福建民間造船工藝三維虛擬展覽的設(shè)計與實現(xiàn)

陳凱晴，劉芝鳳

(1.廈門理工學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024；2.南通大學(xué)海洋文化資源研究院，江蘇 南通 226019)

中國是世界上最早造船行舟、走向海洋的國家之一。傳統(tǒng)民間造船工藝承載著中國造船的悠久歷史和沿海居民的生活、情感、信仰與精神。在以洋流、季風(fēng)與人力為航海動力的時代,無論是船只建造的規(guī)模，還是航海的能力、航海技術(shù)的掌握,中國東南沿海區(qū)域的民眾都創(chuàng)造了木質(zhì)帆船時代的典范[1]。但是，建造木帆船需要耗費大量的木材原料，因此，在保護生態(tài)環(huán)境成為人類共同的責(zé)任、鐵殼船陸續(xù)普及的當(dāng)代，傳統(tǒng)造船技術(shù)變成瀕危技藝。習(xí)近平總書記在2000年8月關(guān)于籌建福建古代船舶發(fā)展史陳列館的一份親筆批示中，充分肯定了傳承造船文化的重要性[2]。福建泉州曾啟動大規(guī)模古代木帆船科學(xué)復(fù)原工程，組織全國專家學(xué)者和造船工匠，經(jīng)過8年努力，完成了百種船型的復(fù)制，并通過博物館實體展覽保存。但是，受限于地域場所和開放時間，博物館受眾面和傳承范圍都存在一定的局限性。隨著5G時代的到來，信息的傳播方式已經(jīng)從二維交互朝向三維交互發(fā)展。三維虛擬展覽是將數(shù)字科技應(yīng)用于博物館展覽展示，是在語音導(dǎo)覽、App掃碼講解、視頻展示的基礎(chǔ)上，通過虛擬技術(shù)達到觀展人與展覽內(nèi)容交互的沉浸式體驗的探索。其優(yōu)勢在于實現(xiàn)了動態(tài)視頻、音頻和虛擬現(xiàn)實的多媒體融合，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)進行訪問參觀，不受時空限制。國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，多集中于針對博物館展覽的虛擬技術(shù)設(shè)備的開發(fā)[3-5]，而技術(shù)的應(yīng)用存在形式單一和內(nèi)容局限的問題。因此，仍需進一步拓展和探索三維虛擬技術(shù)在各類非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護信息化中的實際應(yīng)用。福建民間造船工藝的傳承和保護缺乏多元化的渠道，尤其是在陳列展覽和宣傳教育方面，需要構(gòu)建更加符合現(xiàn)代觀眾的需求的信息傳達方式。三維虛擬展覽可以將數(shù)據(jù)可視化，同時擴展受眾。因此，本課題組通過深入調(diào)研，對福建民間傳統(tǒng)造船技藝、工藝流程進行數(shù)據(jù)挖掘，并運用三維建模與全景漫游技術(shù)，將三維虛擬展覽應(yīng)用于傳統(tǒng)造船工藝的再現(xiàn)和傳承，以探索保護民間造船傳統(tǒng)工藝與傳承技術(shù)的數(shù)字化模式。

一、虛擬展覽的主要應(yīng)用形式

傳統(tǒng)的展覽因為是在觀展者步行閱看的形式下展示的，要求展覽陳設(shè)結(jié)構(gòu)清晰明確，需要遵循空間或展品歷史發(fā)展演變的邏輯順序，且展品位置固定不變，展覽的敘事結(jié)構(gòu)難以改變。虛擬展覽則提供了另外的可能，只需要在展覽中提供清晰的界面導(dǎo)航，使觀展過程步驟化，就可以設(shè)計不同的觀展路線，為受眾提供更多的選擇。例如，可以將展品中的特征元素作為獨立的標(biāo)簽，由觀展者選擇感興趣的標(biāo)簽來觀看展覽信息，呈現(xiàn)多元的、非線性的觀展方式。虛擬展覽的優(yōu)勢還包括從淺層敘事轉(zhuǎn)向深度內(nèi)容的交互。淺層信息指的是觀展者通過文字、圖片和實物獲取信息，大部分延伸內(nèi)容都依靠想象。觀展者的常態(tài)是缺乏目的的走馬觀花，很難擁有與策展人一樣深刻的理解，要在有限的觀展時間內(nèi)完成對展品的文化背景學(xué)習(xí)是十分困難的。虛擬展覽則可通過可視化的動畫效果和互動的圖形界面，構(gòu)建起目標(biāo)清晰、主次分明的視覺認(rèn)知層次，生動地復(fù)原展覽中必要的時代場景。觀展者通過觸感交互參與到具體的展示過程中，大到整個歷史情節(jié)的講述，小到一件工具的使用方法，均可詳細(xì)查看展品和環(huán)境場景細(xì)節(jié)，有助于獲取信息體驗。

目前，虛擬展覽主要有三類應(yīng)用形式。一是在實體博物館內(nèi)進行全景拍攝，然后將圖片拼接生成球狀的全景展覽，使參觀者可以體驗360°觀展，體驗感較好。如故宮博物院的紫禁城360°全景漫游。二是基于網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實技術(shù)模式的虛擬展覽。通過Unity3D、Cult3D等虛擬場景技術(shù)與Maya、3D Max 等三維建模軟件的結(jié)合，用戶可以通過控制鍵盤或鼠標(biāo)，實現(xiàn)在虛擬的場景內(nèi)體驗展覽。例如，甘肅省博物館的絲綢珍品虛擬展覽，采用超高清數(shù)字技術(shù)和三維影像，通過人機交互界面，在展示珍貴展品的同時，讓參觀者與虛擬場景中的展品進行互動，整個展覽就像一部生動的影片。影像、音樂和交互技術(shù)營造了多層次的觀展體驗，讓觀展者仿佛置身于展品所處的環(huán)境和年代，這種趣味性和沉浸式的藝術(shù)體驗是傳統(tǒng)展覽很難呈現(xiàn)的[6]53。三是用戶通過佩戴數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)眼鏡等虛擬現(xiàn)實設(shè)備，體驗置身于動態(tài)三維模型構(gòu)建的虛擬場景中漫游的感覺。觀眾通過視覺或肢體觸覺等交互功能，能模擬觸摸三維仿真中的展品，獲得與真實世界感知相符的體驗，從而完成沉浸式用戶體驗的構(gòu)建[6]54。例如，大英博物館通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓游客進入青銅時代，參與模擬古代祭祀太陽的各種儀式。再如，底特律博物館的虛擬展覽，還原了幾千年前古巴比倫浮雕最初的模樣，觀眾可以通過VR眼鏡看到木乃伊被繃帶包裹下的骨架。觀展者不但可以放大觀看展品的所有細(xì)節(jié)，還可以停駐或直穿過場景，從各個角度觀看。這種沉浸式體驗讓人們對文化遺產(chǎn)的認(rèn)識、理解、回味向縱深發(fā)展。[7]但此類展覽形式制作費用較高，而且虛擬現(xiàn)實設(shè)備尚未普及，若要求展覽時為每個觀眾都配備VR眼鏡等虛擬現(xiàn)實設(shè)備，并不現(xiàn)實，這會影響觀展人數(shù)，縮小受眾范圍。

二、民間造船工藝三維虛擬展覽設(shè)計流程

為了滿足觀展人的沉浸式體驗，吸引更多的觀展人，本課題組以福建民間造船工藝為例，構(gòu)建采用鼠標(biāo)點擊或手指操控平板電腦的三維虛擬展覽。

福建民間造船工藝三維虛擬展覽的設(shè)計流程主要分為文案設(shè)計、三維模型及動畫設(shè)計、虛擬展示交互程序制作三個環(huán)節(jié)。在文案設(shè)計環(huán)節(jié)，課題組首先對福建海洋非遺文化的紙質(zhì)檔案、數(shù)字化檔案進行調(diào)研和分析，從多個維度對福建民間造船工藝的歷史資料進行數(shù)據(jù)采集，并將其建構(gòu)成完整的時間序列；再將民間造船工藝與沿海城市發(fā)展、海洋商貿(mào)史以及東南海洋資源利用史料相結(jié)合，對不同地域的造船工藝進行梳理，整理挑選有代表性的制作工藝和制作過程，最終形成完整的設(shè)計文案。三維模型及動畫設(shè)計環(huán)節(jié)，第一步是先完成用戶界面設(shè)計，設(shè)計風(fēng)格著重體現(xiàn)民間造船所承載的歷史感；第二步是按照前期調(diào)研中獲得的數(shù)據(jù)完成不同船型、造船工具以及相關(guān)模型制作；第三步是采用動畫方式重現(xiàn)造船的完整過程，這是虛擬展示交互程序制作環(huán)節(jié)，先在Unity 3D的程序設(shè)計開發(fā)制作中，導(dǎo)入已完成的三維模型和動畫資料，然后進行程序?qū)С?、測試等制作。

(一)文案設(shè)計

東南海洋文化種類繁多、形態(tài)多樣，呈現(xiàn)大分散、小集中的特點，分散于沿海各地的造船工藝既有統(tǒng)一的文化內(nèi)涵，也出現(xiàn)一些融合地方特色的風(fēng)格類型。泉州早在唐代前就設(shè)有造船工寮，能制造各種大小的河船、海船、戰(zhàn)船。福建造船是中國民間造船的歷史縮影，是中國古代文明的文化符號和標(biāo)識之一[8]。宋、元、明、清時期，福建沿海地區(qū)的民間木質(zhì)帆船用于貿(mào)易經(jīng)商、運輸、捕魚。商船、運輸船航行于天津至海南的沿海港口，船體總長在20～30米左右，2～3個桅桿；遠(yuǎn)洋商船航行于日本、東南亞各國，采用多營位多桅桿建造形式，船體總長在30～60米左右。

本課題研究對象涵蓋清代至20世紀(jì)60年代福建沿海地區(qū)的5種漁船船型：流刺網(wǎng)漁船、圍網(wǎng)漁船、定置網(wǎng)漁船、漏尾拖網(wǎng)漁船、釣魚船。5種船型各有特點。例如，船型較小的流刺網(wǎng)漁船以及圍網(wǎng)漁船，多為露艙、4個營位建造、單桅桿。此類漁船回旋性能好，便于圍捕魚群，大部分采用櫓槳操作。兩艘同型船組成單位的拖網(wǎng)漁船，航速較快，適用性及適航性均較好，具有遠(yuǎn)航能力。

在前期調(diào)研中，課題組進一步整理了船舶部件 (桅、帆、舵、錨、絞車等)、船舶裝飾與彩繪(抱括船眼、船旗、船頭、船身、船尾彩繪)，以及開角形、虎口形、鴨舌形、鳥頭形4種船舶外觀。福建民間造船工藝很注重船體外觀和裝飾，一般來說，船頭畫仙字頭、獸頭、水波浪；船體左右側(cè)面畫有圖案，主要有五銃孔、草仔花、裝穩(wěn)條等圖案；船尾繪制雄鷹展羽、云過月、八仙過海、倒吊鳳，左右畫公婆坐木盆等體現(xiàn)嶺南文化和閩南文化的圖案。在閩南地區(qū)，木帆船的側(cè)面還會繪制眼睛以及泥鰍吉祥物。課題組將造船工藝的地域性作為展覽分類劃分依據(jù)，以體現(xiàn)福建沿海各地不同造船工藝的文化內(nèi)涵及主要社會功能。在各個分展覽中不僅介紹該地域的造船工具、造船工藝基本知識，還包含歷史淵源以及相關(guān)民俗。例如，閩南的造船民俗包含釘龍眼，一只龍眼要打三支鐵釘，釘頭要掛三條紅布條，并要擇日祭拜，保一帆風(fēng)順。展覽內(nèi)容結(jié)合造船工藝和沿海地區(qū)富有特點的地域文化，向人們傳達沿海地區(qū)積淀的深厚的發(fā)展歷史與豐富的民俗文化，并從造船工藝延伸至貝雕、漁歌號子、漁鼓等傳統(tǒng)文化。在此基礎(chǔ)上，以時間線建立綜合展覽，介紹造船工藝的發(fā)展以及造船工藝與沿海地區(qū)民俗之間的聯(lián)系。此外，課題組還將漁用繩索、船帆制作等手工技藝的互動體驗納入設(shè)計框架中，不但讓體驗者獲得多感官體驗，還可以通過網(wǎng)絡(luò)鏈接，與線下青少年研學(xué)活動相結(jié)合，開展手工藝的體驗活動，全方位地傳承海洋文化。

由此，課題組將民間造船工藝虛擬展覽的設(shè)計歸納為四個部分：數(shù)字化重現(xiàn)、文化地圖電子沙盤、參與互動體驗、展品深度解讀。既將展館中的所有內(nèi)容緊密地聯(lián)系起來，又使觀眾得以深入了解造船工藝與海洋文化之間的關(guān)系，從而使展覽形成由淺入深、從下至上、密不可分的層級關(guān)系，形成工具、工藝、民俗文化之間的緊密聯(lián)系和交融貫通。

(二)三維模型及動畫設(shè)計

1.設(shè)計目的和過程

課題組設(shè)計的虛擬展覽，旨在為觀展者建構(gòu)可視化的場景，直觀形象地向觀展者展示福建民間造船工藝的社會情境，使觀眾了解不同的造船工藝與沿海地區(qū)民俗文化的相關(guān)知識；再通過圖文熱點、模型熱點使用戶深入了解造船工藝及基本知識。設(shè)計重點包含：(1)增強展品的視覺效果，補充展品未能展現(xiàn)的部分，如時代背景、相關(guān)的工具等；還原造船工藝制作場景，如造船工藝制作過程，使展覽更加完整、直觀、生動；(2)通過添加音頻、視頻、互動效果等在展品實物上標(biāo)注介紹信息，有針對性地、直觀地向觀眾介紹說明展品歷史信息，使展品的背景信息獲得更大的拓展和豐富；(3)針對需要介紹沿海地區(qū)地域信息的展項，通過構(gòu)建三維虛擬沙盤信息，使用戶直接獲得地理結(jié)構(gòu)信息介紹。

虛擬展覽界面設(shè)計目的是為觀展者提供清晰的檢索功能，突出展覽特色。展覽的界面導(dǎo)航主要包括三大功能模塊: 數(shù)字化重現(xiàn)、展品深度解讀、文化地圖漫游。設(shè)計基于點線面元素的有效布局，能夠使用戶以最快的速度找到所需信息，并產(chǎn)生良好的體驗感受。例如，文化地圖漫游模塊以福建沿海地區(qū)地圖展示的方式，使用戶能俯瞰民間造船工藝的地域分布，并提供實時的定位，觀展者可以通過導(dǎo)航快速便捷地移跳到相應(yīng)的船型展覽處。這種地圖設(shè)計有助于觀展者梳理不同地域的民間造船工藝的區(qū)別與聯(lián)系。

三維展品和場景的構(gòu)建過程，是造船工藝數(shù)據(jù)的采集、創(chuàng)建、整理、分類并最終建成一個完善的數(shù)據(jù)庫體系的過程。課題組使用Auto Desk MAYA構(gòu)建具有東南沿海地區(qū)特色的虛擬展覽場景，使用戶仿佛置身于一個真實的造船場景當(dāng)中進行游覽。此外，課題組還為每項造船工藝和船型提供了圖文與視頻，介紹船的建造形式與文化內(nèi)涵，并提供模型全景，讓用戶可以360°旋轉(zhuǎn)觀看船體，對船的各個細(xì)節(jié)進行更加細(xì)致的觀賞。課題組設(shè)計的福建民間造船虛擬展覽的主界面如圖1所示。

圖1 民間造船虛擬展覽主界面設(shè)計Fig.1 Interface of the traditional shipbuilding virtual exhibition

2.場館與造船工具建模

系統(tǒng)使用Auto Desk MAYA制作具有東南沿海區(qū)域特色的民間造船工藝博物館，根據(jù)布局設(shè)計，使用建模工具構(gòu)建三維展廳。在民間木船的建模中，通常使用曲線工具繪制和放樣生成模型，三級模型在軟件中不同視角的展示情況如圖2所示。對于場館內(nèi)展示的造船工具亦采用相同的制作方法。課題組已完成閩臺傳統(tǒng)木帆船三維虛擬展覽模型，包含泉州鱘埔螃蟹舢板船、惠安拖網(wǎng)捕撈船、漳州海澄商船、寧德丹陽船(圖3)等傳統(tǒng)海洋船的建模。完成模型后，依照造船流程，在軟件中渲染輸出每種船型的船體結(jié)構(gòu)三維模型流程圖(如圖4)，并使用三維模型的線框渲染圖完整記錄船型結(jié)構(gòu)尺寸(如圖5)，進行可視化、數(shù)字化保護。

圖2 民間漁船三維模型在軟件中不同視角的展示Fig.2 Fishing boat models in different perspectives

圖3 福建寧德丹陽船三維模型Fig.3 Model of Danyangboat of Ningde Fujian

圖4 三維模擬造船過程圖Fig.4 Model of shipbuilding in process

圖5 福建泉州捕蟹船尺寸圖Fig.5 Dimensions of merchant boat of Quanzhou Fujian

3.造船工藝動畫展示

以福建泉州捕蟹船為例，課題組通過動畫視頻展示船的基本形制以及建造過程(見圖6)。觀展者可通過點擊熱點對船體進行360°旋轉(zhuǎn)觀看，可點擊年代或者城市地圖熱點了解相關(guān)的民俗文化以及木帆船與沿海民居生活、海洋文化的關(guān)系。如漏尾船的虛擬場景(圖7)展示，就再現(xiàn)了20世紀(jì)80年代已消失的雙船出海捕撈的畫面，讓觀展者對船型與拖網(wǎng)比例有更加清晰和直觀的了解。

圖6 福建泉州捕蟹船造船工藝動畫展示Fig.6 Animation of building crafts for crab-boat in Quanzhou Fujian

圖7 漏尾拖網(wǎng)漁船雙船出海捕撈虛擬場景Fig.7 Virtual scene of two trawlers at work

(三)虛擬展示交互程序制作

虛擬展示功能通過支持手機、電腦和虛擬現(xiàn)實設(shè)備平臺的Unity3D實現(xiàn)，將Auto Desk MAYA生成的三維文件導(dǎo)入Unity3D中生成全景漫游以及人機交互功能，從而使用戶仿佛置身于真實的展廳中身臨其境地游覽。課題組通過使用計算機視覺跟蹤和配準(zhǔn)技術(shù)，將位置數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)戒秩灸K，并將虛擬展覽加載到真實場景中。觀眾可以在虛擬展覽中朝多個方向移動，如可根據(jù)自己的瀏覽需求，在前、后、左和右方向漫游，控制方法可以是鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手柄或頭盔。虛擬展示流程分為圖像標(biāo)識和交互實現(xiàn)兩個環(huán)節(jié)，虛擬漫游和實時互動功能設(shè)計流程具體如圖8所示。

圖8 虛擬漫游和實時互動功能設(shè)計流程Fig.8 Process of virtual tour and real-time interaction design

三維場景和展品構(gòu)建完成后，使用VARY渲染器生成渲染圖，并選擇球形攝像機拍攝360°全景視野。首先，將Auto Desk MAYA中生成的三維模型輸出為fbx格式的文件，將其導(dǎo)入Unity項目中的Assets文件夾，并對三維模型進行著色和實體化。完成虛擬展廳內(nèi)的建立后，在虛擬地面上添加模擬物體碰撞效果的屬性，避免在第一人稱視角下產(chǎn)生人物和場景滲透的錯誤顯示。其次，在Unity3D中，使用圖像識別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫調(diào)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)觀展者與展覽展品之間的交互，并通過程序編譯語言添加計算機指令。最后，通過連接控制手柄測試三維虛擬場景中的第一人稱視角的虛擬漫游情況。最終，用戶可以通過顯示終端實現(xiàn)展覽互動系統(tǒng)的虛擬漫游和實時互動。

三、結(jié)語

針對民間造船工藝的特點、保護與傳承需求，本課題組以前期的田野調(diào)查、數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，整理民間造船工藝項目，對各類資源進行整合提煉，設(shè)計展覽內(nèi)容文案。并基于觀展者的需求，添加沿海地區(qū)民俗為展覽內(nèi)容，集成民間造船工藝的相關(guān)圖文聲像等資料，呈現(xiàn)典型的造船工具、工藝流程及其蘊含的民俗文化要素。然后，使用Auto Desk MAYA構(gòu)建展覽場景和三維展品模型，并通過球形攝像機渲染出全景圖；使用Unity3D實現(xiàn)具有一定交互功能和沉浸體驗的虛擬展覽漫游系統(tǒng)。通過三維建模技術(shù)與全景技術(shù)的結(jié)合，虛擬展覽不僅完整保存了民間造船的歷史數(shù)據(jù)，清晰地再現(xiàn)了制作工藝流程，并且通過交互式沉浸體驗加深了觀展人對福建海洋文化和民俗的了解。

民間造船工藝三維虛擬展覽可應(yīng)用于海洋文化遺產(chǎn)網(wǎng)站，或與實體博物館相結(jié)合，為觀展者提供更加豐富的交互體驗，還可作為民間造船工藝課程的輔助教學(xué)工具，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，傳承我國瀕臨失傳的傳統(tǒng)技藝文化，保護并可持續(xù)地傳承中國海事文化遺產(chǎn)，使中華文明連綿永續(xù)。