基于传统文化元素DIY的虚拟交互技术实现

2018-07-23董亚莉皮邦瀚赵海英谢燕

艺术科技 2018年2期

董亚莉皮邦瀚赵海英谢燕

摘要：本文以文化元素为对象，讨论并研究了一种新的适用于传统文化展呈的虚拟交互技术，探讨利用该虚拟现实交互技术将提取出的文化元素进行展呈和再创作的过程。对这一过程的分析，不仅有利于帮助人们加深对文化内涵的理解，而且对文物中优秀传统文化的传承也起到了至关重要的作用。

关键词：传统文化;文化元素;虚拟交互

0 引言

文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，它是人类宝贵的历史文化遗产。博物馆是一个国家或地区文化传承与发展的有力见证机构，其主要作用在于馆藏文物的保护、研究和展呈。现今的博物馆文物研究已经趋于全球化，不少国内外的专家学者都对馆藏文物的文化内涵做过深刻的研究解读。但深入理解文化内涵仅靠观赏馆藏文物和专家的文章解读是远远不够的。在文化大众化传播的今天，依靠新兴数字技术进行文化传播是大势所趋，而虚拟现实技术在这其中具有无可比拟的优势，它的沉浸感式体验使其在众多数字媒体技术中脱颖而出。其实，传统文化与虚拟现实技术结合的例子数不胜数，虚拟博物馆、虚拟文化展厅、虚拟歌剧院等都是很好的体现，但将传统文化中的基础元素与虚拟现实技术结合的案例并不多，即使结合之后交互性也较差，若由此呈现的艺术效果不能满足用户需求，反而对传统文化产生负面的影响。

本文的研究意义在于将博物馆文物中的文化元素与虚拟现实技术进行结合，提出一种新的虚拟交互方式并对其技术细节作讨论和研究，使与博物馆文物中的文化元素有效结合，让用户的沉浸感和交互性体验更强烈，能更加深刻地感知文物的艺术性与文化内涵。

1 文物中的传统文化元素与DIY

我国的传统文化种类繁多、底蕴深厚，如何将博物馆馆藏文物或数字化移动文物中更为复杂的传统文化元素合理运用于交互设计，以更好地呈现并表达其文化内涵，值得仔细推敲与斟酌。

笔者认为，虚拟交互技术是一个非常新颖且实现效果较好的手段。因此，本文将探讨如何通过虚拟交互技术与文物中的静态文化元素的结合——例如如何将馆藏文物中的图案元素和数字化移动文物中的图案元素分解——来进行理解性的交互和艺术性的再创作。为了更好地理解虚拟交互技术如何影响文化元素的呈现，本文将举例对一些博物馆文物中的文化元素及其内涵进行阐述。

文物中包含大量的图案元素。我国的敦煌研究院从20世纪90年代起就与国内外科研机构合作，开始了“数字敦煌”的探索和研究，目前在文物图像采集与保存、文物历史复原、洞窟虚拟模拟、壁画图案创作等方面已经取得并掌握了一套成熟的技术和经验。而著名的舞剧《丝路花雨》也正是利用了敦煌壁画，将这些文化元素从壁画形式搬演进舞台，由静态转为动态，将这些文化元素赋予了新的生命力。[1]

其次，作为部分文物的民族服饰也是一种传统文化元素，在一般的民族博物馆中，大量的文物都是以民族服饰和器具的形式存在。不同的民族服饰在色彩、纹樣和构成上都不尽相同，其中蕴含的文化特色和寓意也不一样。将不同的民族服饰上的这些元素进行一定的解读并表达出来，有利于人们对民族文化的理解和再创作。

剪纸也是一种很常见的传统文化元素，在剪纸博物馆中，大多数剪纸都有数字化的备份，这也使得我们在线上博物馆甚至移动博物馆中可以欣赏这些剪纸。剪纸的主题大多和中国的传统节日春节有关，对于春节，中国人脑海里会出现一些抽象的概念，比如红色，这种传统的春节符号是我国劳动人民千百年来生活与劳动过程的积淀。[2]而剪纸正是利用红色的纸张加上人类的智慧和创造力将人们对春节的美好期望表达出来。

从以上例子可以看出，文物中的传统文化元素种类繁多，内涵丰富，而且很多都体现着历史发展过程中人们民对传统文化的运用和创新，这种创作过程正与DIY（Do It Yourself）制作相似。简单来说，DIY即是在没有专业资质限制的情况下，个人通过亲身实践对原材料进行创作，从而打造出一份私人“作品”的过程。

2 如何通过虚拟交互技术进行传统文化元素的DIY

虚拟现实交互技术可以说是第四次工业革命时代下的产物，[3]未来的现实交互技术将对包括人类交流方式在内的物质文化生活产生极大的促进作用。虚拟现实交互技术是基于网络时代高度兴起的技术，它让人沉浸在一个虚拟的场景，并对四周虚拟环境作出相应感知和反应。虛拟现实技术一方面需要感知和跟踪用户的肌肉运动、姿势、语言等多个感官通道的输入信息;另一方面对人类的视、听、触、嗅等多个感官通道如何感知真实世界进行模拟;还可以由用户的视点方位作为不同的输入角度，快速为用户提供人体各部位感官所能感受到的信息。人机交互是虚拟现实的核心技术之一，[4]对虚拟现实技术的推广和提高用户的交互体验具有重要意义。由于传感器和其他硬件技术的发展，当下虚拟现实人机交互有了长足的进步。利用虚拟交互这种沉浸感强、交互性高的技术来进行丝路文化元素的展示与传播，既是文化元素新的数字化信息形式的呈现，也是国家非物质文化遗产传承与保护的新兴手段。

近年来，生产VR硬件设备的厂商逐渐增多，市面上的VR硬件设备也种类繁多，HTC Vive是好评较多且用户使用率较高的一套硬件设备。由此本文将介绍以HTC Vive为测试开发硬件的传统文化元素虚拟交互技术。

2.1 基于定位技术的文化元素感知

HTC Vive这套VR硬件设备配备有一套称为Lighthouse的室内定位系统，它是由两个基站构成，依靠这两个基站里的红外激光扫描头配套的戴显示器以及手柄上的接收点，即光敏传感器，来实现室内用户的定位。这种良好的定位技术对于虚拟交互的重要性是可想而知的。依赖于这项技术，任何用户都可以在有限的室内空间随意移动，同时在虚拟空间中也会进行相应的位移，这种定位感知使得用户的沉浸感和体验感大大增强。

以敦煌壁画为例，在文化元素的虚拟交互中，我们可以用这些敦煌壁画元素构建一个艺术设计性较强的壁画场景，在场景中有不同地域和风格的壁画，分布在不同的场景区域。当用户戴上头显设备体验该场景时，利用定位技术，其可以在条件允许的情况下在真实场景中四处走动，虚拟场景中人物替身也会相应地移动，而此时用户看到的是虚拟的壁画场景，这就使得用户在虚拟场景中产生真实的距离感。当用户要观赏壁画中的飞天元素时，他可以走近仔细查看并进行下一步的交互，当用户要观赏其他地域和风格的壁画时，他可以直接移动到下一个位置。所以基于定位技术的开发很好地解决了用户距离感知不足的问题，让用户能更自然地贴近壁画中的文化元素，品味其内涵。

2.2 基于手持移动设备的文化元素交互提取

在虚拟现实领域，有一个共同的理念是将传统的桌面交互转向用户与环境的交互，其探讨的主题是基于可移动的手持设备的三维交互设计。在HTC Vive中，提供两个可手持移动的手柄，该手柄是可以实现3自由度的便捷移动交互设备，配合定位系统可以让用户实现6自由度的操作。HTC手柄一共包含8个控制按钮和环状的光敏传感器，有菜单按钮、系统按钮、扳机键和侧面的手柄按钮，其中心有一个圆形的触摸板（touchpad），可以实现多个方向的触摸和按键操作。touchpad键是一个以中心为（0，0）点的直角坐标系，四个端长度都是1个单位，可接收触摸和按压两种事件，通过SDK中的GetTouchDown以及GetPressDown两个接口调用，触摸或按压会通过Unity3D中的GetAxis方法返回一个坐标系中的点，由此可以判断触碰点的位置，触发不同的事件，并根据角度或各种方法将按键切分为n个按钮。

在面向传统文化元素的虚拟交互技术中，文化元素的交互提取都依赖于手柄的操作。由于用户处于文化元素丰富的虚拟场景之中，在观赏元素的时候也要对其进行操作，比如摘取元素进行多角度观赏，这时候就要用到手柄的扳机键。例如当用户处于按照某个文化主题构建的虚拟场景中时，若用户在虚拟场景中观看舞剧的同时，对演员身上的服装产生了浓厚的兴趣，用户可以利用手柄走近角色，并用手柄触碰正在表演的角色，此时该角色所穿着的服装会以面板的形式展现出来，明确地告诉用户该民族服饰的时代、类属和所包含的特点。

用户在进行主要交互功能感受传统文化元素的同时，可以不拘泥于原文化主题的风格，根据自己的想法对传统文化元素进行艺术性再创作，用户可以对其中的壁画、民族服饰、剪纸和地毯进行一定的颜色填充。这时候会有几种给定的配色方案，每种配色方案包含4～5种搭配起来比较和谐的颜色。在配色方案功能的设计中，手柄的touchpad的圆形设计和键位安排无疑是实现该功能的最好方法。通过移动手柄的交互，壁画、民族服饰、剪纸、地毯等元素的文化内涵及艺术价值可以很方便地呈现出来，甚至还能通过自己对该文化的理解，以一种创造性的交互方式改变这些文化元素的呈现方式。

2.3 基于射线的文化元素交互与体验

在虚拟交互技术的研发中，对于距离用户较远的虚拟物体，不方便使用触碰和摘取操作，这时候最常用的交互技术是射线交互，用户在虚拟场景中可以使用手柄，并从手柄的顶端向手柄的朝向发射一条射线，该射线类似激光指针，通过这束激光与物体的交点来实现与远程物体的交互。在常见的游戏引擎中一般都有射线的方法，但在虚拟交互技术中是通过应用VRTK的Simple Pointer来实现。[5]简单指针（Simple Pointer）脚本从控制器尾部射出一个有色光束来模拟激光束，这在场景中指向物体很有用，它能判断出所指向的物体以及物体距控制器射出光束位置的距离。另外一种贝塞尔曲线激光指针（Bezier Pointer）可以从控制器末端发出一个曲线（由游戏对象组构而成）到（任何高度的）地面上的一点。激光曲线的终点能够弯曲到用户看不见的对象顶部，可以用于传送到各种高度的对象上。而在简单的射线操作中，如小场景同一水平高度的射线检测，简单指针则比较常用。

将射线检测用到传统文化元素交互中，在有定位技术的同时，用户有时候想要在虚拟场景中瞬间移动，以更加方便地观赏和实现交互体验，这时候可以用贝塞尔曲线激光指针进行跨场景物体的跳跃瞬移。在对文化元素进行颜色填充的时候，可以事先通过手柄选择自己喜好的配色方案然后通过手柄发射的简单指针射线选中需要交互的元素面片，以改变该面片的颜色。当用户想了解传统文化元素中正在跳跃的舞蹈动作时，用户可以使用简单指针的射线远距离地选中正在舞动的角色，通过扣动扳机获取该舞蹈的类型、所属地域、舞蹈特点等用户感兴趣的内容。射线交互使一些远距离动态的文化元素可以通过这种新颖的交互方式更简便地呈现在用户面前。

2.4 基于着色器的文化元素着色

着色器即Shader，是一款在GPU上运行的程序，用来对三维物体进行着色处理，对光与影进行计算和对纹理颜色进行呈现，从而将游戏引擎中的一个个作为抽象的几何数据存在的模型、场景和特效，以和真实世界类似的光与影的形式呈现于玩家的眼中。我们在对传统文化元素进行交互的过程中，需要创造性地改变其着色器，使其更具趣味性。在射线检测和碰撞体检测之后，我们获得了用户想要交互的元素，此时我们可以任意改变其参数，而改变其颜色是最常见的手法，为了获得较好的艺术性与观赏性，我们采用着色器改变该物体的色彩和纹理，使其呈现出较好的艺术效果。对于地毯中的一个元素，我们可以通过射线将它选中，然后按照自己的想法改变它的颜色、纹理或者材质。例如，我们如果希望一只动物呈现具有白色羽毛特質的效果，我们可以通过着色器来调节它的显示参数以呈现更好的展呈效果。利用着色器，我们可以将文物中各种不同的传统文化元素中静态的、单调的元素绚丽多彩地展现出来，增强用户的视觉感官体验。

3 结语

本文提出一种新的虚拟交互方式，并对其技术细节作了探讨，以博物馆文物中的传统文化元素为对象，将其与虚拟现实技术结合，利用虚拟现实交互技术将提取出的文化元素进行展呈和再创作，这种技术与艺术的结合让用户的沉浸感和交互性体验更强烈，更能体会传统文化元素的内涵。在未来的虚拟现实技术与传统文化结合发展的过程中，新型的虚拟交互技术将会产生很大的作用。

参考文献：

[1] 原哲.浅析舞剧《丝路花雨》的民族特色[J].音乐时空，2014（07）：56.

[2] 郝谨.浅谈交互媒体设计中传统文化元素的运用[J].戏剧之家，2015（24）：266.

[3] 张凤军，戴国忠，彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[J].中国科学：信息科学，2016，46（12）：1711-1736.

[4] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F辑：信息科学），2009，39（01）：2-46.

[5] 潘斌，常承阳.浅谈虚拟现实教学软件开发中的交互技术——以HTC Vive为例[J].电脑知识与技术，2017，13（28）：86-88.

[6] 宫明浩.数字媒体技术在公共艺术创作中的应用研究[D].吉林建筑大學，2017.

[7] 杭云，苏宝华.虚拟现实与沉浸式传播的形成[J].现代传播（中国传媒大学学报），2007（06）：21-24.

[8] 刘东东.数字媒体技术下交互艺术的现状及发展趋势——以“印·踏”展为例进行分析[J].数码设计，2017，6（09）：22-23.

[9] 刘贺，宋立权.虚拟现实交互技术在非物质文化遗产保护中的应用——以赫哲族鱼皮文化保护为例[J].新闻知识，2018（02）：58-60.

[10] 洛毛措.敦煌舞蹈艺术形式的审美价值与教育研究——以舞剧《丝路花雨》为例[J].艺术研究，2017（01）：138-139.

[11] 刘氢.基于Unity3D和htcvive的虚拟现实游戏设计与实现[J].通讯世界，2017（3）：43-44.