基金资助：黑龙江省哲学社会科学研究规划项目“侵华日军第七三一部队旧址三维数字化展示与阐释系统的构建”(项目批准号:21KGB083)； 国家社科基金抗日战争研究专项工程项目“跨学科视域下细菌战罪行研究”(项目批准号:21KZD004)阶段性研究成果。

   侵华日军第七 三一部队旧址(以下称：七三一旧址)位于黑龙江 省哈尔滨市平房区，是日本军国主义侵华战争期间及第二次世界大战期间保存至今的细菌战遗迹，是以战争为目的进行细菌武器研究、实验和制造的大本营，是世界上最大的细菌实验基地，是以危害人类和自然为代价发动细菌战争的策源地。

七三一旧址现存建筑遗迹27处，占地约80万平方米，其依托七三一旧址成立的侵华日军第七三一部队罪证陈列馆（以下简称：七三一陈列馆）占地面积5800平方米、展陈面积4500平方米，陈列文物10050件、珍贵历史照片654张、历史档案1500余页、证言100余份、战犯供词50余份。七三一陈列馆年接待游客约100万人次，先后在北京、上海等20余座城市，以及日本、韩国、俄罗斯、美国等10余个国家举办了以“不忘历史、珍爱和平”为主题的巡回展览。1997年七三一陈列馆被中宣部授予全国百个爱国主义教育示范基地。2006年，被国务院公布为第六批全国重点文物保护单位。2012年进入中国世界文化遗产预备名单。

2021年11月，由我主持申请的黑龙江省社会科学研究规划项目《侵华日军第七三一部队旧址三维数字化展示与阐释系统的构建》获得立项，本课题研究的主要内容是：利用数字测绘技术、采用三维重建及全景影像的新方法，对七三一旧址进行全面的信息采集，使七三一旧址的全貌结合基础性研究成果以三维数字化的形式进行展示与阐释，同时可以有效地保存保护好旧址的真实性和完整性，为七三一旧址和“七三一”档案申报世界文化遗产和世界记忆遗产做有力支撑。

一．选题背景

近年来，为配合七三一旧址保护规划，特别是以迎接抗日战争胜利七十周年为契机，七三一旧址调查发掘以及研究上取得了显著的成效。2014年5月至2017年11月，黑龙江省文物考古研究所领衔，会同侵华日军第七三一部队罪证陈列馆、哈尔滨工业大学土木工程学院，对细菌实验室及特设监狱、锅炉房、地下回水池、焚尸炉、瓦斯实验室、瓦斯储藏室、结核菌实验室、兵器班以及航空班和细菌弹壳制造厂等10处遗迹进行了连续、大规模发掘，揭露面积40,000余平方米，出土各类遗物2,000余件。由于七三一部队为了毁灭犯罪证据，在撤退时销毁实验设备和相关资料，并将主要建筑炸毁；另一方面由于特殊的历史和现实原因，日本政府极力否认其侵略事实，有关七三一部队的档案更是秘藏不宣，使得有些犯罪证据抑或数据不甚明晰；再有，从大遗址保护的角度考察，由于我们缺乏对战争遗址的保护意识，没有建立起切实可行的完整、系统、长远的保护机制，以至于七三一旧址形成废墟以来，相当长一个时期内包括“四方楼”在内的许多遗址没有得到妥善的保护，如此旧址遗存更显得弥足珍贵。

七三一旧址面向公众展陈的内容包括建筑遗迹和罪证文物两部分。由于七三一旧址建筑遗迹数量较多，分布较为分散、相距较远，观众要想参观完所有的建筑遗迹，要付出大量的时间、精力、体力。对每处建筑遗迹的了解也仅限于文字说明牌的介绍，上面只有建筑遗迹规格和功能等简要的内容，大多无法直接获得与之相关的构筑背景和历史事件以及内部的布局、构造、构筑特点等更加全面细致的信息。七三一陈列馆在文物的展陈方面，由于展厅面积有限，罪证文物不可能全部展出；还有一些存在安全隐患的文物，例如带有引擎的炮弹、装有有毒液体的试剂瓶，更不能直接面向公众展出。在外地做巡回展览时，大众只能参观到数量有限罪证文物，建筑遗迹的部分也只能用图片加文字介绍的形式进行展陈，远达不到身处遗迹建筑群中对人们的心理冲击带来的震撼效果。这种传统的展陈方式不可能将全方位、完整的价值信息传递给观众。而三维数字化展示与阐释系统是通过综合利用计算机多视角三维重建和绘制技术、虚拟现实和增强现实技术以及各种多媒体技术和互联网技术等，对遗存信息进行全方面的数据采集、记录、保存、管理、重建和传递。用户可以通过浏览这些数字化展示信息或通过在计算机绘制的虚拟环境中进行体验，在不受时间、地点限制的情况下，身临其境地观看和感受历史遗存，从而实现对历史遗存信息的保存、再现和传递。

    二．研究内容

  通过高清数字影像采集技术、数字化测图技术、三维重建及全景影像技术将七三一旧址的建筑遗迹、文物、文字资料、影音文件、设计构想等属性信息进行可视化处理，使该遗址以三维数字图像的形式展现出来，让用户沉浸在三维真实场景里，获得逼真的浏览体验。用户可以通过交互操作在该场景中自由移动和改变视角，从不同角度参观察建筑遗迹和文物，观众获取局部信息时不需要近距离接触物体，避免了直接物理接触对遗存所带来的损害；用户参观时不受开放时间的限制，也可以随时跳出既定的参观路线，像更换电视频道一样点击任何展品进行欣赏，同时系统包含空间信息与属性信息并存的数据库和图形图像库，用户通过查询、检索功能了解展品的属性信息（建筑遗迹信息包括地理坐标、规格、面积、布局、内部结构、构筑时间、建筑风格特点、建筑用途、与之相关的历史人物、历史事件等；罪证文物信息包括名称、规格、用途、出处、现存状况、与之相关的历史人物、历史事件等信息）。

三．技术支撑

1.数据采集

利用无人机、RTK、全景数码相机等数字化信息设备，对七三一旧址建筑遗迹、陈列馆展厅、罪证文物进行数据采集，并对数据成果进行加工、处理和优化，为三维数字化展示与阐释系统提供数据来源。

① 倾斜模型数据采集前需要对七三一旧址建筑遗迹做卫星图分析，判断天气条件（包括：云层厚度、光照、风速、温度等）；利用RTK在七三一旧址建筑遗迹周围进行像控点布设、航线规划，利用搭载五镜头吊舱无人机进行倾斜模型数据采集。

② VR全景数据采集利用搭载六鱼眼摄像头的全景相机安装于可移动支架，对七三一旧址建筑遗迹、陈列馆展厅、罪证文物进行定标、调平、数据采集。

2.多视角三维实景、全景影像模型的构建

① 多视角三维实景模型是运用ContextCapture（Smart3D）、PIX4D mapper等软件对获取的基础数据进行分析和优化处理，采用摄影测量原理，对数据影像进行匹配，生成被拍摄物体的表面三维点云，加载影像纹理信息后得到的真实三维实景模型。方法如下：

首先，数据处理的准备工作。其主要包括对影像数据进行双拼处理、将POS数据以及影像数据进行整理并存档、分析影像的整体情况和判断飞行质量等。为后期数据处理的可能性做出判断，并由数据处理人员对补飞的数据与否进行决定。

其次，进行空三加密工作。对控制点加密解算，获取高精度相对定向点；空中三角测量包括双拼虚拟影像区域网平差和单相机影像区域网平差。

最后，生产三维实景模型。结合相对定向点和倾斜航片，生成DOM与DEM，最终合成DSM。

② VR全景是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

首先，图片预处理。将采集的VR全景图片集进行全景拼接、空洞填充、色彩调整等。

其次，三维场景构建。基于主流VR开发引擎，搭建全景影像模型场景，实现沉浸式体验。

最后，场景漫游及多媒体信息接入。

3.构建三维展示与阐释系统

七三一旧址三维展示与阐释系统的设计是以数据库为核心，共三个基本模块构成：即数据采集模块、数据管理模块和系统应用模块。信息管理系统包含空间信息与属性信息并存的数据库和图形图像库，用户通过查询、检索功能了解展品的全方位信息。采用触摸式人机交互展示方式，让用户获得真实有效的沉浸式体验。

七三一旧址倾斜模型数据库建立，首先利用无人机对七三一旧址进行倾斜影像数据采集、建模，再通过纹理格式转换、数据压缩及加密，将处理后的瓦片OSG文件数据集中存储为一个统一的数据库，最终使用统一的访问接口访问。

关于数据库系统除了支持基本的数据类型（如可变长字符串VARCHAR类型、整数INTEGER类型、浮点数FLOAT类型、时间戳TIMESTAMP类型等）外，还支持变长二进制数据类型，即BLOB类型。BLOB类型可以表述长度可变的二进制数据，适合存储瓦片数据。瓦片数据集信息表存储不同的瓦片数据集，每个瓦片数据集由UUID、名称、偏移值、数据范围、创建时间构成；瓦片主模型表存储瓦片数据集的各个主模型名称，一个瓦片数据集可以包含多个瓦片主模型；瓦片表存储各个瓦片名称、对应的主模型ID及二进制数据，一个瓦片主模型可以包含多个子瓦片。

七三一旧址VR全景数据库建立，利用搭载六鱼眼摄像头的全景相机对七三一旧址的重点展示区域进行全景数据采集、制作。将采集的原数据及处理后的数据统一存储在系统创建的开源的MySQL数据库中，使用统一的访问接口访问。

七三一旧址三维展示系统分为PC端和移动端，主要对倾斜实景三维模型与VR全景进行展示及用户使用情况管理。

① PC端展示倾斜实景三维模型、摄像头实时影像视频、用户使用情况统计分析、罪证文物统计分析等。点击模型可以查看七三一旧址建筑遗迹的简介、图片、视频、全景等信息。可对到访用户和移动端用户进行柱状图、折线图统计分析，对移动端用户上线使用提示等。点击模型全景可以跳转到全景图中， 在全景图中对七三一旧址建筑遗迹内的罪证文物等添加热点，展示图文信息、视频、真人语音讲解、网页链接等。

② 移动端首页展示倾斜实景三维模型、兴趣点、图层管理、测距、导航、卫星地图与街景地图切换等。用户可随意移动，放大缩小模型，点击模型、兴趣点可查看相关信息。点击测距，可以测量任意两点或多个点之间的距离，也可以选择目的地进行导航。点击全景可以跳转到全景图中，高清晰度720°全景展示七三一旧址建筑遗迹、陈列馆展厅，给用户一个身临其境的体验。用户可以随时浏览任意展厅，查看罪证文物的图文介绍，真人语音讲解等相关信息。

4.具体方法

（1）多视角三维重建技术是以普通数字相机作为影像获取工具，从不同角度围绕被拍摄的旧址、文物等获取多幅数字影像，然后根据计算机视觉原理，对获取的全部数字影像进行相互匹配，生成被拍摄物体的表面三维点云，自动加载影像纹理后得到真实的三维模型。具体工作如下：

① 多视角航摄仪平台及单相机检校、得到每个相机的镜头畸变参数及相机之间的相对位置关系。

② 进行多视角影像摄影，获取原始影像及下视POS数据。

    ③ 数据资料分析和预处理，包括原始影像畸变差改正及匀光匀色处理、下视影像空三解算、相机和影像描述文件制作等。

④ 数据处理，对多视角影像数据进行空中三角测量，得到所有影像高精度外方位元素。利用畸变改正后的影像数据结合空三加密成果，通过多视影像密集匹配技术生成超高密度点云，然后基于点云构建不规则三角网模型。

⑤ 提取纹理信息，完成纹理映射。

（2）VR全景技术通常采用搭载全景云台或全景车的专业相机对陈列馆展厅内部、建筑遗迹部分场景进行定点拍摄，采集场景的全景影像数据，并制作成可在PC端或移动端查看的VR全景图片。VR全景和以往的建模、图片等表现形式相比，其优势主要体现在以下几方面：

① 真实感强，基于对真实图片的制作生成，相比其他建模生成对象更真实可信。

② 比平面图片能比能表达更多的图像信息，并可以任意控制，交互性能好。

③ 经过对图像的透视处理模拟真实三维实景，沉浸感强烈，给观赏者带来身临其境的感觉。

④ 生成方便，制作周期短，制作成本低。

⑤ 文件小，传输方便，适合网络使用，发布格式多样，适合各种形式的应用。

四. 创新之处

三维数字化展示与阐释技术的高沉浸感、高互动性、高拟真感等特性为有效解决文化遗产无法再生与需要长期保存之间的矛盾提供了切实的解决方案。另外，出于对七三一旧址建筑的保护目的，很多建筑内部无法对公众开放参观，而利用VR技术，观众可以身临其境地走进遗迹，与之“亲密接触”。并且结合罪证文物，将旧址建筑背后故事及历史事件向观众输出，让人们深刻感受到那段历史的沉痛，实现互动体验式的参观和学习。建立起来的实景三维模型数据库，可以保存文物原有的各项数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源的科四学、高精度和永久的保存，进而建立可实时浏览的VR数字遗址博物馆。

五.技术总结

文化遗产的数字化展示技术为文化遗产的传播提供了最直接的途径和最重要的形式。与传统的展示方法相比，数字化展示的优点主要有以下几点:

1.数字化展示方式可以通过不同的渠道进行，尤其是目前正在快速发展的网络技术，突破了人们

游览遗址类博物馆的时间限制和空间限制，用户可以通过网络足不出户地对三维数字化展示的内容进行漫游和体验。   

2.数字化展示方式在观众和文化遗产之间建立了一个信息桥梁，观众不需要近距离接触物体，

便可以获取他们想要得到的信息。这不仅避免了直接物理接触对文化遗产所带来的损害，加强了对文化遗产的保护，也实现了观众可以不受博物馆或文化遗产开放的时间或游览区域的限制，可以进入到任何他们感兴趣的场景尽情地观赏。

3.日益发展的数字化建模与绘制技术为大型文化遗产的数字化展示提供了有利条件，并且能够虚拟恢复遗址的原貌和演变过程，为观众提供了更加丰富的历史资料。

4.通过对七三一总部旧址数字化展示制作，可以对其三维空间信息进行良好的数字化保存，这不仅有利于展示、保存，还为进一步的研究、检索、开发提供了良好的数据基础。

参考文献：

[1]金成民.日本细菌战[M].黑龙江人民出版社，2008年8月.

[2]刘建国.考古现场多视角三维重建[M].中国社会科学出版社，2019年12月.

[3]周晓雨等.VR中真实场景的多视角三维重建[J].科技与创新，2019年第06期.

[4]张江龙.博物馆数字化展示技术及虚拟拟展览研究[J].中国博物馆，2017年4期.