虛擬仿真技術(shù)在傳統(tǒng)手工藝保護傳承中的應(yīng)用
——以惠水布依族楓香染為例

安俊芳

(貴州師范學院美術(shù)與設(shè)計學院，貴州 貴陽 550018)

引言

高速發(fā)展的信息化時代，傳統(tǒng)手工技藝領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的保護傳承模式已經(jīng)跟不上時代的腳步。虛擬仿真技術(shù)作為目前世界前沿技術(shù)之一，已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，同時也為傳統(tǒng)手工藝的搶救提供了新思路。越來越多學者意識到虛擬仿真技術(shù)的傳播優(yōu)勢、展示優(yōu)勢和交互優(yōu)勢。

自20世紀90年代開始，世界各國開始將文化遺產(chǎn)資源數(shù)字化項目作為發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)文化信息資源的主要策略。[1]美國、加拿大、法國、英國、意大利、日本等國家在文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護方面成果較為顯著，并且產(chǎn)生了許多成功案例。美國于1995年啟動由美國國會圖書館開發(fā)的“美國記憶”項目，到2001年，“美國記憶”的90個資料庫已上因特網(wǎng)服務(wù)，實現(xiàn)了700萬件文件文獻的數(shù)字化。[2]在三維技術(shù)方面，美國斯坦福大學實施了“數(shù)字化米開朗基羅”項目，利用三維掃描技術(shù)將意大利著名雕塑家米開朗基羅的經(jīng)典作品高精度數(shù)字化。[3]加拿大國家研究委員會(NRC)開發(fā)了具有高分辨率的3D成像系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護。[4]法國盧浮宮是第一個把藏品從展廳搬上網(wǎng)絡(luò)的博物館，現(xiàn)在用戶進入盧浮宮官方網(wǎng)頁，就能夠在網(wǎng)上完成3D“虛擬參觀”。[5]1996年發(fā)起的“羅馬重生”項目，來自意大利、美國、法國、德國和英國的10多名考古學家參與了該項目，項目主要是利用數(shù)字技術(shù)虛擬重建羅馬古城。[6]這是迄今在數(shù)字化重建歷史古城領(lǐng)域規(guī)模最大的項目。英國皮特里埃及文物博物館在3D技術(shù)方面走在了文化遺產(chǎn)數(shù)字化的前沿，它的“3D皮特里”項目利用3D掃描技術(shù)和交互技術(shù)與實際文物相結(jié)合用于展覽。意大利比薩圣安娜大學創(chuàng)建了一個3D虛擬交互平臺，展示意大利托斯卡納傳統(tǒng)青銅熔模鑄造工藝。[7]日本文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)水平走在世界前列，京都大學一直從事文化遺產(chǎn)數(shù)字化的開發(fā)，其超高精度成像系統(tǒng)已被廣泛運用于保存重要的文化遺產(chǎn)，數(shù)字化采集的對象有古寺廟、珍貴的雕像、巨幅畫作、古地毯等。[8]

隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)許多研究機構(gòu)、博物館、圖書館和高校將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護傳承領(lǐng)域，并取得了一些不錯的研究成果。從20世紀90年代初起，敦煌研究院與國內(nèi)外多家機構(gòu)合作，開始了“數(shù)字敦煌”的探索，1998年與美國合作完成了22個典型洞窟的資料數(shù)字化，42個洞窟的“虛擬漫游”。[9]59-602000年故宮博物院與日本凸版印刷株式會社共同開展故宮數(shù)字化項目，重點研究三維可視化技術(shù)在文物保護和展示中的應(yīng)用。[10]此外，還有首都博物館建立的信息集成應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)于博物館的展陳、研究、服務(wù)和管理等工作，以及我國政府支持的國家數(shù)字圖書館工程。高校也積極參與文化遺產(chǎn)數(shù)字化的保護工作，如浙江大學的楚文化編鐘樂舞數(shù)字化研究項目，山東工藝美術(shù)學院的剪紙數(shù)字化項目等。文化部于2010年提出“中國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護工程”，并納入“十二五”規(guī)劃，2011 年正式啟動此工程，分階段逐步實施[11]，完成了非遺資源數(shù)據(jù)庫的項目庫和專題庫建設(shè)，為非遺數(shù)字化保護工作奠定了基礎(chǔ)。

一、關(guān)鍵技術(shù)的選擇

要實現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在傳統(tǒng)手工藝保護傳承中的應(yīng)用，除了專業(yè)的硬件設(shè)備之外，還必須要有支撐虛擬仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合傳統(tǒng)手工藝保護和傳承的需求，選擇的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三維建模、立體顯示、實時視景繪制、觸覺和力量反饋傳感、實時碰撞檢測、人機自然交互與虛擬交互漫游技術(shù)，最大限度地方便用戶操作，為其提供視覺、聽覺、觸覺實時感知交互體驗，使其盡情暢游在傳統(tǒng)手工藝的世界中。

(一)三維建模技術(shù)

營造虛擬環(huán)境是構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)的核心內(nèi)容，三維建模是營造虛擬環(huán)境的前提。三維建模通過獲取物體的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際應(yīng)用的需要，建立虛擬模型。利用幾何建模、物理建模技術(shù)建構(gòu)靜態(tài)的虛擬環(huán)境，模擬真實物體的物理屬性，如物體的光學、形狀等性質(zhì)。表面的紋理及物體間的遮擋關(guān)系和相對位置等，如器具、建筑和人物等，重現(xiàn)真實世界的場景，利用行為建模技術(shù)制作工藝流程演示。

(二)立體顯示技術(shù)

人類感知世界的主要通道是獲取視覺信息，立體顯示技術(shù)是虛擬仿真系統(tǒng)建構(gòu)中非常重要的一項技術(shù)。立體顯示技術(shù)借助3D眼鏡等設(shè)備利用左右眼的視差形成立體圖像。“早在VR研究的初期，計算機圖形學先驅(qū)Ivan Sutherland在其SWORD OF DAMOCLES系統(tǒng)中就實現(xiàn)了三維立體顯示效果。現(xiàn)在流行的VR系統(tǒng)都支持頭盔顯示器或立體眼鏡?！盵12]98最近，國際上發(fā)明了裸眼立體顯示技術(shù)，首次讓人們擺脫了對3D眼鏡的依賴。

(三)實時視景繪制技術(shù)

虛擬仿真環(huán)境提供給用戶視覺立體感的同時，還必須實時生成，這時就會用到實時視景繪制技術(shù)。所謂實時視景繪制技術(shù)是指用戶在虛擬環(huán)境看到的場景要隨著用戶的視點及時更新。當生成虛擬環(huán)境視圖時，就要設(shè)計出好的視頻圖像和數(shù)據(jù)空間，以便計算機系統(tǒng)盡快運行，要實現(xiàn)每秒產(chǎn)生一定數(shù)量的新幀，從而保證系統(tǒng)能在不低于20Hz～30Hz的速率更新顯示。[13]51-53在傳統(tǒng)手工藝虛擬仿真系統(tǒng)中運用實時視景繪制技術(shù)時要保證圖像的質(zhì)量和真實感。

(四)觸覺和力量反饋傳感技術(shù)

觸覺是人類從客觀現(xiàn)實世界獲得信息的重要渠道。在虛擬仿真系統(tǒng)中，傳感通道涉及到用戶的操作和感覺，包括觸覺反饋和力量反饋。利用觸覺和力量反饋傳感技術(shù)，用戶不僅能看到立體圖像，聽到聲音，還能夠通過觸摸感覺到物體的溫度、材質(zhì)、重量，提高了真實感和沉浸感。但目前觸覺和力量反饋傳感技術(shù)的研究主要停留在力量反饋和運動感知方面。

(五)實時碰撞檢測技術(shù)

用戶不僅要能看到虛擬環(huán)境的物體，還要與之交互。當用戶接觸到物體時，要能像真實環(huán)境中那樣做出實時反應(yīng)，這就需要虛擬環(huán)境中的固態(tài)物體不可以穿透，并且需要虛擬仿真系統(tǒng)能及時檢測到碰撞，從而產(chǎn)生碰撞反應(yīng)，及時更新場景。利用實時碰撞檢測技術(shù)可以避免超自然現(xiàn)象的發(fā)生，用戶在虛擬世界才會更有真實感。

(六)人機自然交互技術(shù)與虛擬交互漫游技術(shù)

虛擬仿真系統(tǒng)的研究是以人的感觀為先導(dǎo)，人機交互是指人與計算機之間的信息交流。人機自然交互技術(shù)可以使人在計算機系統(tǒng)提供的虛擬空間中，各種感覺器官直接與之發(fā)生交互，消除人與計算機環(huán)境之間的界限。用戶可以在虛擬場景中自由穿行，通過使用鼠標、鍵盤、操控手柄等來實現(xiàn)。觸覺和力量反饋傳感技術(shù)、人機自然交互技術(shù)、虛擬交互漫游技術(shù)在傳統(tǒng)手工藝虛擬仿真系統(tǒng)操作，特別是在VR虛擬展廳漫游、VR工藝演示環(huán)節(jié)將發(fā)揮重要作用，用戶不僅能沉浸式體驗器物的制作工藝，在虛擬展廳自由漫步，而且能夠自由交互。

二、技術(shù)優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)手工藝的保護，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，主要包括以下幾個方面：

(一)虛擬仿真技術(shù)使傳統(tǒng)手工藝數(shù)字化原真保存

現(xiàn)在，很多傳統(tǒng)手工技藝瀕臨失傳，傳統(tǒng)手工藝的經(jīng)典作品越來越少，傳統(tǒng)手工藝的重要材料無人整理。虛擬仿真技術(shù)擁有可以還原物象立體造型、觸覺、重量、溫度以及運動變化的技術(shù)手段。利用虛擬仿真技術(shù)可以數(shù)字化保存相關(guān)材料、立體呈現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)典作品、虛擬動畫演示工藝流程，將傳統(tǒng)手工藝數(shù)字化、永久性、原真性保存。用戶可以通過操控電腦等設(shè)備多視角、反復(fù)性觀看手工藝術(shù)品和制作技藝。虛擬仿真技術(shù)具有臨場感和交互能力，可以把靜態(tài)的手工藝品轉(zhuǎn)化成動態(tài)，能夠使觀賞者更好地賞析作品，提高了傳統(tǒng)手工藝的藝術(shù)表現(xiàn)力。

(二)虛擬仿真技術(shù)使傳統(tǒng)手工藝的保護傳承打破時空界限

我國傳統(tǒng)手工藝資源豐富但是大多處于偏遠地區(qū)，人們想學習和欣賞優(yōu)秀的作品常常要長途跋涉，或是經(jīng)過艱難的問詢和尋覓。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)解決了這些難題。利用虛擬仿真技術(shù)保護傳承傳統(tǒng)手工藝可以突破時空限制，用戶只要登錄系統(tǒng)即可觀賞手工藝作品，真正達到足不出戶就可以隨時隨地學習，使傳統(tǒng)手工藝資源可以快速、便捷、有效地傳播。

(三)虛擬仿真技術(shù)能夠為傳統(tǒng)手工藝創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)虛擬展示平臺

虛擬仿真技術(shù)能夠為傳統(tǒng)手工藝創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)虛擬展示平臺，可以分類、有序存放傳統(tǒng)手工藝材料、3D圖像、工藝流程動畫等。虛擬展示平臺不占用現(xiàn)實世界的空間，不消耗現(xiàn)實物質(zhì)，大大節(jié)約了資源。

(四)虛擬仿真技術(shù)讓傳統(tǒng)手工藝的保護傳承充滿樂趣

虛擬仿真技術(shù)中的立體顯示、實時繪制、傳感、交互、漫游技術(shù)，能夠生成逼真的三維環(huán)境。用戶可以借助硬件設(shè)備在虛擬環(huán)境中互動交流，甚至可以縱情漫游在VR虛擬展廳，交互體驗工藝品制作，使傳統(tǒng)手工藝的觀賞、學習、研究變得生動有趣，突破傳統(tǒng)手工藝保護傳承工作費時費力、枯燥乏味的現(xiàn)狀。

三、方法和路徑：構(gòu)建惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)

(一)惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)平臺架構(gòu)

北宋時，宋神宗將布依族楓香染命名為“天染楓香”，所以我們將惠水布依族楓香染數(shù)字化系統(tǒng)命名為“天染楓香虛擬世界”(如圖1所示)。系統(tǒng)平臺主要由資源數(shù)據(jù)庫、VR展覽館和工藝演示三大版塊組成(如圖2所示)。用戶可以通過點擊頁面按鈕進入平臺。系統(tǒng)承載了學習研究、互動實訓(xùn)、娛樂、分享等功能，用戶可以通過登錄系統(tǒng)沉浸在楓香染數(shù)據(jù)庫知識的海洋，暢享VR視聽盛宴，在娛樂的同時交互體驗工藝品制作，同時還可以將個人體驗分享給他人，在天染楓香虛擬世界里流連忘返。

圖1 惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)界面設(shè)計

圖2 惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)容總體框架圖

1.資源數(shù)據(jù)庫

運用文字、攝影、錄像、錄音和數(shù)字多媒體等多種形式，對楓香染技藝進行真實、系統(tǒng)和全面的匯總整理，建立楓香染資源數(shù)據(jù)庫平臺。平臺主要包括原始材料、天染文化、圖表匯總、研究成果四個版塊。用戶登錄平臺可以研究學習楓香染技藝，點擊導(dǎo)引文字能夠進一步了解更加詳細的信息。平臺的信息量大、內(nèi)容豐富，能夠延展用戶對楓香染的認知。實現(xiàn)文化的數(shù)字化保護，文化得到傳承，技藝和作品才有生長的土壤。設(shè)計研究成果模塊的目的是匯總和總結(jié)楓香染保護傳承的成果，為后來的研究者提供經(jīng)驗。為了保護資源的版權(quán)，需要將數(shù)字資源進行分檔，高精度的用于創(chuàng)作與研究，低精度的用于大眾瀏覽。

2.VR展覽館

虛擬現(xiàn)實展覽館主要展示楓香染經(jīng)典的作品。進入展覽館，用戶可以在操作界面自主選擇喜歡的音樂，漫游中可以通過操作鍵盤和鼠標來控制場景，選擇前進或者是停留，亦可以根據(jù)需要選擇多視角觀察、局部縮放和細節(jié)查看。立體顯示技術(shù)和實時視景繪制技術(shù)使圖像清晰立體，縮放變化流暢，使用戶感到好似親身接觸到作品。

3.工藝演示

楓香染工藝演示平臺主要承載VR工藝演示、材料制作、工具制作三個版塊。VR工藝演示版塊集立體顯示、靈活傳感、自然交互功能為一體，為用戶打造身臨其境的體驗感，用戶可以根據(jù)愛好選擇性操作體驗。用戶操作體驗版塊主要是供用戶練習、體驗楓香染的制作過程。材料制作、工具制作版塊供用戶觀看學習楓香染材料和工具制作方法，可以人為調(diào)試動畫演示速度。

(二)惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)建構(gòu)流程分析

惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)建構(gòu)流程主要分為資料收集和整理、建立數(shù)據(jù)庫、三維建模、數(shù)字動畫制作、系統(tǒng)交互功能開發(fā)五個主要部分(如圖3所示)。

圖3 惠水布依族楓香染虛擬仿真系統(tǒng)建構(gòu)流程圖

1.資料收集和整理

楓香染數(shù)字化系統(tǒng)的建構(gòu)需要收集和整理或現(xiàn)場實地采集需要的文字、圖片、音頻、視頻材料。系統(tǒng)中的虛擬場景、人物需要數(shù)據(jù)計算和在圖紙上設(shè)計繪制出平面、立面、剖面圖。收集而來的有些圖片需要應(yīng)用Photoshop、Illustrator等圖像處理軟件進行加工處理。

2.建立數(shù)據(jù)庫

將采集而來整理完成的資料分類，依據(jù)楓香染資源數(shù)據(jù)庫平臺框架設(shè)計圖錄入系統(tǒng)，并且設(shè)計出數(shù)據(jù)庫平臺子界面。

3.三維建模

三維建模是構(gòu)建虛擬世界的基礎(chǔ)。首先，在3DMAX軟件中完成虛擬展示環(huán)境和物體的三維建模；然后，根據(jù)原畫設(shè)計圖制作出人物、物體和場景的三維模型；最后，根據(jù)之前收集的物體表面紋理圖片，在3DMAX中編輯材質(zhì)。為了更詳盡地表現(xiàn)模型的細節(jié)，還需要用到紋理貼圖技術(shù)[14]32-34，為模型表面添加豐富逼真的紋理和質(zhì)感，需要反復(fù)、細致地在3D模型上繪制。

4.數(shù)字動畫制作

這部分主要是工藝演示板塊虛擬人物“小楓香”的VR工藝演示動畫制作。在場景、人物、使用工具、器物、材料等完成三維建模之后，接下來是動畫綁定骨骼，給做好的三維模型“小楓香”安裝關(guān)節(jié)和骨骼。要想讓靜態(tài)造型變成動態(tài)，骨骼安裝完成后需要調(diào)節(jié)動畫，并耐心調(diào)制模型的各種動作，動作完成后，把模型放在機器上渲染。動畫模型做得越精細，渲染的時間也就越長。渲染完成之后，再用3DMAX軟件播放出來，虛擬人物“小楓香”的VR演示動畫就制作完成了。

5.系統(tǒng)交互功能開發(fā)

三維建模和演示動畫完成之后，需要在VIRTOOLS軟件中實現(xiàn)用戶和場景的交互。首先要在軟件中編輯圖標按鍵、圖像、文字、聲音等元素，形成生動的交互界面。其次是利用實時視景繪制技術(shù)、觸覺和力量反饋傳感技術(shù)、實時碰撞檢測技術(shù)、人機自然交互技術(shù)和虛擬交互式漫游技術(shù)實現(xiàn)人機交互。用戶可以通過鼠標、鍵盤、操控手柄實現(xiàn)與虛擬場景交互，在虛擬世界中自由漫步。人機交互功能是虛擬仿真系統(tǒng)中的一項基本功能，也是最扣人心弦的功能。

四、結(jié)論

傳統(tǒng)手工藝承載著深厚的民族文化，是科技和藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其保護與傳承需要緊跟時代發(fā)展。何為“保護”？如何“傳承”？我們需要重新去認知。“保護”并不是短期的記錄和維護，而是要用數(shù)字化的手段將其完整性、系統(tǒng)性、永久性、原真性的保存。“傳承”要緊跟時代發(fā)展，利用前沿高新技術(shù)手段大眾化、趣味化傳播和繼承。近年來，國內(nèi)科研機構(gòu)做了基礎(chǔ)性的數(shù)字化保護工作，比如圖片拍攝、文字記錄、音視頻采集等。但這些數(shù)字資源在網(wǎng)上傳播的只有少部分，大多處于內(nèi)部保管狀態(tài)，無法實現(xiàn)資源全民共享[15]。傳統(tǒng)手工藝數(shù)字化不是讓傳統(tǒng)手工藝進入博物館成為標本，更重要的是喚起大眾的主觀能動性，喚醒全民的文化自覺，主動參與到保護傳承的工作中，把文化遺產(chǎn)轉(zhuǎn)化成“文化資產(chǎn)”。

傳統(tǒng)手工藝虛擬仿真系統(tǒng)能夠整合傳統(tǒng)手工藝不同形式的珍貴材料，原真性、永久性保存手工藝資源，提高了傳統(tǒng)手工藝的展示效果、保護手段和傳承效率，使傳統(tǒng)手工藝突破了時間和空間的限制，真正實現(xiàn)資源共享。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)手工藝保護傳承具有重要的理論和應(yīng)用價值。現(xiàn)代高新技術(shù)與非遺深度結(jié)合，改革了落后的保護傳承模式，提供了新的有效的手段，打破了傳統(tǒng)手工藝保護傳承的瓶頸。虛擬仿真技術(shù)對傳統(tǒng)手工藝的助力，將讓傳統(tǒng)文化活態(tài)傳承成為現(xiàn)實。

面對高新技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)手工藝保護傳承這一重要項目，現(xiàn)有的理論研究特別是實際應(yīng)用都遠遠不夠。必須深入研究虛擬仿真等前沿高新技術(shù)，大力推動傳統(tǒng)手工藝的數(shù)字化保護進程，順應(yīng)時代發(fā)展。