基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的耀州瓷器展示設(shè)計(jì)

任 鏷，邱林寧，楊文杰

（北京印刷學(xué)院，北京，102600）

1 引言

在“鈞、汝、官、哥、定”五座歷史名窯之外，耀州窯在我國(guó)陶瓷發(fā)展史上同樣具有不可替代的閃耀價(jià)值。誕生于陜西銅川，鼎盛于北宋年間的耀州瓷器，在我國(guó)北方窯場(chǎng)中堪稱(chēng)最具盛名的存在[1]。最經(jīng)典的耀州瓷以青瓷為主，釉色青綠泛黃，潤(rùn)如古玉，有“巧如范金，精比琢玉”之稱(chēng)。器物造型多樣，多仿金銀器。除供宮廷御用的龍鳳紋樣之外，常見(jiàn)于耀州瓷器的紋飾圖案以花、鳥(niǎo)等寓意吉祥的紋飾為主，體現(xiàn)了古代民間百姓向往美好生活的民俗精神，是研究民間紋飾藝術(shù)的文化寶庫(kù)[2]。此外，耀州瓷的刻花工藝精湛，瓷器紋飾層次清晰，具有類(lèi)浮雕效果的立體感，素有“宋代刻花青瓷之冠”的美譽(yù)。

目前，耀州窯博物館是全面展示耀州瓷文物和燒造工藝的主要單位，同時(shí)也是我國(guó)規(guī)模最大的古陶瓷遺址專(zhuān)題博物館[3]。然而受地理位置所限，線下實(shí)體展示不足以滿足耀州瓷文化全球范圍傳播宣傳的需求。隨著VR+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，博物館的在線化、數(shù)字化、智能化展出已經(jīng)是大勢(shì)所趨[4]?，F(xiàn)有關(guān)于耀州瓷的在線展示還是以傳統(tǒng)的圖文介紹為主，主要提供文物基本信息的查詢功能，很難達(dá)到對(duì)耀州瓷文化的深入展示和宣傳效果[5]。因此本文擬從提高趣味性和傳播度兩個(gè)維度出發(fā)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)耀州瓷文物交互展示的移動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

所謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality， AR)，是指用戶利用手機(jī)等移動(dòng)便攜式終端自帶的攝像頭正常拍攝，屏幕在顯示真實(shí)世界場(chǎng)景的同時(shí)疊加顯示某些虛擬場(chǎng)景，形成虛實(shí)融合的成像效果。在這個(gè)過(guò)程中，移動(dòng)終端承擔(dān)著類(lèi)似電腦CPU的所有運(yùn)算任務(wù)，至少需要解決三個(gè)主要問(wèn)題。其一是對(duì)攝像頭捕捉到的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行分析，找到其中觸發(fā)虛擬場(chǎng)景的圖像信號(hào)。其二是對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行渲染，這種虛擬場(chǎng)景既可以是二維文字、圖像、或動(dòng)畫(huà)視頻，也可以是三維模型或動(dòng)畫(huà)。其三是計(jì)算虛擬場(chǎng)景在屏幕上的渲染位置，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的“增強(qiáng)”顯示。其中，對(duì)攝像頭拍攝的真實(shí)視頻圖像的分析理解工作需要依靠計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法進(jìn)行求解，開(kāi)發(fā)過(guò)程中調(diào)用算法的應(yīng)用程序接口即可[6]。

因此，真實(shí)的AR移動(dòng)應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括兩方面的內(nèi)容，一是虛擬場(chǎng)景的展示內(nèi)容，二是應(yīng)用程序的交互界面。針對(duì)耀州瓷的展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出三項(xiàng)原則：

2.1 真實(shí)的文物展示

圖1 圖形用戶界面設(shè)計(jì)

圖2 多通道貼圖渲染

圖3 耀州瓷標(biāo)記物設(shè)計(jì)

圖4 刻花耀州瓷盤(pán)照片與3D模型渲染效果對(duì)比

圖5 AR展示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)界面

圖6 AR展示和交互效果

耀州瓷器以文物為主，尤其是青瓷器皿，胎質(zhì)纖薄，釉色光亮。對(duì)文物展示最重要的原則就是體現(xiàn)文物的真實(shí)特性，盡可能還原其器型、紋飾和質(zhì)地光澤。采用三維掃描技術(shù)可以采集精準(zhǔn)的文物表面數(shù)據(jù)，但是為了適應(yīng)移動(dòng)端實(shí)時(shí)渲染，通常需要對(duì)文物進(jìn)行3D建模，利用紋理貼圖對(duì)文物細(xì)節(jié)進(jìn)行還原。

2.2 豐富的展品內(nèi)涵

在展示耀州瓷器精美外形之余，更重要的是傳播耀州瓷器的文化內(nèi)涵。合理的圖形交互界面設(shè)計(jì)可以有效提升移動(dòng)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)和信息含量多種形式的媒體素材，通過(guò)界面引導(dǎo)在移動(dòng)屏幕端對(duì)傳統(tǒng)的圖片、文字、語(yǔ)音和視頻等多媒體形式進(jìn)行融合展示，在展示耀州瓷文物的同時(shí)傳播其文化背景，紋飾蘊(yùn)藏的寓意內(nèi)涵，以及獨(dú)特的陶瓷燒造技藝。

2.3 生動(dòng)的交互體驗(yàn)

得益于智能電子產(chǎn)品的多點(diǎn)觸控技術(shù)和傳感器的植入，移動(dòng)產(chǎn)品可以提供多種交互操作。當(dāng)不同的操控方式牽引出多種多樣動(dòng)態(tài)效果時(shí)，用戶在體驗(yàn)上會(huì)感受到更多樂(lè)趣，將原本在某一時(shí)刻只能單一呈現(xiàn)的觀感體驗(yàn)擴(kuò)大到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、交互這三個(gè)維度。在耀州瓷器展示的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，利用交互對(duì)瓷器文物進(jìn)行多維度展示，甚至提供小游戲引導(dǎo)用戶了解文物的多面屬性，從而實(shí)現(xiàn)更為身臨其境的帶入感。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于以上產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)耀州瓷器文物的AR展示原型系統(tǒng)。線下部分利用手繪風(fēng)格描述耀州瓷文物故事，串聯(lián)由文物紋飾抽象設(shè)計(jì)的標(biāo)記物圖案。線上部分開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，在交互界面中引導(dǎo)開(kāi)啟攝像頭，實(shí)現(xiàn)耀州瓷文物交互展示。

3.1 界面設(shè)計(jì)

在界面設(shè)計(jì)中融入耀州瓷紋飾元素，采用耀州瓷特殊的青釉色為底色，白描繪制三件典型耀州瓷文物紋飾，采用三角構(gòu)圖繪制圖形用戶界面(Graphical User Interface， GUI)。第一件是錢(qián)紋小壺，是金代耀州窯的精品代表作之一，是為數(shù)不多的釉色偏醬油釉的小壺，內(nèi)飾錢(qián)紋，象征富庶。第二件是青釉刻花牡丹瓶，是耀州窯北宋時(shí)期的代表作，其牡丹紋被稱(chēng)為纏枝蓮紋，寓意花開(kāi)富貴，生活平安。第三件是嬰戲紋蓮花式碗，紋飾結(jié)合嬰兒和蓮花造型，極富生活氣息。

按鍵標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)源于中國(guó)傳統(tǒng)紋樣中的如意祥云紋，古人追求事事如意，祥云紋飾和如意紋飾大多會(huì)出現(xiàn)在衣物設(shè)計(jì)中。界面背景疊加粗布質(zhì)感，配合明黃色的祥云紋飾可以提升整體格調(diào)。圖1為原型系統(tǒng)的GUI界面設(shè)計(jì)。

3.2 3D建模

利用三維掃描設(shè)備采集的耀州瓷三維模型真實(shí)度高，具有與文物表面一致的凹凸質(zhì)感和采集光照下的紋理顏色，可作為真實(shí)文物測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔。但是在移動(dòng)端顯示中，掃描模型由于具有過(guò)高的三維網(wǎng)格面片數(shù)，很難進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。因此需要在三維建模軟件中依據(jù)真實(shí)掃描數(shù)據(jù)重新建模，解決幾何造型、紋理貼圖和光線渲染等技術(shù)問(wèn)題。

幾何造型方面，標(biāo)準(zhǔn)的碗狀、盤(pán)狀文物器型可利用中心旋轉(zhuǎn)造型曲線快速實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜文物，尤其是厚度不一、表面非光滑平坦的器物造型需要借助幾何雕塑軟件（如Zbrush）進(jìn)行雕刻，盡可能保持造型細(xì)節(jié)與真實(shí)文物一致。

對(duì)三維文物模型材質(zhì)的處理是文物數(shù)字化保護(hù)研究中的難點(diǎn)問(wèn)題。以耀州瓷為例，由于瓷器表面反光，釉色質(zhì)地透明，在掃描過(guò)程中很容易出現(xiàn)孔洞，造成數(shù)據(jù)缺失。利用多種貼圖疊加渲染的方法可以對(duì)耀州瓷的真實(shí)材質(zhì)進(jìn)行模擬。圖2展示了刻花紋耀州瓷盤(pán)的多通道貼圖渲染效果。單一的顏色貼圖(color_map)可以表現(xiàn)刻花紋理，在三維環(huán)境光下顯得非常生硬。疊加置換貼圖(disp_map)和法線貼圖(normal_map)后，可以在不增加幾何網(wǎng)格的前提下增加模型表面質(zhì)感，體現(xiàn)凹凸細(xì)節(jié)。此外，在設(shè)置好光照的三維場(chǎng)景中渲染高光(spec_map)和環(huán)境光遮蔽(occ_map)貼圖，通過(guò)灰度值體現(xiàn)模型表面某一點(diǎn)處的高光效果和模型之間互相影響的光照效果，能夠讓模型在交互過(guò)程中具有更高的真實(shí)感。

3.3 標(biāo)記物設(shè)計(jì)

標(biāo)記物是AR系統(tǒng)中，關(guān)聯(lián)真實(shí)世界場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的重要媒介。標(biāo)記物本質(zhì)是便于算法識(shí)別的灰度圖像。早期AR算法僅支持規(guī)則黑白二值圖形識(shí)別，需要將標(biāo)記物設(shè)計(jì)為類(lèi)似二維碼的抽象形狀。目前識(shí)別算法性能提高，使得用戶可以自定義具有語(yǔ)義信息的標(biāo)志圖形，關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)三維模型實(shí)現(xiàn)融合顯示。在耀州瓷展示系統(tǒng)中，標(biāo)記物設(shè)計(jì)恰好是體現(xiàn)極具耀州瓷器型、紋飾形狀特色的最佳載體。

標(biāo)記物設(shè)計(jì)采用手繪耀州瓷文物的形式實(shí)現(xiàn)。手繪形狀具有唯一性，相比規(guī)則形狀具有更高辨識(shí)度，有助于算法從圖案中尋找特征點(diǎn)。顏色上采用青綠背景搭配純白色線條，利用陰影等細(xì)節(jié)效果提高顏色對(duì)比度。形狀上需要避免出現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)紋理，影響算法識(shí)別效果。最重要的是標(biāo)記物本身即為瓷器形狀的抽象展示，利于用戶對(duì)文物產(chǎn)生直觀印象。將設(shè)計(jì)好的標(biāo)記圖案上傳AR開(kāi)發(fā)包的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行注冊(cè)，關(guān)聯(lián)相應(yīng)三維模型即可實(shí)現(xiàn)混合展示。圖3是根據(jù)耀州瓷文物設(shè)計(jì)的標(biāo)記圖案，每個(gè)圖案只能與一件瓷器文物模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)耀州瓷VR展示原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Unity3D可提供跨平臺(tái)的項(xiàng)目遷移，因此一次開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序可同時(shí)發(fā)布于桌面應(yīng)用，以及安卓、ios不同移動(dòng)終端系統(tǒng)。在Unity3D中需要對(duì)三維模型的渲染效果進(jìn)行處理，其次是開(kāi)發(fā)圖形用戶界面和背后的交互功能。圖4對(duì)比了刻花耀州瓷盤(pán)圖片[7]和處理材質(zhì)后虛擬環(huán)境下的展示效果，左一為文物圖片，可以看到二維圖片展示效果非常平面；而右面經(jīng)過(guò)多通道貼圖融合的三維模型，既能夠更好的表現(xiàn)耀州瓷器的釉色和刻花紋理，還可以支持交互瀏覽，全方位多角度觀察文物細(xì)節(jié)，具有更強(qiáng)的真實(shí)感。

AR展示效果利用高通公司的Vuforia SDK進(jìn)行開(kāi)發(fā)。首先將注冊(cè)好的標(biāo)記圖像和處理好材質(zhì)的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，在場(chǎng)景中調(diào)整模型和標(biāo)記的相對(duì)位置。調(diào)用SDK中的AR camera替換默認(rèn)相機(jī)，該相機(jī)集成了AR算法，對(duì)攝像頭采集到的視頻幀進(jìn)行分析處理，識(shí)別標(biāo)記物位置，同時(shí)對(duì)三維模型進(jìn)行渲染。圖5為Unity3D引擎中AR展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)界面，需要利用密鑰激活A(yù)R套件的算法功能。

作為游戲開(kāi)發(fā)引擎，Unity3D提供物理屬性模擬的基本功能。因此虛擬環(huán)境中的耀州瓷模型不僅是可以旋轉(zhuǎn)移動(dòng)觀察的三維物體，同時(shí)還可以模擬真實(shí)世界的其他屬性和行為。比如碰撞、破碎、幾何形變。為增強(qiáng)交互趣味性，在原型系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)了重力感應(yīng)小游戲，在AR展示界面，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式控制耀州瓷文物空間移動(dòng)，承接屏幕上落下的虛擬水果，引導(dǎo)用戶對(duì)文物進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)觀察。在后續(xù)研究中，考慮進(jìn)一步模擬幾何模型的真實(shí)物理屬性，開(kāi)發(fā)更多交互功能，如虛擬耀州瓷破碎與修復(fù)，模擬刻花工藝等，進(jìn)一步提高AR展示的交互性和真實(shí)感。

4 小結(jié)

作為一座歷史名窯，耀州窯經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，探索出獨(dú)特的燒造工藝，形成了耀州瓷獨(dú)特的紋飾和器物造型風(fēng)格，具有極高的歷史文化研究?jī)r(jià)值。本文提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的耀州瓷展示設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)。利用移動(dòng)應(yīng)用支持的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)，不僅能夠提升耀州瓷器的展示效果，還能有效促進(jìn)耀州瓷文化宣傳傳播，提高展示交互趣味性，為耀州瓷器展示傳播提出新的思考和可行路線。