1、古籍(gj)文獻(xiàn)(wnxin)三維數(shù)字(shz)模型庫系統(tǒng)的研究與設(shè)計薛堯予 蕭琛（國家圖書館 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)實技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖書館的古籍文獻(xiàn)特點(diǎn)及應(yīng)用情況，構(gòu)建古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的優(yōu)勢，及實現(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 虛擬現(xiàn)實引言：國家圖書館古籍書庫文獻(xiàn)豐富，有很高的文化價值和歷史內(nèi)涵，為研究人類文明和科技發(fā)展提供了可靠的歷史憑證。古籍文獻(xiàn)實現(xiàn)文化的傳承、積累，對于人類文明的發(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、昆蟲等外界條件對文獻(xiàn)的損毀。據(jù)有關(guān)專家測算，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，可以真實清晰地反映古籍原貌1。尤其是當(dāng)進(jìn)入數(shù)字虛擬時代，數(shù)字時代的新技術(shù)“虛擬現(xiàn)實”是文物保護(hù)和展示技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)是目前國內(nèi)外科技界關(guān)注的一大熱點(diǎn),虛擬現(xiàn)實技術(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)站等信息傳遞平臺的最大優(yōu)勢2。將古籍文獻(xiàn)仿真地建立在計算機(jī)中，構(gòu)建古籍?dāng)?shù)字模型庫，無論是藝術(shù)欣賞還是研究分析都可通過互聯(lián)網(wǎng)從數(shù)字模型庫中調(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”技術(shù)正朝著更加強(qiáng)調(diào)參與性和體驗感的層面發(fā)展，綜合了音頻、視頻和逐步解說向?qū)В诒Ｗo(hù)文物的同時為使用者提供一種全新的體驗，故而，研究通過建立數(shù)字模型庫系統(tǒng)對古籍文獻(xiàn)進(jìn)行保護(hù)的方法對古籍文獻(xiàn)數(shù)字化保護(hù)具有重要意義，同時對各類的古籍?dāng)?shù)字化保護(hù)也具有借鑒意義。 一建立(jinl)數(shù)字化

4、模型庫之優(yōu)勢(yush)分析古籍文獻(xiàn)資源庫建設(shè)是古籍保護(hù)與利用(lyng)工作的方向3。對古籍進(jìn)行數(shù)字化建模，通過將大量的圖片、文字信息和三維模型（3D model）等數(shù)字化資料匯集存儲，建立數(shù)字模型庫，生成一個文獻(xiàn)檔案，既實現(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)模型庫利于(ly)在互聯(lián)網(wǎng)時代(shdi)信息資源共享建立圖書館古籍文獻(xiàn)數(shù)字模型庫，將會使文獻(xiàn)信息在互聯(lián)網(wǎng)平臺上大大提高利用率，提高人們對古籍文獻(xiàn)的認(rèn)知程度。以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為平臺，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)可以通過接口調(diào)用數(shù)字模型庫中的資源，如圖1所示。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立三維場景虛擬漫游系統(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)頁制作軟件及JSP 技術(shù)制作動態(tài)可交互的三維模型網(wǎng)站；通過特定的網(wǎng)絡(luò)用戶界面調(diào)用數(shù)字模型庫中的資源，可以讓進(jìn)入的用戶方便快速的訪問到所要展示的三維古籍，利用鼠標(biāo)和鍵盤等簡單的設(shè)備就可以完成古籍全方位的瀏覽，對三維模型的旋轉(zhuǎn)、平移、放大、及縮小等實時交互操作。古籍?dāng)?shù)字模型庫可以廣泛長期反復(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，用網(wǎng)頁鏈接加載資源包這種簡單的方式把圖書館3D文獻(xiàn)資源展示出來。數(shù)

6、字模型庫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)的價值。圖1 系統(tǒng)(xtng)總體結(jié)構(gòu)1.2 數(shù)字模型庫提高(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)者研究和臨摹書寫。用戶檢索文獻(xiàn)后先獲取簡單的文字信息，確定使用后，點(diǎn)擊相關(guān)鏈接從數(shù)字模型庫中調(diào)用該文獻(xiàn)的虛擬三維仿真頁面，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)化模型庫的實現(xiàn)(shxin)方法2.1 三維建模模型(mxng)是三維模型庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，三維建模是涉及攝影測量與遙感、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)和模式識別等領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題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三維掃描儀來獲取物體所有數(shù)據(jù)信息。測繪遙感技術(shù)，以毫米的精度虛擬在電腦里，武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實驗室李德仁院士在數(shù)字敦煌項目中談到“進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，我們測繪的精度大大提高，達(dá)到毫米級甚至微米級，這才為數(shù)字考古奠定了基礎(chǔ)。” 為了實現(xiàn)精確目標(biāo)，研究人員在前期必須運(yùn)用大量測繪方法，如通過控制測量的方法，提供一個絕對坐標(biāo)，

8、將物體放在合適的位置；通過多目立體測量的方法，用兩臺以上的相機(jī)對實物進(jìn)行拍攝；通過激光掃描的方法，采集目標(biāo)表面的信息等。制作時具體工作分為三步：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)的測繪技術(shù)，處理海量的數(shù)字信息。保存文物原有的各項型式數(shù)據(jù)和空間關(guān)系等重要資源，實現(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)到計算機(jī)系統(tǒng)資源的限制，為了保持操作的流暢性，三維場景虛擬漫游系統(tǒng)中三維虛擬場景的模型使用簡模或者中模。可以有兩種方法，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，主要是由視覺感官來建立視覺建模的方案。三維模型的制作主要采用三維模型制作軟件來完成，現(xiàn)有的三維設(shè)計軟件較多，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，通過代碼自動生成具有高度差的空間三維雛形，再經(jīng)過補(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，通過融合技術(shù)、紋理拼接、各向同性、紋理捆綁等技術(shù)來實現(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，通過材質(zhì)模仿現(xiàn)實中物體

10、表面對光源的反射和傳播，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)實技術(shù)表現(xiàn)出物體的真實性。制作紋理貼圖，應(yīng)以實際拍攝圖片為基礎(chǔ)，紋理貼圖通常調(diào)整為2的冪次方大小，該方法運(yùn)算的過程中計算速度最快，也就是渲染時最快捷的方式。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)字模型庫的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步

11、通過圖像渲染、碰撞檢測等關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫系統(tǒng)。其中，虛擬漫游系統(tǒng)使用Web3D實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的虛擬現(xiàn)實展示，通過GUI界面和鼠標(biāo)鍵盤實現(xiàn)參與者與古籍仿真環(huán)境相互作用，借助人本身對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關(guān)鍵技術(shù)及模塊來實現(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，控制著實現(xiàn)不同的效果。而在引擎之上，則是引擎開發(fā)商提供給開發(fā)者的SDK開發(fā)套件，這樣程序員和美工就可以利用SDK建立畫面效

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）, 動態(tài)陰影效果，實時圖形化界面，Shader代碼的動態(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，最后再通過渲染引擎把模型、動畫、光影、特效等所有效果實時計算出來并展示在屏幕上。3.2 碰撞檢測模塊(m kui)碰撞檢測是計算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實中最基本且非常(fichng)重要的組成部分。碰撞檢測(Collision Detection)返回(fnhu)兩個或多個物體是否發(fā)生碰撞的布爾判斷，然后找到物體之間的實際相交位置，針對兩個物體之間的碰撞決

13、定采取何種操作，當(dāng)發(fā)生接觸時， 運(yùn)動可以停止不前或平滑移動到其它位置。主要是應(yīng)用于檢測攝像機(jī)或角色人物模型同三維虛擬場景中的其它模型，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，可能希望檢測物體與環(huán)境之間的距離來判斷做出新的動作指令。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)度的差別來確定聲音的方向。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，所以會有一種方向感。聲效控制模塊主要是來觸發(fā)三維虛擬場景中是否出現(xiàn)聲音和聲音的強(qiáng)弱、聲道以及遠(yuǎn)近等，其作用是來模擬真實自然環(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，會觸發(fā)控制事件從而聲音隨著距離的接近聲音會逐漸變強(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。配上解說還可以讓一些抽象的解說變得淺顯易懂。3.4 物理(wl)系統(tǒng)模塊(m kui)由于(yuy)物體與物體之間的動力學(xué)特性，物體的運(yùn)動遵循固定的規(guī)律。運(yùn)動物體具有密度、質(zhì)量、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角速度、沖量等各種現(xiàn)實的物理動力學(xué)屬性，在發(fā)生碰撞、摩擦、受力的運(yùn)動模擬中，不同的動力學(xué)屬性能得到不同的運(yùn)動效果。例如，當(dāng)角色跳起的時候，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)計是利用粒子自動機(jī)的方法描述粒子的運(yùn)動，粒子特效模塊主要是在三維虛擬場景中用來模擬和控制各種天氣狀況，如雨、雪、霧等。它能夠更為真實的反應(yīng)出場景的環(huán)境效果，使其更加逼真可信。3.6 動畫功能模塊目前所采用的動畫系統(tǒng)可以分為兩種：一是骨骼動畫系統(tǒng)，一是模型動畫系統(tǒng)，前者用內(nèi)置的骨骼帶動物體產(chǎn)生運(yùn)動，比較常見，后者則是在模型的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行變形。例如，拆卸和組裝的動作，可以用動畫幀的方式播放。3.7 GUI背景(bijng)與系統(tǒng)控制模塊(m kui)GUI來制作(zhzu)瀏覽界面、漫游模式、按鈕、滾動條、對話框等對象，溝通程序的時間回調(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，實現(xiàn)不同視點(diǎn)和不同的運(yùn)動方式的切換，它是整個系統(tǒng)的集成，用于控制系統(tǒng)功能的主程序。四結(jié)束語論文將數(shù)字技術(shù)和文獻(xiàn)保護(hù)兩者結(jié)合起來構(gòu)建三維數(shù)字模型庫，該模型庫能推動學(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)圖書館數(shù)字化和知識化服務(wù)平臺，對圖書館的資源建設(shè)與知識服務(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)實技術(shù)也將隨著網(wǎng)絡(luò)時代寬帶大規(guī)模應(yīng)用的到來得到更高的突破，古籍文獻(xiàn)三維模型的建立會更快捷和精準(zhǔn)，古籍文獻(xiàn)三維數(shù)字模型庫將得到更廣闊的應(yīng)用。五參考

17、文獻(xiàn)1梁愛民,陳荔京,. 古籍?dāng)?shù)字化與共建共享J. 國家圖書館學(xué)刊,2012,(5).2李輝熠,鐘山,張立里,. 基于用戶體驗的旅游景點(diǎn)虛擬現(xiàn)實項目設(shè)計研究J. 數(shù)字技術(shù)(jsh)與應(yīng)用,2013,(3).3石梅,. 數(shù)字圖書館古籍文獻(xiàn)資源庫建設(shè)的思考J. 數(shù)字與縮微(su wi)影像,2012,(4). 4 王繼陽; 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=%