古籍文献三维数字模型库系统的与设计

摘 要 ：利用信息技术进行文献数字化保护是保存与利用民族文献遗产的重要手段.本文以虚拟现实技术为基础,结合图书馆的古籍文献特点及应用情况,构建古籍文献三维数字模型库系统,并对该系统的优势,及实现该系统所涉及的关键技术作以探讨.该方法为古籍文献保存和利用提供了新的思路.

关 键 词 ：古籍文献 三维数字模型库 虚拟现实

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0071-02

国家图书馆古籍书库文献丰富,有很高的文化价值和历史内涵,为研究人类文明和科技发展提供了可靠的历史凭证.古籍文献实现文化的传承、积累,对于人类文明的发展有重要的意义.传统的文献保管要考虑文献制成的材质耐久性,及温度、湿度、大气污染,有害光线、微生物、昆虫等外界条件对文献的损毁.据有关专家测算,善本古籍手工阅读一次,其寿命将减少30年左右.文献保护与开发利用之间的矛盾也日益突出,从文献保护的角度而言,“少看”仍然是最佳的方式.古籍数字化作为保护与传承珍贵古籍的重要手段之一,可以真实清晰地反映古籍原貌[1].尤其是当进入数字虚拟时代,数字时代的新技术“虚拟现实”是文物保护和展示技术之一.虚拟现实（Virtual Reality）是目前国内外科技界关注的一大热点,虚拟现实技术是一种综合应用各种技术构造逼真的人工模拟环境,并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知行为的高级人机交互技术,具有多感知性、沉浸性、交互性和想象力的特征,其中三维立体成像与交互性的配合是它相较于传统的数字影音、网站等信息传递平台的最大优势[2].将古籍文献仿真地建立在计算机中,构建古籍数字模型库,无论是艺术欣赏还是研究分析都可通过互联网从数字模型库中调用资源.数字模型还可以为文物考古、历史研究提供重要参考.目前“虚拟现实”技术正朝着更加强调参与性和体验感的层面发展,综合了音频、视频和逐步解说向导,在保护文物的同时为使用者提供一种全新的体验,故而,研究通过建立数字模型库系统对古籍文献进行保护的方法对古籍文献数字化保护具有重要意义,同时对各类的古籍数字化保护也具有借鉴意义.

1.建立数字化模型库之优势分析

古籍文献资源库建设是古籍保护与利用工作的方向[3].对古籍进行数字化建模,通过将大量的图片、文字信息和三维模型（3D model）等数字化资料汇集存储,建立数字模型库,生成一个文献档案,既实现了文献资源共享、提高了文献利用率,又利于文献内容的优化保存.带有三维信息的模型库在一定程度上再现了文物的原貌,利于启发和扩展学者研究的广度与深度.

1.1 数字模型库利于在互联网时代信息资源共享

建立图书馆古籍文献数字模型库,将会使文献信息在互联网平台上大大提高利用率,提高人们对古籍文献的认知程度.以网络技术为平台,以浏览器-怎么写作器（B/S）结构构建系统,不同的应用系统可以通过接口调用数字模型库中的资源,如图1所示.结合虚拟现实技术建立三维场景虚拟漫游系统虚拟展馆,让用户身临其境的再博物馆中欣赏古籍；用网页制作软件及JSP技术制作动态可交互的三维模型网站；通过特定的网络用户界面调用数字模型库中的资源,可以让进入的用户方便快速的访问到所要展示的三维古籍,利用鼠标和键盘等简单的设备就可以完成古籍全方位的浏览,对三维模型的旋转、平移、放大、及缩小等实时交互操作.古籍数字模型库可以广泛长期反复利用,互联网中已建立的B/S结构的文物遗产系统可以再扩展,将三维古籍文献添加进来,用网页链接加载资源包这种简单的方式把图书馆3D文献资源展示出来.数字模型库加大了信息资源的共享程度,更好的体现了珍稀古代文献的价值.

1.2 数字模型库提高了古籍文献利用率

检索文献显示三维模型提供更多的有效信息,方便研究者的引用,三维模型极大地启发和扩展其研究的广度与深度.对甲骨建立三维模型还原原型将弥补拓片不足,更清晰展现甲骨文信息方便学者研究和临摹书写.用户检索文献后先获取简单的文字信息,确定使用后,点击相关链接从数字模型库中调用该文献的虚拟三维仿真页面,用户可以交互性的360度观看甲骨文文献,以及放大视角仔细观察,将长期被束之高阁的珍稀古籍更好的展现,大大的方便了读者的研究工作,提高了古籍文献的利用率.

2.数字化模型库的实现方法

2.1 三维建模

模型是三维模型库系统的基础,三维建模是涉及摄影测量与遥感、计算机视觉、计算机图形学和模式识别等领域的一个热点问题[4].目前三维模型按细度区分有如下方法.

（1）适于数据分析的高精度模型.通过三维扫描仪来获取物体所有数据信息.测绘遥感技术,以毫米的精度虚拟在电脑里,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室李德仁院士在数字敦煌项目中谈到“进入上世纪90年代后,我们测绘的精度大大提高,达到毫米级甚至微米级,这才为数字考古奠定了基础.” 为了实现精确目标,研究人员在前期必须运用大量测绘方法,如通过控制测量的方法,提供一个绝对坐标,将物体放在合适的位置；通过多目立体测量的方法,用两台以上的相机对实物进行拍摄；通过激光扫描的方法,采集目标表面的信息等.制作时具体工作分为三步：首先是利用激光扫描技术,将文物结构的位置数据测定,然后将数据进行整理组合,组建成三维模型,要求精细的测绘技术,处理海量的数字信息.保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源,实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存.

（2）适于艺术赏析的中低精度模型.考虑到计算机系统资源的限制,为了保持操作的流畅性,三维场景虚拟漫游系统中三维虚拟场景的模型使用简模或者中模.可以有两种方法,一种是在文献原型上采集多方位的照片,建模人员按参照物比例手工建模,主要是由视觉感官来建立视觉建模的方案.三维模型的制作主要采用三维模型制作软件来完成,现有的三维设计软件较多,常用的有AutoCAD、3Dax、MAYA等.另一种方法是在二维高清图片上进行处理,将图片生成黑白灰度图片,通过代码自动生成具有高度差的空间三维雏形,再经过补充和修改生成目标模型. 2.2 三维模型添加材质和纹理贴图

建立好模型后,需要实现三维模型（3D model）到纹理模型（Textured model）的转换工作,即纹理映射工作,通过融合技术、纹理拼接、各向同性、纹理捆绑等技术来实现[5].首先,在模型表面利用纹理贴图产生图像逼真效果.其次,通过材质模仿现实中物体表面对光源的反射和传播,表现出物理材质特性.

材质和纹理贴图结合后可以制作如水面、镜子、玻璃、钢铁等等效果,结合虚拟现实技术表现出物体的真实性.制作纹理贴图,应以实际拍摄图片为基础,纹理贴图通常调整为2的幂次方大小,该方法运算的过程中计算速度最快,也就是渲染时最快捷的方式.使用带有通道贴图的格式文件,可以直接使用alpha透明贴图通道结合Refraction折射效果表现出通过透明或半透明物体所看到的景象,制作出透明或半透明反光材质.给三维模型添加材质和纹理贴图是表现效果是否逼真的关键步骤.

3.数字模型库系统中虚拟展现采用的关键技术

在数字模型库的基础上,需要进一步通过图像渲染、碰撞检测等关键技术来实现古籍文献三维数字模型库系统.其中,虚拟漫游系统使用Web3D实现网络上的虚拟现实展示,通过GUI界面和鼠标键盘实现参与者与古籍仿真环境相互作用,借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,帮助启发参与者的思维,以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息.一般情况下由以下几个关键技术及模块来实现.

3.1 图像渲染引擎模块

显卡是物理基础,在显卡之上是各种图形API函数,主流的是DirectX和OpenGL.图像引擎是建立在这种API之上,控制着实现不同的效果.而在引擎之上,则是引擎开发商提供给开发者的SDK开发套件,这样程序员和美工就可以利用SDK建立画面效果.目前主流图像引擎模块都支持凹凸贴图（Bump mapping）,反射贴图（Reflection mapping）,动态阴影效果,实时图形化界面,Shader代码的动态合成,地形系统.当把材质贴图赋予模型完成贴图模型之后,相当于为骨骼蒙上皮肤,最后再通过渲染引擎把模型、动画、光影、特效等所有效果实时计算出来并展示在屏幕上.

3.2 碰撞检测模块

碰撞检测是计算机图形学和虚拟现实中最基本且非常重要的组成部分.碰撞检测（Collision Detection）返回两个或多个物体是否发生碰撞的布尔判断,然后找到物体之间的实际相交位置,针对两个物体之间的碰撞决定采取何种操作,当发生接触时,运动可以停止不前或平滑移动到其它位置.主要是应用于检测摄像机或角色人物模型同三维虚拟场景中的其它模型,如地形、建筑物、绿植等各种物体模型是否接触的情况.在某些应用中,可能希望检测物体与环境之间的距离来判断做出新的动作指令.

3.3 声音特效控制模块

人能够很好地判定声源的方向.声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同,在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向.常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感.声效控制模块主要是来触发三维虚拟场景中是否出现声音和声音的强弱、声道以及远近等,其作用是来模拟真实自然环境中的声音效果,如控制摄像机或者角色人物接近虚拟物体时,会触发控制事件从而声音随着距离的接近声音会逐渐变强,反之则声音又逐渐减弱,声效模块同样加强了使用者的沉浸感.配上解说还可以让一些抽象的解说变得浅显易懂.

3.4 物理系统模块

由于物体与物体之间的动力学特性,物体的运动遵循固定的规律.运动物体具有密度、质量、速度、加速度、旋转角速度、冲量等各种现实的物理动力学属性,在发生碰撞、摩擦、受力的运动模拟中,不同的动力学属性能得到不同的运动效果.例如,当角色跳起的时候,系统内定的重力值将决定他能跳多高,以及他下落的速度有多快,的飞行轨迹、车辆的颠簸方式也都是由物理系统决定的.

3.5 粒子系统模块

粒子系统设计是利用粒子自动机的方法描述粒子的运动,粒子特效模块主要是在三维虚拟场景中用来模拟和控制各种天气状况,如雨、雪、雾等.它能够更为真实的反应出场景的环境效果,使其更加逼真可信.

3.6 动画功能模块

目前所采用的动画系统可以分为两种：一是骨骼动画系统,一是模型动画系统,前者用内置的骨骼带动物体产生运动,比较常见,后者则是在模型的基础上直接进行变形.例如,拆卸和组装的动作,可以用动画帧的方式播放.

3.7 GUI背景与系统控制模块

GUI来制作浏览界面、漫游模式、按钮、滚动条、对话框等对象,沟通程序的时间回调机制将最终用户在GUI窗口中执行的操作,比如鼠标按钮触发等送到应用系统中去,应用系统在得到这些消息和事件后可以根据自己的系统需要做灵活处理.利用GUI控制漫游模式,实现不同视点和不同的运动方式的切换,它是整个系统的集成,用于控制系统功能的主程序.

4.结语

论文将数字技术和文献保护两者结合起来构建三维数字模型库,该模型库能推动学术研究,有利于文献遗产的数字化保护,有利于建设图书馆数字化和知识化怎么写作平台,对图书馆的资源建设与知识怎么写作有积极的促进作用.随着数字技术的不断发展,虚拟现实技术也将随着网络时代宽带大规模应用的到来得到更高的突破,古籍文献三维模型的建立会更快捷和精准,古籍文献三维数字模型库将得到更广阔的应用.