基于VR技術(shù)的陶瓷燒窯工藝虛擬體驗應(yīng)用研究

鄧卉

摘 要：文章作者以實地觀察法了解長沙銅官窯譚家坡龍窯遺跡的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在其陶瓷燒窯工藝的展示方式上，存在一系列需要改良的問題，并以實驗研究法在動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)和VR技術(shù)展示兩個方面將陶瓷燒窯工藝制作升華到所見即所得的層次，使參觀者進入虛擬的燒窯空間，體驗在不同溫度下泥與火的碰撞。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);陶瓷;燒窯工藝

中圖分類號：TB391.9 文獻標(biāo)識碼：A 收稿日期：2019-06-26 文章編號：1674-120X（2019）32-0123-02

一、VR技術(shù)的特征

邁克爾·海姆從《韋氏詞典》中對Virtual和Reality的解釋出發(fā)，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實是實際上而不是事實上為真實的事件。在他提出的狹義的虛擬現(xiàn)實中，描述了虛擬現(xiàn)實作為一種主體認(rèn)識的新技術(shù)所表現(xiàn)出三“I”的特征。

①沉浸性（Immersion）：沉浸感是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最基本的特征，指用戶感到作為主角沉浸到虛擬的空間之中，脫離現(xiàn)有的真實環(huán)境，獲得與真實世界相同或相似的感知，并產(chǎn)生身臨其境的感受。②交互性（Interaction）：交互性是通過軟硬件設(shè)備進行人機交互，包括用戶對虛擬環(huán)境中對象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。③構(gòu)想性（Imagination）：構(gòu)想性是指用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲得的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化對系統(tǒng)運動的未來進展進行聯(lián)想，以獲得更多的知識，認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)深層次的運動機理和規(guī)律性。[1]

二、展示現(xiàn)狀

長沙窯陶瓷文化作為湖湘?zhèn)鹘y(tǒng)文化不可分割的重要組成部分，被認(rèn)為是繼岳麓書院之后湖湘文化的第二大寶藏。長沙銅官窯譚家坡龍窯遺跡館已成為展示長沙窯千年陶瓷文化的標(biāo)志性形象窗口，其中遺址的展示方式主要有三種：棧道式直接參觀挖泥洞和瓷器碎片堆積層、現(xiàn)場展示遺址和文物室內(nèi)陳列展示。陶瓷工藝生產(chǎn)是一個非常復(fù)雜且細致的過程，就其重要性來說，可以分為“一燒、二土、三制作”，從某種意義上來說燒窯就是關(guān)鍵之關(guān)鍵。展覽館傳統(tǒng)展示方法往往受制于空間、時間，要么無法呈現(xiàn)燒窯的工藝流程，要么呈現(xiàn)的效果不佳，使得燒窯工藝強烈的視覺震撼效果難以全方位地傳達給參觀者。這直接限制了長沙窯促進湖湘陶瓷文化傳播與交流的目標(biāo)的實現(xiàn)。如果在“新長沙窯陶瓷體驗館”項目中使用VR技術(shù)，參觀者不受時間與空間的限制，無須借助任何實體的陶泥，就可以在虛擬的窯爐空間中漫游，感受泥與火的激烈碰撞。

三、動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

本項目的開發(fā)主要使用3ds Max2018的動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)搭建長沙銅官窯窯洞場景;游戲開發(fā)引擎Unity 3D整合多方面的特性展示VR交互。

“窯洞”的動態(tài)環(huán)境建模大致分為3個步驟，分別為清晰化思路并確定建模方法、建立基礎(chǔ)模型、完成模型。

（1）清晰化思路并確定建模方法。在制作模型之前，多方位實地拍攝銅官窯窯址中的古代窯洞模型，繪制出窯洞模型草圖。在創(chuàng)建模型時設(shè)置系統(tǒng)單位，以確保比例的準(zhǔn)確。運用幾何體建模創(chuàng)建窯洞的石墻、石頭等物體;運用樣條線建模創(chuàng)建麻繩等物體;運用NURBS建模創(chuàng)建瓷瓶等物體。

（2）建立基礎(chǔ)模型。第一，運用幾何體建模創(chuàng)建“石墻” 和“石頭”模型以搭建整體燒窯場景。首先打開3ds Max，創(chuàng)建幾何球體和立方體，繪制一個幾何球體和一個立方體。利用降噪修改器進一步給石頭和石墻制造不規(guī)則的形狀，將給強度的X、Y、Z軸以一定的參數(shù)。利用松弛修改器，使石頭和石墻表面看上去不那么尖銳，顯得更光滑。然后按Shift的同時拖動復(fù)制多個石頭，在彈出的克隆選項對話框中輸入數(shù)量。第二，運用樣條線建模創(chuàng)建“麻繩”模型。這里主要應(yīng)用“放樣”將兩個二維圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型的效果。在前視圖中繪制一條線，命名“masheng”。然后，繼續(xù)在頂視圖和左視圖中調(diào)整頂點的位置，使“masheng”線在三維空間內(nèi)產(chǎn)生不規(guī)則扭曲，在創(chuàng)建面板中執(zhí)行創(chuàng)建幾何體中的放樣，接著單擊獲取圖形按鈕，在視圖中單擊拾取圖形“mashengjiemian”，得到麻繩的形狀。最后，使用插入角點和移動控制點工具調(diào)節(jié)曲線，使麻繩的整體效果更加自然。第三，運用NURBS建模創(chuàng)建瓷瓶、水缸等模型。首先，在創(chuàng)建面板中單擊圓形按鈕，設(shè)置圖形類型為樣條線，在頂視圖中繪制5個半徑不一樣的圓。在NURBS工具箱中拾取曲線完畢后單擊右鍵完成操作。在NURBS工具箱中單擊創(chuàng)建封口曲面按鈕，然后在視圖中單擊底部的截面，最終完成瓷瓶、水缸等模型。

（3）完成模型。本項目中的模型制作，全部是用3ds Max2018建立的模型，對于程序控制管理來說，一個歸類清晰、面數(shù)節(jié)省、制作規(guī)范的模型文件是非常重要的。第一，模型UVW調(diào)整。首先將3ds Max2018創(chuàng)建的石墻場景模型進行UVW展開，將貼圖通道置為2，通道切換時選擇移動，否則紋理映射會改變。第二，烘焙。在渲染菜單下選擇渲染到紋理。設(shè)置中，選擇貼圖坐標(biāo)為通道2;輸出添加LightingMap。選擇將文件名和類型保存到一個文件夾，將烘焙后的紋理拖到Unity 3D中。第三，烘焙后處理。因為max導(dǎo)出不支持2種材質(zhì)，所以需要選擇其一，否則石墻的兩種材質(zhì)都丟失。所以，我們發(fā)現(xiàn)烘焙之后石墻等場景模型沒有紋理了。第四，導(dǎo)出時直接選擇對應(yīng)unity的文件地址，將3ds Max2018建立的場景模型全部自動導(dǎo)入Unity 3D中。

四、VR技術(shù)展示

本項目的VR開發(fā)引擎主要使用的是游戲開發(fā)引擎Unity 3D。

（1）快速實現(xiàn)Low Poly地形。第一，World Machine流程。在World Machine中，生成所需要的地形高度圖，地形梯度變化盡量明顯一些。第二，Blender流程。在Blender文件—用戶設(shè)置—插件 界面，啟用Imports Images as Planes插件。Blender—導(dǎo)入—Imports Images as Planes，將高度圖作為圖片導(dǎo)入，并在物體標(biāo)簽將旋轉(zhuǎn)軸X置為0。選中物體，Tab鍵切換到編輯模式，按W鍵選擇細分，將切割次數(shù)設(shè)為100。在修改器標(biāo)簽下，繼續(xù)添加精簡修改器，選擇反細分頁簽，調(diào)整迭代次數(shù)并應(yīng)用。將模型導(dǎo)出為FBX格式，導(dǎo)入引擎中，完成。

（2）光影烘焙。第一，把在3ds Max里做好的窯洞場景文件（FBX格式）直接拖入unity， 選中所有材質(zhì)球，將材質(zhì)球類型更改為Mobile—Diffuse。然后，為窯洞場景布光，布置一組平行光。燈光布置完后，將燈光效果烘焙到貼圖上。第二，光影烘焙時，首先對窯洞場景的渲染進行設(shè)置。在Amblent Lignt設(shè)置環(huán)境光、霧氣的范圍以及光暈的強度與范圍。第三，設(shè)置完成開始烘焙。為節(jié)省資源，選擇生成貼圖的張數(shù)為single。貼圖品質(zhì)選擇high。再選擇燈光的反彈次數(shù)，反彈強度和最終收集光線。燈光貼圖的分辨率選擇高清晰。將窯洞場景的靜態(tài)模式改為Batching Static。最后，點擊Bake Scene。

（3）粒子特效。對于移動平臺來講，一般不建議大量使用粒子特效。因為對CPU和GPU來說，粒子系統(tǒng)是一個性能消耗的大戶。但是現(xiàn)在粒子特效在游戲中的需求越來越高，因此做了一些Unity粒子優(yōu)化方面的嘗試。拿來做優(yōu)化實例的粒子特效，包含5個粒子發(fā)射器。其中一個Billboard粒子和一個mesh粒子共用了一個材質(zhì)。對于這個粒子特效來說，5個DrawCall，一個都沒有Batching掉。然后我們將這個粒子復(fù)制10個，發(fā)現(xiàn)成功Batching的只有billboard粒子，Mesh粒子沒有動態(tài)Batching。

五、其余的技術(shù)嘗試

首先是合圖，這也是Unity的文檔中動態(tài)合批時給出的建議，在多個不同的粒子中使用一個材質(zhì)球。但是根據(jù)筆者的嘗試，在Mesh粒子中并不適用。Mesh粒子雖然有UV，可以進行合圖。但是如上述所說，并不會動態(tài)合批，最終的結(jié)果只是減少了一個材質(zhì)球而已。Billboard粒子通過Texture Sheet Animation中的設(shè)置可以實現(xiàn)有限制的UV分割，不過用于UV分割是均分，合并后的紋理不能公用空白區(qū)域，會有些浪費空間。嘗試使用Shader+腳本的方式來代替粒子效果。對于一些簡單的粒子效果，理論上完全可以使用Shader加腳本的方式來簡單模擬。因此，筆者嘗試寫了個Shader，通過頂點著色器來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、放縮、Billboard效果。用Shader的方式代替之前特效中的幾個粒子發(fā)射器，然后復(fù)制多份，打包到安卓平臺監(jiān)視性能。根據(jù)新的嘗試，使用Shader通過頂點著色器實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、Bllboard，在片段中實現(xiàn)閃爍和序列幀播放效果，從功能上來說，這樣沒有問題。

六、結(jié)語

VR技術(shù)融入傳統(tǒng)行業(yè)，必然會給各個行業(yè)帶來新的沖擊。傳統(tǒng)的陶瓷燒窯工藝的展現(xiàn)形式雖有其特點，但一定不要故步自封，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)要用于融入信息化時代浪潮，以尋求突破。本課題通過對銅官窯窯址中的古代窯洞模型的虛擬，實現(xiàn)了使VR技術(shù)融入燒窯工藝的虛擬體驗。在項目成果中，捕捉全方位視角，觀看者可以擁有視角調(diào)整和選擇信息的主動權(quán)，給人身臨其境之感。

參考文獻：

[1]韋艷嬌.沉浸式虛擬現(xiàn)實課堂設(shè)計方案研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2017.

[2]李明珠.2016VR元年：虛擬現(xiàn)實在藝術(shù)教育中的應(yīng)用展望[J].藝術(shù)教育，2016（10）：36-39.