虚拟现实三维动画技术在考古中的技术应用
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作者:吴永慧
摘 要：虚拟现实技术和三维动画技术是数字化时代的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、传感器技术、多媒体技术等多种技术。虚拟现实技术诞生以后，被运用于各个领域。随着数字考古的勃兴，在考古学中也在逐渐运用虚拟现实技术。该技术在考古中的运用取得了很好的效果，有效克服了长期存在于考古中的遗址保护、文物保护、文物展览等方面的问题，使得中华民族文化精神财富的保护和传承事业更进一步。
关键词：虚拟现实 三维动画 考古
中图分类号：K90 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0158-03
在考古工作中实施虚拟现实技术的一般过程是：首先对考古现场和文物古迹记录数据、拍摄照片，构建地层地形材料库;之后抽取遗迹和文物的形态数据，生成数字模型，进行压缩处理。在脚本中组合三维模型群和其他数据集合。生成雏形之后，再按照现场效果进行渲染，从而达到展现现场情景的效果，这种技术手段有效克服了在传统考古研究过程中出现的种种问题[1]。
1 虚拟现实技术、三维动画技术和考古技术概述
1.1 虚拟现实技术
虚拟现实技术（VR）是随着数字技术而兴起的一种综合性技术，其兼具有图形技术、人工智能技术、传感器技术、测量技术以及多媒体等。虚拟现实技术的核心特色在于根据真实的环境构建虚拟仿真环境，能够给用户提供一种身临其境、交互的沉浸感[3]。3DSMAX软件是虚拟现实建模中最为常用的一种软件，其能够对三维动画和各种静态图进行系统的处理，具有三维建模、材质制作、光源设定、三維动画设置以及渲染等功能。VRML语言是虚拟现实建模语言，可以将三维图片、三维图片、动画、视频等充分地结合在一起，进行三维或者多维空间的构建。VRML能够根据OPENGL3D图形引擎快速生成三维图形，并将声音、动画等多媒体效果融入进建模中，通过实时渲染，提高虚拟现实环境生成的效果。
1.2 三维动画技术
三维动画就是生活中较为常见的3D动画，也是进行真实物体模拟的一个常用技术，其具有精确性、真实性和操作便捷性的特点，在具体的操作过程中，很少受到时空条件的制约，能够把各种复杂抽象的内容生动准确地表现出来[4]。三维动画技术包括三维建模、三维图形的拍摄、三维图形的修改、三维视频的合成和渲染，一般应用到PS、AE等软件进行。
1.3 现代考古技术
现代考古技术是指经过现代科技融合的考古技术，其中与虚拟现实技术、三维动画技术相关性较强的包括遥感技术、三维成像技术以及物探技术。考古中的遥感技术和物探技术可以结合三维动画技术和虚拟现实技术进行立体化、真实化的测绘地下层级环境呈现，三维成像技术本质上也是基于三维动画技术发展起来的，与三维动画有着本质的相似性。
2 虚拟现实技术和三维动画技术在考古中的应用
2.1 在田野考古中的应用
虚拟现实技术在考古国际学界被称为考古信息可视化技术，产生三维交互环境特点使得它在现代考古领域有着广阔的发展空间[4]。虚拟现实和三维动画技术可以结合考古技术中的航拍与测绘，在获得具体的数据后，通过导入到3DXMAX中，进行三维建模，并根据航拍的具体数据，结合地形资料，对地形的各个板块进行虚拟现实还原，将原始地形进行立体化的呈现。
2.2 考古文物和背景的三维重建
虚拟现实技术可以实现对文物的全过程保护，可以做到对文物的无损探测，利用这一技术可以准确分析出遗址的分布范围、分布情况，避免因传统探测方式对文物造成的破坏[5]。同时，虚拟现实技术和三维动画技术的应用，还可以通过还原考古文物和考古文物的具体时代背景，为考古人员的考古文物分析提供帮助，这一技术不仅在考古过程中有所应用，也在博物馆中常有应用。
2.3 文物的虚拟现实展示
利用虚拟现实技术和三维动画技术，可以改革原有的文物陈列方式，为公众提供新颖、形象的文物展示，为公众带来强大震撼力，更可以为观众创设虚拟的漫游空间，与文物“零距离”接触。在立体形象中感悟文物的精美及其蕴藏的丰富文化，在此基础上，使观众体会到强大的审美享受和文化震撼力。在文物数字化的基础上，博物馆可以积极建设自己的文物网络展示平台、考古遗址虚拟仿真平台，通过这一方式可以扩大文物和考古的影响力，在带给受众美感的同时，也在促进更多的人加入到文物保护的行列中来。
3 虚拟现实技术与三维动画技术在考古中的应用流程
3.1 3DSMAX建模
使用3DSMAX建模包括多种方式，结合在考古中的具体应用，本研究对车削建模、放样建模和挤压建模三种技术进行分析。
3.2 车削建模
车削建模也被叫做旋转放样，这种建模方式主要用在轴对称的物体上，一般具有中心位置，通过对中心位置的确定，围绕某一曲线进行旋转，如考古文物中的柱子、陶瓷物品等。该类型建模的物体相对来说也比较简单，能够直接使用线条进行对称截面的描绘，再通过车削进行三维实体的绘制，如图1。
3.3 放样建模
相对于其他的建模方式，放样建模的应用相对更加广泛，该种建模最大的优点在于能够通过二维图形直接得出三维图形，但是其对二维图形样品的数量有要求，一般不少于2个。其中一个二维图形作为建模的截面，另外一个则作为建模的唯一生成路径。在实际操作中，放样建模一般包括两种方式，第一种建模方式是首先选取二维图形作为横截面，然后通过另一张二维图形的放样进行三维模型的生成;第二种方式是首先确定样品生成的路径，再选取横截面，以此来生成三维建模。 3.4 挤压建模
挤压建模的适用范围相对较窄，只适合于在沿着横截面运动的过程中形状不变的三维图形，例如桌子、墙面等，一般物体也具有对称性。该类建模的物体均是通过对二维横截面的挤压而得到的，其在建模的过程中，要能够通过二维图形的轮廓，描绘出相应的形状，并结合具体的物体比例，对建模的厚度进行确定。
3.5 场景光处理
在三维建模完成以后，根据考古中的具体应用，需要对建模物体进行光亮的处理，以此来提升建模场景的真实性。一般来说，在建模物体应用过程中，场景光包括局部光和整体光，所谓局部光就是通过明暗处理，突出局部的光亮，整体光则是对建模的整体进行光亮度的设计。
在局部光处理过程中，一般会采用多边形法向量，进行平均值的求取，在求取过程中，通过设置多个顶点，对顶点光照进行设计，一般包括I1、I2、I3三个顶点，求取Ia和Ib两个侧面的光照度，具体公式如下。
3.6 数据导入
在三维建模完成以后，需要将相应的数据导入到建模中，设定虚拟相机的路径，并且对光线跟踪进行初步的设定，再将生成的数据导入到VRML中，以此来形成虚拟现实的源文件，其后需要经过三个步骤。
3.7 添加背景色
在整個虚拟现实场景设置的过程中，需要在VRML源文件生成以后，进行背景色的设置，一般来说，整个背景色包括天空色和大地色两个部分，要根据具体的场景需求进行背景色的明确。一般来说，两部分背景色以地平线为分割界线，地平线垂直上方为天空色，下方为大地色。在整个VRML中，XOZ轴以上为天空色，XOZ轴以下为大地色，在对背景色确定以后，通过VRML进行渲染。
3.8 场景转换
由于虚拟现实场景的需求，需要在不同的结点上进行场景的转换，以营造出整个适应性的场景，如不同墓室的场景、探坑的场景等，提升观赏者的沉浸感。场景的切换需要锚链接的作用，在具体的制作过程中，要能够在每一个场景中进行锚链接的设置，能够在场景中切换到下一个场景，这就需要在VRML中进行不同视频影像资源的整合，以此来提升整体的场景转换效果。
3.9 添加背景解说词
背景解说词也是提升沉浸感的主要方式，在VRML中可以通过生源和声音发射器进行背景解说词的设置，通过Sound节点创建声音的发射器，根据不同场景中的差异，进行不同生源位置的确定，以下进行简单的声音解说词设置：
4 结语
总而言之，虚拟现实三维动画技术对于考古工作的推动作用是强大的。文物遗存一经开发就无法恢复，在过往的文物发掘中，由于设备简陋和手段落后，无形中破坏了许多文物遗迹。而在考古发掘工作结束之后，又全凭人力来进行整理、研究，难免有缺漏的地方，这些现实存在的缺点给考古工作造成了困难。加之，传统的考古发掘工作在文物保护工作方面存在失职的情况，很多珍贵的研究资料被破坏。而对信息技术的应用是解决这些问题的有效途径，虚拟现实技术可以在文物勘测、文物保护、遗址复原遗迹文物的三维重建等方面能够起到很好的效果。
参考文献
[1] 员巍.虚拟现实技术在文物遗产保护中的应用分析[J].智库时代，2019（30）：270-271.
[2] 吴怡，朱晓汀，林留根，等.多时相三维激光扫描技术在考古发掘过程中的应用——以江苏孔塘遗址为例[J].东南文化，2018（1）：88-92，2，129.
[3] 缪雪燕. 田野考古数字化实践与思考[D].郑州大学，2017.
[4] 牛世山，唐际根.GIS与VR技术在考古和文化遗产领域的应用探索[J].三代考古，2015（2）：486-494.
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