基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)方法及應(yīng)用

簡介

傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)作為現(xiàn)代藝術(shù)的呈現(xiàn)方式，是一種集知識(shí)、藝術(shù)、技術(shù)于一體的表現(xiàn)形式。隨著信息技術(shù)、3D立體圖像技術(shù)、虛擬交互技術(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)修復(fù)動(dòng)畫數(shù)字化手段的數(shù)字化改造與創(chuàng)新，構(gòu)建3D立體效果的虛擬互動(dòng)木雕修復(fù)展示系統(tǒng)，對(duì)展示真實(shí)空間和保護(hù)傳統(tǒng)木雕具有重要意義。傳統(tǒng)木雕損壞或腐蝕的部分無法向世界展示其原有的文化特色。這是對(duì)古代建筑和裝飾文化的不完整呈現(xiàn)。因此，輔以數(shù)字形式，保存?zhèn)鹘y(tǒng)木雕的全貌，對(duì)于人類了解古建筑和古村落的歷史文化、建筑格局、人類生活具有重要意義，這也是一項(xiàng)具有前瞻性的舉措。

在應(yīng)用技術(shù)方面，3D立體投影技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）交互技術(shù)已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用于不同的藝術(shù)領(lǐng)域。例如，3D立體投影技術(shù)在今天的電影工業(yè)中得到應(yīng)用，虛擬交互技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)游戲中得到成功應(yīng)用。然而，很少有研究將兩者結(jié)合在一個(gè)領(lǐng)域。究其原因是應(yīng)用載體不合適，人們還沒有充分認(rèn)識(shí)到3D立體投影技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)相結(jié)合在同一領(lǐng)域的價(jià)值和前景。傳統(tǒng)木雕的數(shù)字化修復(fù)是該技術(shù)應(yīng)用的最佳載體，其為傳統(tǒng)木雕修復(fù)的藝術(shù)表現(xiàn)提供了新的技術(shù)和手段。

針對(duì)上述技術(shù)手段，本文提出了將3D立體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)木雕數(shù)字修復(fù)的實(shí)用設(shè)計(jì)和理論研究中。研究主要包括傳統(tǒng)木雕結(jié)構(gòu)再現(xiàn)設(shè)計(jì)、立體影像制作、虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)以及3D立體和虛擬現(xiàn)實(shí)兩者結(jié)合應(yīng)用技術(shù)與多通道立體投影系統(tǒng)應(yīng)用。

相關(guān)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是近年來興起的一種高科技數(shù)字技術(shù)工具，也稱為極光技術(shù)或人工環(huán)境。其是涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。其利用計(jì)算機(jī)軟件生成逼真的三維圖像，具有聽覺、觸覺和嗅覺等感官體驗(yàn)功能，使體驗(yàn)者能夠自然地體驗(yàn)構(gòu)建的虛擬世界并與之互動(dòng)。例如，當(dāng)體驗(yàn)者移動(dòng)位置或改變手勢(shì)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)立即執(zhí)行計(jì)算，從而使3D世界圖像移動(dòng)或改變，讓體驗(yàn)者產(chǎn)生空間存在感。虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過可視化來操縱計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)并與之交互的一種新方式?！疤摂M現(xiàn)實(shí)”是一種計(jì)算機(jī)生成的媒體?！艾F(xiàn)實(shí)”一詞是指在物理或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境。

傳統(tǒng)木雕修復(fù)動(dòng)畫

傳統(tǒng)木雕修復(fù)動(dòng)畫是利用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)制作有關(guān)傳統(tǒng)木雕外觀的動(dòng)畫作品，是現(xiàn)代古建數(shù)字化修復(fù)的重要手段。如圖1所顯示的是圓明園舊址的3D修復(fù)。

傳統(tǒng)木雕模型設(shè)計(jì)與制作技術(shù)

模型建筑是完成傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)木雕模型設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：

1.模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，符合傳統(tǒng)木雕的文化特色。模型必須嚴(yán)格按照文檔和原始圖像提供的參考資料進(jìn)行構(gòu)建。場景模型必須符合歷史，家具必須符合空間設(shè)計(jì)的實(shí)際規(guī)模和位置。對(duì)于傳統(tǒng)木雕來說，模型的搭建比較復(fù)雜。如何還原真實(shí)的場景是建模的關(guān)鍵。

2.材料映射細(xì)致，符合年代感。傳統(tǒng)木雕修復(fù)動(dòng)畫是傳播古代文化信息的載體，滿足了人們想要了解、認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)和研究原始古跡的需求。展示傳統(tǒng)木雕的真實(shí)形象很重要。映射的材料要求是對(duì)原始建筑材料的詳細(xì)分析和對(duì)原始建筑的詳細(xì)映射。

交互式3D效果技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)木雕數(shù)字化保護(hù)的應(yīng)用技術(shù)手段是數(shù)字化生產(chǎn)和展示。數(shù)字保護(hù)和修復(fù)的最大目的是記錄和傳承歷史?，F(xiàn)在許多國家和地區(qū)都在建立數(shù)字博物館和畫廊，供人們參觀和學(xué)習(xí)。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人們需求的轉(zhuǎn)變，原有的傳統(tǒng)木雕動(dòng)畫表演形式已經(jīng)不能滿足人們對(duì)消失的傳統(tǒng)木雕進(jìn)行更深入、更透徹、更直觀的認(rèn)識(shí)。將3D技術(shù)和虛擬交互技術(shù)應(yīng)用到還原動(dòng)畫中，雖然無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的觸覺，但可以在動(dòng)畫中以第一人稱觀看傳統(tǒng)木雕，隨心所欲地設(shè)計(jì)漫游路線，同時(shí)也感受傳統(tǒng)木雕的真實(shí)空間感。

系統(tǒng)比較

傳統(tǒng)木雕虛擬現(xiàn)實(shí)交互展示設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)木雕的原始修復(fù)動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)3D立體效果和互動(dòng)體驗(yàn)效果，同時(shí)可以解決目前傳統(tǒng)木雕修復(fù)的難題，如重建所需的土地問題、修復(fù)原貌的技術(shù)問題、修復(fù)周期長的問題。（如下表所示）

系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)思維過程

傳統(tǒng)木雕立體效果虛擬現(xiàn)實(shí)交互展示系統(tǒng)的開發(fā)需要經(jīng)過市場調(diào)研與需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用、運(yùn)行與測(cè)試、效果評(píng)估五個(gè)階段。該系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)以下功能：1.建筑模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的3D可視化（模型設(shè)計(jì)、材質(zhì)UV貼圖設(shè)計(jì)、燈光設(shè)計(jì)）；2.立體成像技術(shù)的應(yīng)用；3.虛擬交互技術(shù)設(shè)計(jì)；4.立體顯示技術(shù)。

技術(shù)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為兩類。一是PC上傳統(tǒng)木雕3D效果的虛擬交互展示設(shè)計(jì)；二是多通道立體投影下傳統(tǒng)木雕3D效果的虛擬交互展示設(shè)計(jì)。步驟相同，不同的是第二種在第一種的基礎(chǔ)上增加了投影設(shè)備和攝像設(shè)備?？刂圃O(shè)置與PC相同，只是鼠標(biāo)方向控制轉(zhuǎn)換為角色行走動(dòng)作的捕捉。

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)中的發(fā)展與實(shí)現(xiàn)

3D可視化傳統(tǒng)木雕模型的實(shí)現(xiàn)

我們用三個(gè)部分來詳細(xì)描述傳統(tǒng)木雕3D效果的交互設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。具體內(nèi)容包括程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、資源文件設(shè)計(jì)、程序難點(diǎn)的具體實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)最重要的部分是傳統(tǒng)木雕展示的數(shù)字化，而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)木雕數(shù)字化的前提步驟是模型。另外，了解傳統(tǒng)木雕的結(jié)構(gòu)也極為重要，其修復(fù)傳統(tǒng)木雕動(dòng)畫就是不加修飾地還原傳統(tǒng)木雕的原貌。

傳統(tǒng)木雕模型的創(chuàng)建一般從幾何開始，創(chuàng)建可編輯的盒子幾何，根據(jù)模型的大致形狀在布局中添加線條，調(diào)整分區(qū)，從整體到局部，循序漸進(jìn)。漸進(jìn)式，如果幾何圖形數(shù)量不足，則添加新幾何圖形以創(chuàng)建新對(duì)象。但是，將多邊形行數(shù)和面數(shù)保持在最低限度的原因是為了節(jié)省資源。隨之而來的問題是模型過于簡單，不夠詳細(xì)。如果你正在制作一個(gè)生物模型，最好確保所有表面都是四邊形，以免在物體運(yùn)動(dòng)時(shí)撕裂貼圖。為了讓體驗(yàn)者對(duì)模型感到滿意，模型建立要專注于局部要點(diǎn)而不是整體，并在3D相機(jī)和控制范圍之外簡化模型。還要適當(dāng)考慮模型的尺寸、材料的種類和制作成本，以確保藝術(shù)與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合。

對(duì)于建筑模型，布置照明以創(chuàng)建逼真的自然環(huán)境光效果很重要。要在軟件中創(chuàng)建理想的照明效果，就必須了解自然界中的光。在自然環(huán)境中，只有一種光源，那就是太陽，而太陽的光線來自多個(gè)方向，原因是來自太陽的直射光會(huì)被某些物體折射或反射，這構(gòu)成了直接光和間接光。

要想創(chuàng)建立體圖像，了解立體成像的原理很重要。由于人眼的瞳孔距離約為65mm，當(dāng)人們用雙眼看物體時(shí)，左右眼分別看到物體的左右兩側(cè)。雙眼可以看到場景左右兩側(cè)物體的細(xì)節(jié)。這意味著在人的視網(wǎng)膜上形成了兩個(gè)相似的具有水平視差的二維圖像，而物體在左右視網(wǎng)膜上的成像略有不同。這意味著通過雙目視差再現(xiàn)兩個(gè)二維圖像以形成三維圖像。我們看立體電影就是模擬人眼3D成像的原理，先將左右眼的單眼影像記錄下來，通過投影儀和相應(yīng)的立體投影設(shè)備，讓觀眾左右眼分別看到對(duì)應(yīng)的單眼影像，再通過大腦再現(xiàn)成三維影像。從技術(shù)上講，這意味著左右雙像分別投射和反映在觀眾的左右眼中。為了實(shí)現(xiàn)雙目圖像，我們必須創(chuàng)建一個(gè)雙目虛擬相機(jī)來捕捉它。雙目相機(jī)拍攝的左右眼圖像，通過大腦復(fù)制成一個(gè)三維圖像。

虛擬交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在模型完成的最后階段，對(duì)物體進(jìn)行碰撞控制，因?yàn)槟Ｐ拖鄼C(jī)可以穿過物體，而在現(xiàn)實(shí)生活中，我們?nèi)祟悷o法穿過物體，所以我們必須對(duì)攝影進(jìn)行碰撞控制。這意味著攝像機(jī)模擬人眼，攝像機(jī)的移動(dòng)模擬人物行走，遇到墻壁和障礙物時(shí)無法穿過物體，因此更加逼真。

“立體視覺”是大腦對(duì)立體圖像的“深度”感知的滿意度。從傳統(tǒng)平板顯示器的“單目線索”中獲取“深度感知”并不容易，難點(diǎn)在于人們對(duì)二維圖像的習(xí)慣。單目線索包括明暗、相對(duì)大小、空間透視（或大氣透視）、運(yùn)動(dòng)視差（通過附近物體穿過視野進(jìn)入視野）和深度感知（創(chuàng)建的視覺線索）。通過將附近的模型物體移動(dòng)到比遠(yuǎn)處更遠(yuǎn)的物體的行為，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)學(xué)視差（通過將附近物體移動(dòng)到比遠(yuǎn)處物體更遠(yuǎn)的距離的行為產(chǎn)生的視覺提示），最后，單目線索中的“遮擋提示”（物體在上方和下方或前后被遮擋）和觀點(diǎn)也影響著木雕數(shù)字化修復(fù)的立體視覺效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上為觀看者的眼睛提供了兩個(gè)獨(dú)立的圖像，以創(chuàng)建深度感知效果。當(dāng)查看由一對(duì)相同圖像呈現(xiàn)的特定對(duì)象時(shí)。根據(jù)兩幅圖像的水平距離差（瞳孔取決于兩幅圖像的水平距離差），觀看者的眼睛會(huì)移動(dòng)并“會(huì)聚”在屏幕前面、上面或后面，但人的大腦總是聚焦在屏幕上，從而產(chǎn)生一種不真實(shí)感，而這種不真實(shí)感使我們對(duì)立體場景的感知與現(xiàn)實(shí)世界不同。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們視覺的焦點(diǎn)和收斂是一致的。當(dāng)觀看立體圖像時(shí)，這種已知的反應(yīng)被打破，這就是導(dǎo)致立體視覺不適的原因。雖然大多數(shù)人對(duì)焦點(diǎn)和會(huì)聚的突然差異感到滿意，但有些人看到立體圖像更敏感，會(huì)感到不適、頭暈、圖像混亂。

研究虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)在傳統(tǒng)木雕數(shù)字修復(fù)中的應(yīng)用具有很大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。該方法為傳統(tǒng)木雕修復(fù)提供了全新的數(shù)字展示理念，為體驗(yàn)提供了全新的虛擬臨場感。該研究在傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)領(lǐng)域具有開創(chuàng)性和高度的整合性，拓寬了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，通過實(shí)際開發(fā)和研究，為傳統(tǒng)木雕數(shù)字化修復(fù)提供了一種非常實(shí)用、有效的手段。

參考文獻(xiàn)

[1]王科.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的物品展示[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[2]謝興宇.湘西古村落公共空間建筑保護(hù)探析[J].現(xiàn)代園藝，2014（06）：221.

[3]蘇磊.徽州龍川胡氏宗祠木雕的數(shù)字化保護(hù)與傳承[D].重慶：重慶師范大學(xué)，2012.