虚拟现实技术在世界文化遗产保护中的应用_以秦始皇陵为例

外向内依次为精细夯土墙、石质宫墙、墓室。精细夯土墙（俗称宫墙）
东西长170m，内墙长145m，南北宽145m，内墙宽125m。石质宫墙底
部位于海拔455m处，东西长145m，南北宽125m，厚8m，高14m。石质
宫墙正上方相同位置处为细夯土墙，高3 0m 。墓室底部位于海拔
460m处，东西长80m，南北宽50m，高15m。物探的结果显示，东侧墓
图 1 虚拟秦陵设计技术路线图
而分流部分客流，减轻景区景点的接待压力，缓解过度开发带来的 破坏，有利于旅游业的可持续发展。
二是由旅游资源的不可再生性决定的。旅游资源遭到破坏后无 法恢复原貌，加之现有的保护技术有限，无法阻止部分旅游资源由 于非人为原因导致的消亡。因此，迫切需要一种保留这些珍贵遗产 的方法，虚拟现实技术则可将其数据化后在存储介质上永久保存， 为子孙后代留下一笔丰厚的财富。
天，其星箕、斗、牵牛；北方曰玄天，其星婺女、虚危、营室；西北曰幽
天，其星东壁、奎、娄；西方曰颢天，其星胃、昴、毕；西南曰朱天，其星
觜巂 、参、东井；南方曰炎天，其星舆鬼、柳、七星；东南曰阳天，其星
张、翼、珍。”另外，二十八宿的布局应纳入与之相配的四象：东方青
龙、西方白虎、南方朱雀和北方玄武“。下具地理”则应该指统一后秦
下铜而致椁，宫观百官奇器珍怪徙臧满之。令匠作机弩矢，有所穿近
者辄射之。以水银为百川江河大海，机相灌输，上具天文，下具地理。
以人鱼膏为烛，度不灭者久之”。由于司马迁父亲司马谈为汉朝太史
令，有机会接触被汉王朝占为己有的秦朝帝陵的建筑施工图纸，能
够得知地宫内部构成的细节，司马迁继承其父的遗志著《史记》，因
迹的兵马俑的发掘，秦陵的考古热潮在世界范围内被掀起，作为整
现已探明，帝陵陵园布局以封土为中心，封土整体呈覆斗形（四
个陵区核心的地宫激发了人们更大的探索欲望，海内外对秦陵发掘 方锥形），由三层方形夯土台累叠而成，每层又由三级夯土台构成，
的呼声也日益高涨，遗憾的是目前的技术还不具备大规模发掘的条 台壁都向内斜收，自底至顶（见图2）。现最底层台南北长355m，东西
道的宽度为57m，西侧墓道的宽度为52m，按一定坡度向墓室延伸[4]
（见图3、4）。
2002年和1981年两次物探测量均发现在封土堆中部存在高汞
异常现象，这印证了《史记》中“以水银为百川江河大海，机相灌输”
的说法。虚拟地宫中的水银主要分布在东南、西南分别对应我国渤
海、黄海的分布位置。考虑到秦始皇到过渤海湾，还可能将渤海纳入
件。
宽345m。顶层台内侧东西长124m，南北宽107m；外侧东西长168m，
由于秦陵尚未发掘，其虚拟设计的根据只能源于史料记载和考 南北宽142m；南墙顶宽16m，北墙顶宽19m，东西墙顶宽22m。整个
古学界既有成果。自1974年秦陵兵马俑发现以来，引起了对秦陵的 九级台阶式墙状夯土台高55m。由于台级众多，各级台特别是底层
关键词：秦陵地宫 虚拟现实 三维重建 虚拟保护
中图分类号：G1 1 2
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1007-9416(2012)06-0089-03
1 、引言 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）又称灵境技术，是利
用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到 该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。[1]该技术通 过结合计算机图形学、多媒体技术、显示技术、仿真技术、人工智能、 人机交互技术、多传感器技术、网络并行处理等技术，营造出逼真的 环境，使用户沉浸其中。用户可以使用语言、行为等自然方式对虚拟 环境中的各种对象进行操作，从视觉、听觉、触觉等多感官途径获得 反馈，这种实时交互的过程就如同在现实世界中一样真实。作为一 门崭新的综合型新技术，VR已经被应用到多种学科领域，其在旅游 业中的应用将成为传统旅游方式的有力补充，具有广阔的发展空 间。
return 0;
// 主函数退出，执行创建后的任务
}
两个测试任务通过RS232串口打印调试信息，之后进入休眠
态。其中Test1任务休眠间隔为1S，Test1任务休眠间隔为2S。
/* 测试任务1 */
static void App_TaskTest1(void *parg)
{
tprintf("task test1 begin running\r\n");
while(1)
{
OSTimeDly(100);
// 休眠1（s 系统tick周期10ms）
2 、技术准备
随着计算机技术和的高速发展，虚拟旅游系统的开发方法越来 越多，按照原理的不同可分为如下四类：三维全景、VRML/X3D语 言、编程方法（如OpenGl、DirectX、Java3D、XML）、Web3D商业软 件（如Viewpoint、3DML）[2]。这些方法特点不同，各有利弊。
VRML是虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，是一种用于创建三维造型和渲染的图形描述语 言。它将二维、三维图形和动画、音频、视频等多种效果融合在一起， 使信息能够在一个具有空间感和实时感的三维空间中被表达出来。 同时，它提供灵活有效的人机交互功能，使虚拟世界的真实性和交 互性得到更充分的体现。VRML的访问方式为客户端/服务器模式， 服务器将客户端请求的VRML文件通过因特网传输，在客户端解释 执行，生成三维场景。这种工作流程与以图片文件为主的三维全景 模式相比，大大减少了传输的数据量和交互的延迟时间，因而提高 了显示速度，增强了实时交互性。VRML是开发网络虚拟旅游系统 的最佳选择，且VRML具有很强的拓展性，诸如ArcGIS、3DSMAX、 Maya等三维软件都能将文件转化为VRML格式，为VRML文件的 创建提供多种途径。
考古热潮，几十年来针对秦陵的考古活动一直在进行。初期多使用 台的准确数据不详，在总体量已知的情况下可以按照秦汉时期台建
“洛阳铲”等简易的工具，取得了一定成果，如探明土壤结构并发现 筑的建制确定各级台的比例。
了城垣遗址。而后随着现代科技的发展，越来越多的技术、方法被应
地宫位于封土堆中部下方，开挖范围主体和墓室均呈矩形，由
虚拟秦陵由两部分构成：地上的封土和地下的地宫。对于纹理 性不规则性较强的地面模型和周边环境使用ArcGIS建模相对于 V R M L 则会 方 便很 多 ；对 于 封土 和 地宫 等 形状 规 整的 对 象， 3 DS M A X 则无疑是最优的建模工具，本文中综合使用V R ML 、 ArcGIS和3DSMAX为主要工具实现地宫的三维重现，具体流程见 图1。
3 、地宫布局分析
秦始皇陵是中国历史上第一个皇帝嬴政（公元前259年～公元
前210年）的陵墓，位于中国北部陕西省临潼县城东5公里处的骊山
北麓。秦始皇陵是世界上规模最大、结构最奇特、内涵最丰富的帝王
陵墓之一。鉴于其深厚的文化价值与重要的艺术价值，已于1987年
被列入世界文化遗产名录。
司马迁在《史记·秦始皇本纪》中对秦始皇陵描述道“：穿三泉，
建模完成后，从ArcGIS和3DSMAX导出的VRML文件须经过 数据分离、优化、融合的三个过程。(1)数据分离。由于导出的VRML 文件中，所有的地类只有一个节点，不能反映数据间的层次关系和 要素的独立性，不便于实现后续的浏览、显示、查询等功能，因而需 要对其进行分离。导出的VRML文件按图层各自独立创建，故不同 图层数据的分离只需要添加名称、稍作处理以区分开即可。对于同 一图层的数据的分离比较复杂，通常采用的做法是将表示同一类地 物的各个对象逐一导出为VRML文件，再进行合并。(2)文件优化。为
虚拟现实技术现已逐渐被应用于旅游业的方方面面，如通过全 景照片虚拟现实技术实现三维全景漫游，再现即将消亡或是己经不 存在的旅游景观，保护并展示珍贵的文化遗产，辅助旅游项目规划 等等。目前国内已经有多处世界遗产已经借助虚拟现实技术全部或 部分完成了三维虚拟化，如虚拟故宫、虚拟华山等。本文拟为充满神 秘色彩秦始皇陵地宫实现三维重现提出一套概念化的设计方法，促 进地宫保护工作和未来开发。
此在书中对地宫的描述就极具真实性。考古发现秦陵土壤含汞量异
常，这也应证了“以水银为百川江河大海”的记载。史学家班固在《汉
书》中记载项羽掘墓、牧童焚陵，这种说法现已被证明有误。历史上
秦陵所在的关中地区曾遭遇八级地震，从目前的探测结果来看，地
宫主体并未坍塌，主体部分仍然完好无损。随着有着世界第八大奇
图 4 秦始皇陵地宫平面图（单位：米）
用到考古领域，取得了很多突破性的进展。特别是，2002年以秦陵为 对象的遥感与物探综合项目被列入国家863计划，大规模使用考古 遥感探测技术和考古地球物理探测技术对秦陵布局进行了深入探 测，验证了地宫的存在并明确了地宫位置及内部构造的细节，为地 宫的三维重现提供了准确详实的资料[4]。这些科学宝贵的探测资料 是利用虚拟技术构建三维重现的基础框架，除此之外还应对掌握的 资料进行细致的分类整理，甄别其中的真伪，必要的地方要进行实 地的考察和合理的推测。
自己的陵寝。
秦代的天文知识水平较高，故墓室的顶部应当有比较准确的天
图 2 秦始皇陵封土效果图
文星宿图像“，上具天文”指的是在墓室的顶部模拟日月星辰的天文 星象。我们可以推测秦始皇陵地宫主宫室顶部正中应有北斗星，围
绕斗星一周应有太阳、月亮和《吕氏春秋·有始览》中的二十八宿：
“中央曰钧天，其星角、亢、氐；东方曰苍天，其星房、心、尾；东北曰变
(INT8U
) TASK_TEST2_PRIO,
(INT16U
) TASK_TEST2_PRIO,
(OS_STK *)&AppTaskTest1Stk[0],
(INT32U ) TASK_TEST2_STK_SIZE,
(void
*) 0,
(INT16U ) 0);
OSStart(); // 启动多任务机制，两个任务开始执行
国的地理概貌和行政区划，即三十六郡的位置[5]。
4 、结语
图 3 秦始皇陵地宫透视图
本文以虚拟现实为技术基础，分析了再现秦陵的主要方法、技
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数字技术 与应用
应用研究
(void
*) 0,
(OS_STK
*)&AppTaskTest2Stk
[TASK_TEST2_STK_SIZE - 1],
数字技术 与应用
应用研究
虚拟现实技术在世界文化遗产保护中的应用
——以秦始皇陵为例
王航宇 黎婷 王计平 (华东理工大学艺术设计Hale Waihona Puke Baidu传媒学院 上海 200237)
摘要：本文以ArcGIS和3DSMAX为主要工具对秦始皇陵虚拟景观的实现提出一套概念化设计方案，并兼顾关键技术和方法。鉴于地宫目前
尚不可正式发掘，此方案一旦实现将会使旅游者对地宫的认知具象化，满足广大旅游者的探秘需求。
VR技术应用与广泛应用于旅游资源保护的原因有二： 一是由部分景区景点严重超载的原因决定的。随着我国国民可 支配收入持续增长，民众的旅游需求高涨，旅游消费需求呈现快速 增长之势。以2011年“十一”黄金周期间为例，全国共接待游客3.02 亿人次，比上年同期增长18.8%；实现旅游收入1458亿元，比上年同 期增长25.1%。旅游业的井喷式发展必将加速优质旅游资源尤其是 文化遗产的消亡速度，以至于造成无法挽回的损失。这些稀缺旅游 资源需要“韬光养晦”“、休养生息”。虚拟游览能够在不进入旅游资 源所在地的情况下部分或者全部满足旅游者的需求。其浏览过程及 时间不受限制，观察的角度也不受限制，可以更换多个观察点，又可 以像动画一样制定既定路线游览，使用户能根据他们的意愿探索整 个环境，选择自己个性化的体验，满足自身游览和审美的需求[1]，从
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应用研究
数字技术 与应用
了让VRML文件能满足于网络快速传输和处理的需要，要求在保持 文件完整性的基础上尽量压缩数据量，简化语言结构。这里用到的 关键技术 有：对 象重用 、节点 建模、内联节 点及纹 理贴图 。去除 VRML文件中不必要的空格、回车符也可明显减少文件大小，且不 对原文件的调用造成任何影响。(3)模型融合。对于用A rcGIS 和 3DSMAX两种工具建模完成后导出的VRML文件，本文采用Anchor节点建立彼此之间的双向链接，在用户的操作下，可以快速地 实现两种模型的跳转，适应于网络应用[3]。