筑师希南设计的“伊斯坦布尔”清真寺（索库鲁清真寺、苏莱曼尼耶清真寺）的交互式模拟。这些项目由欧盟在 EU - INCO - MED（与地中海伙伴国家的国际研究合作）框架下发起，虚拟环境包括对古代环境及其声学的建模，以及对所选空间内人物及其运动的模拟。

这两个项目面临两个与实时性相关的主要挑战：
- 虚拟人群渲染 ：实时渲染组成观众的虚拟人群需要先进的 GPU 编程技术（顶点和像素着色器）来加速虚拟角色的蒙皮和 3D 纹理网格的渲染。
- 交互式声音模拟 ：Rindel 等人在项目中取得了动态声音渲染的进展。现在可以量化古代剧院和音乐厅在各种条件下的声学特性，这对于永久修复和临时修改的声学后果和真实性程度提供了有价值的信息。他们重现了希腊化和罗马时期的乐器，并设计了一些音乐样本进行录音。基于这些真实风格的音乐/语音录音样本，剧院的声学模拟还能产生具有高度声学真实感的虚拟表演声音演示，并将这些声音文件与视觉修复相结合，形成所选场地 3D 虚拟表演的音频。

此前文化遗产领域的工作主要侧重于视觉真实感，而在 ERATO 和 CAHRISMA 项目中，研究团队提出将图形和声音模型统一用于交互式模拟，以获得真实可信的虚拟环境，虚拟人群的加入进一步增强了体验的真实感。

1.4 EU - IST ARCHEOGUIDE 项目

借助增强现实（AR）技术，ARCHEOGUIDE 项目让游客能够看到废墟建筑昔日的辉煌，并与之进行交互式游览。该项目在希腊的奥林匹亚古城进行了试验。

游客通过头戴式显示器（HMD）、耳机和移动计算设备获取视频。跟踪系统确定游客在遗址内的位置，根据游客的个人资料和位置，提供音频和视觉信息，帮助游客深入了解遗址的相关方面。

该项目引入了一些新技术：
- 传感器技术 ：包括全球定位系统和基于图像的地标识别。
- 位置聚合和凝视跟踪 ：用于确定游客的位置和视线方向。
- 优化渲染 ：为了在 HMD 上显示虚拟现实，研发了适用于移动平台的优化渲染技术。
- 多模态界面 ：探索了使用手势识别和语音处理的多模态界面。
- 无线数据传输 ：实现了遗址服务器（包含所有考古数据）与用户之间的高效无线数据传输。

由于采用了无需在周围环境附加标记的光学跟踪方法，且系统具有可穿戴性，ARCHEOGUIDE 成为不允许破坏周围环境的古代遗址的理想游览工具。

1.5 EU - IST LIFEPLUS 项目

自古代以来，壁画就被用于记录事件、生活方式和装饰。EU - IST LIFEPLUS 项目利用相关技术让这些壁画“活”了起来，游客可以在庞贝古城的废墟房屋和商店中与古代居民相遇。

该项目由欧盟在 IST（信息社会技术）框架下资助，旨在突破当前增强现实技术的限制，探索虚构空间（如壁画）的叙事设计过程，让用户获得高度逼真的交互式沉浸体验。

基于对真实场景的捕获或实时视频，该项目允许实时渲染虚拟动植物（人类、动物和植物）的逼真 3D 模拟，从而增强这些场景。游客通过视频透视 HMD、耳机和移动计算设备获取信息，跟踪系统确定他们在遗址内的位置，并根据他们的探索情况，将音频 - 视觉信息叠加在他们当前对遗址的视图上。

这个项目在多个领域具有挑战性：
- 用户视线跟踪 ：和所有增强现实应用一样，必须跟踪用户的视线，以便将 3D 计算机图形叠加到现实世界中。这通过差分全球定位系统（DGPS）技术和 2d3 公司提供的无标记视频跟踪技术的结合来实现。
- 实时“逼真”虚拟生命开发 ：这是一项复杂的任务，需要可靠的考古数据来源，同时要在实时毛发模拟、布料模拟、皮肤渲染、动植物模拟、逼真的面部表情和虚拟角色的行为动画等领域进行研究。

通过开发一个分布式在两台移动计算机上的集成框架，实现了这些技术在一个应用中的集成，确保了该系统可以在不干扰周围环境的古代遗址中使用。

1.6 EU - Horizon 2020 MINGEI 项目

MINGEI 项目以手工艺作为文化遗产，探索了展示和获取手工艺有形和无形方面的可能性。作为非物质文化遗产的一种形式，传统手工艺涉及手工艺品、材料和工具，其无形维度包括技巧、专业知识、工具熟练度以及相关社区的传统和身份。

为了增强希俄斯乳香博物馆的展览效果，该项目开发了数字人。创建数字人时遵循了特定的方法，游客可以看到数字人站在机器旁边，准备分享它们的故事并解释机器的工作原理。

基于项目场景，开发了两种类型的数字人：
- 展览现场用 ：具有全身和面部动画的逼真会说话的数字人。
- 移动应用用 ：低分辨率的数字人。

这个项目的系统架构包括多个方面，如科学协议的数字表示、先进的数字化技术、手工艺的语义表示、手工艺模型、存储库、语义注释、叙事与讲故事、人类运动捕捉与分析、虚拟人类作为故事讲述者、在线平台、移动 AR、MR 训练表面以及系统接口与集成等。

以下是 MINGEI 项目系统架构的简单表格展示：
| 架构部分 | 具体内容 |
| ---- | ---- |
| 科学协议数字表示 | 实现手工艺的数字化呈现 |
| 先进数字化技术 | 用于获取和处理相关数据 |
| 手工艺语义表示 | 对工艺进行语义标注和理解 |
| 手工艺模型 | 构建工艺的模型 |
| 存储库 | 存储相关数据和信息 |
| 语义注释 | 对手工艺进行语义标注 |
| 叙事与讲故事 | 生成相关故事和叙事 |
| 人类运动捕捉与分析 | 捕捉和分析人类运动 |
| 虚拟人类作为故事讲述者 | 数字人进行故事讲述 |
| 在线平台 | 提供在线服务和交互 |
| 移动 AR | 实现移动增强现实体验 |
| MR 训练表面 | 提供混合现实训练 |
| 系统接口与集成 | 实现各部分的集成和交互 |

1.7 文化遗产领域虚拟现实应用总结

虚拟现实和增强现实技术在文化遗产领域的应用为我们提供了全新的方式来保护、传播和体验历史文化。这些项目不仅解决了一些传统保护和展示方式的难题，如敦煌遗址的保护和兵马俑的远程展示，还通过创新的交互方式，如虚拟人群的渲染、声音模拟和增强现实的叠加，让用户获得了更加真实和丰富的体验。

然而，这些项目也面临着诸多挑战，如技术实现的复杂性、数据处理的难度和对用户体验的优化等。未来，随着技术的不断发展，我们有望看到更多创新的应用和解决方案，进一步提升文化遗产的保护和传承水平。

二、其他领域的虚拟现实应用 - 车辆模拟器

2.1 传统车辆模拟器

在车辆开发中，基于物理模型开发车辆模拟器是常见的做法。这些模拟器可能配备液压平台，或者将真实汽车放置在大型背投屏幕前。其主要应用包括驾驶员培训和行为分析，也用于虚拟原型设计。

大多数汽车制造商在产品概念阶段会使用车辆模拟器。汽车模拟器使工程师能够在汽车制造之前对其进行测试，评估人体工程学方面、内部设计甚至道路行驶性能。

但基于物理复制的驾驶舱模拟器在虚拟原型设计中存在一些问题。制造这些模拟器需要大量的时间和成本，而且每次 CAD 设计更新时，都无法及时重建以反映所有的更改。在根据汽车内部的变化进行人体工程学和可视性评估时，这个问题尤为明显。

2.2 沉浸式虚拟现实在车辆模拟中的应用

沉浸式虚拟现实（VR）为解决上述问题提供了自然的替代方案。虚拟原型可以取代物理模型，用于分析设计方面的问题，如布局和包装效率、仪器、控制和镜子的可视性、可达性和可及性、间隙和碰撞、人类性能以及美学和吸引力等。其目标是让用户沉浸在虚拟汽车内部，研究设计并与虚拟汽车进行交互。

虽然由于技术限制，特别是触觉反馈方面的限制，适合分析活动的虚拟汽车模拟器目前仍不可行，但已经有一些原型被开发和测试。

Kallman 等人展示了一个用于训练和人体工程学相关任务的模拟器系统，该系统有两种不同的配置：
- 基于物理模型的配置 ：配备力反馈方向盘、换挡杆和踏板的车辆物理模型。
- 其他配置 ：暂未详细说明，但可能更侧重于虚拟环境的构建。

以下是传统车辆模拟器和沉浸式虚拟现实车辆模拟器的对比表格：
| 对比项 | 传统车辆模拟器 | 沉浸式虚拟现实车辆模拟器 |
| ---- | ---- | ---- |
| 制造成本 | 高，需要大量时间和成本制造物理模型 | 相对较低，主要是软件开发成本 |
| 灵活性 | 低，难以根据 CAD 设计更新及时重建 | 高，可以快速更新虚拟模型 |
| 分析能力 | 有限，对于一些复杂的设计分析不够直观 | 强，可以全面分析设计各个方面 |
| 触觉反馈 | 有一定的物理反馈，但不够灵活 | 目前受限，但未来有提升空间 |

2.3 车辆模拟领域虚拟现实应用总结

虚拟现实技术在车辆模拟领域具有巨大的潜力。它可以提高设计效率、降低成本，并提供更全面的设计分析。虽然目前还存在一些技术挑战，如触觉反馈的实现，但随着技术的不断进步，我们有理由相信虚拟车辆模拟器将在未来的汽车开发中发挥越来越重要的作用。

综上所述，虚拟现实技术在文化遗产和车辆模拟等领域都展现出了强大的应用价值和发展潜力。随着技术的不断创新和完善，我们期待看到更多令人惊叹的应用场景和解决方案的出现。

graph LR
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这个流程图展示了虚拟现实技术在不同领域的应用，包括文化遗产领域的多个项目和车辆模拟领域。每个领域下的具体项目都有其独特的特点和挑战，共同构成了虚拟现实技术的应用版图。

三、虚拟现实在制造业和娱乐领域的潜在应用展望

3.1 虚拟现实在制造业的应用设想

在制造业中，虚拟现实技术有望带来巨大的变革。目前，制造业面临着产品设计周期长、成本高、生产过程难以可视化等问题。而虚拟现实可以为这些问题提供有效的解决方案。

3.1.1 产品设计与可视化

在产品设计阶段，设计师可以利用虚拟现实技术创建产品的三维模型，并在虚拟环境中进行实时交互和修改。这不仅可以提高设计效率，还可以让设计师更直观地感受产品的外观和性能。例如，汽车设计师可以在虚拟环境中对汽车的外观、内饰进行设计和调整，模拟不同的光照条件和视角，以获得最佳的设计效果。

以下是产品设计阶段应用虚拟现实技术的简单步骤：
1. 建立产品的三维模型：使用三维建模软件创建产品的初始模型。
2. 导入虚拟环境：将三维模型导入到虚拟现实平台中。
3. 进行交互设计：在虚拟环境中对产品进行交互设计，如调整尺寸、颜色、材质等。
4. 模拟测试：对产品进行各种模拟测试，如力学性能测试、流体动力学测试等。
5. 反馈与修改：根据模拟测试的结果，对产品进行反馈和修改。

3.1.2 生产过程模拟与优化

虚拟现实技术还可以用于生产过程的模拟和优化。通过创建虚拟工厂，企业可以在虚拟环境中对生产流程进行模拟和分析，找出潜在的问题和瓶颈，并进行优化。例如，企业可以模拟生产线的运行情况，调整设备的布局和参数，以提高生产效率和质量。

生产过程模拟与优化的步骤如下：
1. 建立虚拟工厂模型：使用三维建模软件创建工厂的布局、设备和人员模型。
2. 定义生产流程：在虚拟环境中定义生产流程，包括原材料的输入、加工过程和成品的输出。
3. 进行模拟运行：对生产流程进行模拟运行，记录各种数据和指标。
4. 分析与优化：根据模拟运行的数据和指标，分析生产过程中的问题和瓶颈，并进行优化。
5. 实施改进方案：将优化后的方案应用到实际生产中，并进行验证和调整。

3.2 虚拟现实在娱乐领域的应用现状与发展趋势

3.2.1 虚拟现实游戏

虚拟现实游戏是目前虚拟现实技术在娱乐领域应用最为广泛的领域之一。通过虚拟现实设备，玩家可以身临其境地进入游戏世界，与游戏中的角色和环境进行交互。例如，玩家可以在虚拟现实游戏中体验飞行、战斗、探险等各种场景，获得前所未有的游戏体验。

以下是虚拟现实游戏的一些特点：
| 特点 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 沉浸感强 | 玩家可以完全沉浸在游戏世界中，感受到身临其境的感觉。 |
| 交互性好 | 玩家可以通过手势、语音等方式与游戏中的角色和环境进行交互。 |
| 真实感高 | 虚拟现实技术可以模拟出真实的物理环境和场景，让玩家感受到更加真实的游戏体验。 |

3.2.2 虚拟现实影视

虚拟现实影视是另一个具有潜力的娱乐领域。通过虚拟现实设备，观众可以以第一人称视角观看电影或电视剧，仿佛自己就是剧中的角色。这种全新的观影体验可以为观众带来更加震撼和身临其境的感觉。

虚拟现实影视的发展趋势包括：
1. 内容创作的多样化：未来，虚拟现实影视的内容将更加多样化，包括剧情片、纪录片、动画片等各种类型。
2. 技术的不断进步：随着虚拟现实技术的不断进步，虚拟现实影视的画面质量、音效效果和交互性将不断提高。
3. 与社交平台的结合：虚拟现实影视有望与社交平台结合，让观众可以与其他观众一起观看和交流，增加观影的乐趣。

3.3 虚拟现实应用面临的挑战与解决方案

3.3.1 技术挑战

虚拟现实技术目前还面临着一些技术挑战，如硬件设备的性能不足、软件的兼容性问题、网络延迟等。这些问题会影响用户的体验，限制虚拟现实技术的发展。

为了解决这些技术挑战，需要从以下几个方面入手：
1. 提高硬件设备的性能：加大对硬件设备的研发投入，提高设备的处理能力、分辨率和刷新率等性能指标。
2. 优化软件的兼容性：加强软件的开发和测试，确保软件在不同的硬件设备上都能正常运行。
3. 降低网络延迟：采用高速稳定的网络技术，降低网络延迟，提高数据传输的速度和稳定性。

3.3.2 用户体验挑战

虚拟现实技术的用户体验也面临着一些挑战，如头晕、恶心等不适症状，以及操作复杂、内容匮乏等问题。这些问题会影响用户对虚拟现实技术的接受度和使用频率。

为了解决这些用户体验挑战，可以采取以下措施：
1. 优化硬件设计：改进硬件设备的设计，减少用户的不适感，如调整设备的重量、佩戴方式等。
2. 简化操作流程：设计简单易懂的操作界面和交互方式，降低用户的操作难度。
3. 丰富内容资源：加大对内容创作的投入，丰富虚拟现实技术的内容资源，满足用户的不同需求。

四、总结与展望

4.1 虚拟现实应用的总结

虚拟现实技术在文化遗产、车辆模拟、制造业和娱乐等领域都展现出了巨大的应用潜力。在文化遗产领域，通过虚拟游览、增强现实等技术，让人们可以更加直观地了解和感受历史文化；在车辆模拟领域，虚拟现实技术可以提高设计效率、降低成本，并提供更全面的设计分析；在制造业领域，虚拟现实技术可以用于产品设计、生产过程模拟和优化；在娱乐领域，虚拟现实游戏和影视为用户带来了全新的娱乐体验。

4.2 未来展望

虽然虚拟现实技术已经取得了一定的进展，但仍然面临着一些挑战。未来，随着技术的不断发展和创新，虚拟现实技术有望在以下几个方面取得突破：
1. 技术的融合：虚拟现实技术将与其他技术，如人工智能、大数据、物联网等进行深度融合，创造出更加智能、高效的应用场景。
2. 应用领域的拓展：虚拟现实技术将不断拓展应用领域，如教育、医疗、旅游等，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
3. 用户体验的提升：通过不断优化硬件设备和软件系统，提高虚拟现实技术的用户体验，减少用户的不适感，让更多的人接受和使用虚拟现实技术。

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这个流程图展示了虚拟现实技术在不同领域的具体应用，以及各个领域内的主要应用方向。随着技术的不断发展，虚拟现实技术的应用领域将不断拓展，为人们的生活和工作带来更多的创新和变革。