1.虚拟现实技术的概述和基本特征

    虚拟现实（Virtual Reality）简称VR，它采用以计算机技术为核心的多种技术手段，生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响。虚拟现实技术通过多种传感设备，模仿人的视觉、听觉、触觉和嗅觉，使用户沉浸在此环境中并能与此环境直接进行自然交互、在三维空间中进行构想，使人进入一种虚拟的环境，产生身临其境的感觉。

    虚拟世界是人类思维空间和实践空间的拓展与融合，它使人们不仅以静止的、单调的、无声的语言符号来抽象地表达和交流思维活动，而能用动态的、多彩的、有声的虚拟形象来直观地展示思维活动的全过程，使人类的思维活动与实践活动更紧密地结合在一起，虚拟世界的存在和发展，使人们因此获得与现实世界中相近的、相同的、甚至在现实世界中难以或无法获得的感受和体验，以便增加和完善人们对现实世界的认识，增强人们在现实世界中的实践能力。这也是人们创造出虚拟技术及虚拟世界的原因和目的。

    虚拟现实技术可主要分为两大类用途：一是医学、军事、科研和生产等用途。例如医生可以通过虚拟技术在虚拟人体中观察病人体内器官、组织的病变，对虚拟人体进行切除病变的虚拟手术操作试验，比利用活体进行试验更加安全、经济和方便，还可以减轻医生的心理压力。由于通过自动控制系统将虚拟世界与现实世界在信息上高度统一，可以保证手术结果准确无误。虚拟现实技术也为模拟军事训练提供了广阔的应用前景，如作战计划、战场准备、作战指挥、模拟飞行、虚拟战场，以及对新型武器的性能评估等方面，充分显示了虚拟现实技术在军事上的重要性，同时还起到了降低训练费用、确保人员安全和减低环境影响的作用。虚拟现实技术所创造的世界构成了人类新的知识源，扩大了人类的认识范围，拓展了人类的探索领域。人们利用虚拟现实技术进入虚拟的境外天体，建造居民生活的虚拟世界，通过虚拟的生产实践活动，为以后人类希望到达的天体构建对应的生存环境。美国航天局利用火星探路者航天器从火星上发回的数据，利用虚拟现实技术虚拟了一个逼真的火星环境，使研究人员对火星的地貌了如指掌，仿佛身临其境，对人类火星探索提供了真实的实践感觉。

    另一类技术应用是网络信息传播、商务和娱乐用途，人们可以通过头盔显示器、计算机屏幕、耳机、各种传感器和其它输入输出设备与虚拟世界进行信息传递和交流，相互产生影响和作用，甚至人类思维活动的随意性产物也能在虚拟世界里尽可能直观地表现出来。例如游客可以通过建立个性化的3D 虚拟化身，在3D的景区环境中直接试玩旅游景点，身临其境地查看仿真的景点信息，足不出户就能体验千姿百态的风景胜迹以及景点背后的传奇故事。景点管理人员或导游也可以在线主动推荐特色旅游景点，更好地推广旅游景点。同时，还可以通过这个平台，听取游客的建议及点评，更好规划与建设现实中的旅游景点。

    虚拟现实的最大特征是沉浸感，指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界。应用虚拟现实技术，将三维水底模型、正射影像和水下环境、珊瑚礁等三维立体模型融合在一起，再现水下景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的水下景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、浏览等一系列操作，满足数字技术由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展需要，为考古勘测、水下普查、重点发掘、水下安全作业、未来水下旅游等提供可视化空间地理信息服务。在一个二维屏幕上看三维的图像就如同从一个玻璃船底看下面的海水，这时感到自己还是在船上，处于三维环境的边缘，从它的边缘看这个世界的深处。而在一个立体的“屏幕”里看一个视觉世界就像是在潜水。用户可以进入到虚拟现实的多重感觉的世界中，就如同戴着潜水装置潜入到海底，沉浸在水下环境中，在礁石间穿行，听着鲸鱼的低鸣，捡起贝壳来仔细端详，与别的水下考古队员交谈，参与到水下考古探测当中。我们可以全方位地浸没在这个虚幻的世界中，在视觉上产生一种身临其境的感觉,

    虚拟现实的另一特征是交互性，用户能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流，可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等。同时，系统也可以向用户反馈信息，如：模拟水下考古发掘中的挖掘动作，用户会感觉到震颤，好像手在抖动。考古工作船经过不平的海面时，船体会颠簸。在虚拟现实中，视觉无疑是最主要和最常用的交互手段。因为观察点是在观察者的眼睛上，这样，观察者就可以得到与在真实世界中同样的感受。随着图像的变化，再配以适当的音响效果，就可以使人们有身临其境的感受。人们也可以通过具有触觉功能的交互手段，也就是具有"力反馈"功能的装置，来触摸虚拟模型，或直接对虚拟模型进行操作。它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）作出响应。比如拿起一虚拟的探铲仿佛可以挖掘，用虚拟的手感触到虚拟物体存在。用户不仅可以显示和观察水下考古数据，而且可以与虚拟的水下考古遗址和文物进行交互，具有从外到内或从内到外观察和操纵考古数据空间的特征。比如用手（通过传感器或跟踪装置）或其他三维工具来操纵模型、感知虚拟对象的触觉乃至气息，从而感受文化层的硬度或者陶器、瓷器、青铜器等的质感等等。这样，水下考古学家可以充分地利用考古数据，从不同的角度使用不同的方式来研究水下考古的各种问题，提高效率，节省时间。非考古专业的人士则可以非常直观地感知考古研究的内容，领略水下考古所揭示的古代社会的“真实”面貌，走进视听触味效果十分逼真的虚拟考古世界，真正体验身临其境的感觉。 

    虚拟现实还有一个构想或者刺激的特征，是指虚拟环境可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而深化概念并萌发新意。虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它借助虚拟现实技术，使抽象概念具体化到一定程度，以夸大的形式反映了设计者的思想，最大限度发挥人类的创造性和想象力。网络世界在为人们提供现实中完全没有原型的东西时，也为人类敞开了一个未来的生活境界，今天的虚拟世界可能就是明天的真实世界。

    正是由于虚拟现实技术的上述特性，如果能在水下考古的不同领域广泛应用，可以大大开阔研究人员的视野，提高水下考古研究的质量，降低成本与风险，加快实施进度，加强各相关部门对于水下考古的认知、了解和管理，从而带来巨大的经济效益。

2.虚拟现实的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：

    （1) 动态环境建模技术

    虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。将虚拟现实技术与智能技术、语音识别技术结合起来，对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价，将基本模型用对象表示出来，并逻辑地将各种基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型。在各种模型形成后进行评价并给出结果，并由人直接通过语言来进行编辑和确认。

    (2)实时三维图形生成技术

    三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是实现“实时”生成。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。从标准草图和标准的系统(传感器) 的数据中能够自动生成模型, 而不必通过其他的辅助工具或是编程来构造模型。从如照片或是效果图中可以自动为虚拟世界中的物体生成颜色, 自动调解灰度和饱和度, 而不必让人工完成这一繁重的体力劳动。其他的方式还有卫星遥感和三维激光雷达等。随着自动目标识别和三维重建技术的发展, 通过摄像机摄取的图像, 自动建立模型的技术已经逐渐走向市场化。

    (3) 立体显示和传感器技术

    虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。对于仿真模型，有两种与之交互的方法：模型引发交互和用户引发交互，前者是模型通过文字、声音、图像等媒介敦促用户作出反应，如仿真模型要求用户确定某一参数值，或对多种可行方案作一抉择。用户引发交互是用户通过键盘、鼠标等装置主动与模型进行的交互，这种方法允许用户在改变模型参数值后，使模型继续运行。新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。观察虚拟世界的工具, 例如装有立体眼镜的头盔能够有广泛的自由度, 这样观察者才不会受到限制.

    (4)应用系统开发工具

    虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点，在水下考古也很有应用价值，例如，水下考古遗址的参与方分布在不同区域，分布式虚拟现实训练环境不需要在各单位重建仿真系统，这样不仅减少了研制费与设备费用，而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。

    (5)系统集成技术

    由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。  

3.虚拟现实技术在水下考古的应用前景

    虚拟现实技术的应用主要是在给定的环境条件下构建相应的数字模型以及场景，利用数据接收、转换模型编辑器、生成器，接收各种常见的三维描述数据、计算机文件，并将其转换为数字模型驱动引擎（三维引擎）可以使用的数据，建立数据接收、转换编辑器、数字模型驱动引擎和综合浏览平台。下面简单介绍一下虚拟现实技术在水下考古工作中的应用前景。

（1）虚拟现实与水下考古的三维记录

    利用虚拟现实技术可以在水下考古现场进行以点面相结合的数据采集，使用全站仪等设备实现水下探方平面图及遗迹平剖面图的一体测绘，逐点进行测量，获取三维坐标，再将数据传输到电脑上，编辑成图，获取逐点或逐面采集的空间坐标及其属性。然后通过航拍和数码摄像来获取面方面的数据信息。之后可以对考古材料进行整理，构建地层、地形、图形库、材质库；其次是抽取遗迹、出土物的形态数据，生成对象的数字模型，并对数据进行压缩处理；组合三维模型群和其他数据集合（文字、音视频数据等），按照贴近实际的效果完成表面渲染，确定灯光、范围、方位、运动模式等场景数据；最后在浏览器中，利用三维引擎展示所复原构建的遗址场景。

（2）虚拟现实与水下考古的三维重现

    虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成的，可以按照考古发掘项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对发掘对象和过程进行真实的再现。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的问题和缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾,大大提高了水下考古发掘的评估质量。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境) ，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。利用虚拟现实技术还可以重建一些水下历史文化遗址。不仅可以根据残缺部件进行遗址遗物的“修复”仿真，还可以利用计算机技术结合空间信息数据对古代水下遗址进行虚拟恢复，再现了古代的城市布局景象。同时也可对水下古迹进行虚拟现实仿真，为文物部门提供宝贵的数字化资料。   

（3）虚拟现实与水下考古的三维传播

    虚拟现实在水下考古遗址的三维复原方面可以帮助学术研究的深入以及历史遗存的数字保护以及水下考古的推广。媒体单纯的文字叙述已经不能吸引人的眼球，现场录像也不能还原历史演变过程。基于虚拟现实技术的水下考古三维复原能带给公众一个完整的、可视的、有兴趣的视觉冲击力，比如水下考古发掘的进程、遗址或沉船的历史堆积过程。这样可以增加考古发掘的可看性和娱乐性，便于公众接受。它不仅将丰富考古成果与科学技术形式相互渗透，同时也将艺术手段运用其中，增强了娱乐性和形象性，使公众更容易接受。这不仅是一个最新成果的研究展示平台，也是一个良好的交流平台，虚拟现实所特有的视听触觉会超越了语言、文字和视频图像的局限，将成为各国水下考古学界用来传达信息的最佳工具。

（4）虚拟现实与仿真技术在水下考古安全作业方面的作用

    由于水下环境的恶劣、复杂和不可预知性，如果直接进行水下考古实验可能需要花费大量的人力、资源和代价，或需要冒较大的风险。在这种情况下，可以利用系统仿真、建模的方法，建立能充分代表水下考古系统的仿真模型，通过计算机仿真手段对该系统模型进行充分的仿真运行和仿真试验，模仿实际系统的运行情况，对仿真过程进行观察，就好像是人们处于真实的水下考古发掘的虚拟环境中一样。同时，能够节省资金、减少人力投入和缩短研制周期，是传统水下考古试验阶段之前的一种科学、经济、有效的仿真验证手段。因此建立虚拟仿真系统对于水下数字考古的开发和研究是十分必要的。

（5）虚拟现实与水下机器人

    利用机器人进行水下考古探测近年已经有很多案例，如2013年福建古田翠屏湖的水下古城遗址考古探查，2014年安徽黄山太平湖三处明清遗址的探查。虚拟现实技术作为可视化工具在机器人领域, 也有广泛的应用。虚拟现实技术在机器人学中的应用主要集中在以下几个方面: 作为遥操作界面, 可以应用于半自主式操作; 作为机器视觉中自动目标识别和三维场景表示的直观表达;建立具有真实感的多传感器融合系统仿真平台。主要仿真的传感器是超声传感器, 模拟在水下不同深度和温度情况下的超声行为。在这个工作中系统的总结和研究了传感器可视化仿真的方法。虚拟现实技术的起源和发展都得益于许多机器人技术, 例如传感器技术。反过来虚拟现实技术又为机器人领域提供了一个强有力的技术手段。

（6）虚拟现实与水下考古的教学

    虚拟现实技术在水下考古教学中的应用是通过虚拟的实验室进行实验，可以模拟显现抽象的或在现实中存在的、但在课堂教学环境下用别的方法很难做到或者要花费很大的代价才能显现的各种事物，供学生学习和探索。这样既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对水下考古的操作过程进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。比如在教授水下各种自然现象的形成和发展的内容时，由于大多数的自然现象都有时间性，或者是转瞬即逝，或者是非常漫长，学生很难实际观察到，用电影或录像的手段也显然不行。而虚拟现实技术可以使学生在一堂课的时间里非常逼真的观察到自然界在几十年里所发生的变化。借助虚拟现实技术，将海洋湖泊山川河流等相关地形地貌信息建成模型库，再通过虚拟现实系统的人机对话工具，使得受教育者通过一次次足不出户的虚拟经历就能亲身领略祖国山川河流的壮美，在获得知识的同时，得到巨大的美的感受和启迪，从而将枯燥的书本知识以更有效率的个人亲身体验的方式转化为受教育者所掌握的知识。同时，特别值得注意的是.一旦各种水下地形地貌的模型库建设好之后，可以被反复使用，理论上永不损坏；再加之网络技术的使用及迅速普及，也为多用户同时使用某个模型库提供了现实的可能，为水下考古教学方式的改变提供了全新的思路和手段。

5　展望

    随着计算机、多媒体、传感、通讯等技术的进一步发展，虚拟现实技术将会得到更迅速的发展，在水下考古未来更多领域中将会得到广泛的应用。虚拟现实可以超越时间与空间、现实与抽象，将各种无法接触的环境再现于人们的眼前，为我们的生活开辟了一个新天地。虚拟现实技术作为水下考古研究重要的技术层次支撑，是未来水下考古和遗产保护的发展方向和趋势。如何利用虚拟现实技术实现水下考古技术的数字化，建立水下数字考古技术的行业标准和技术规范，建立一个科学、精密和综合的水下考古现场虚拟展示技术研究平台，将是未来水下考古重要的研究领域。