基于Unity3D的新疆哈萨克族刺绣技艺虚拟仿真系统

肖志强 袁昌富 焦海峰

摘  要： 传统的非物质文化遗产数字保护，大多停留在网页、图片、文字、视频等方面。新疆哈萨克族刺绣技艺中的毡绣和布绣作为国家级非物质文化遗产，记录着该民族的历史发展与文化传承。通过将新疆哈萨克族传统的刺绣技艺与VR虚拟现实技术相结合进行探索和开发，应用Unity3D软件与HTC VIVE硬件设备设计刺绣技艺虚拟仿真系统并搭建刺绣技法的模拟平台。实验结果表明，系統实现轮廓绣、直线绣、十字绣、长短针绣等绣法模拟，沉浸感强，交互效果好，可以满足刺绣爱好者学习多种刺绣技艺的绣制方法和步骤。

关键词： 刺绣技艺; 非物质文化遗产; 哈萨克族; VR技术; 虚拟仿真系统; Unity3D

中图分类号： TN915.5?34; TP391.9               文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）10?0179?03

Unity3D?based virtual simulation system of Xinjiang Kazak embroidery arts

XIAO Zhiqiang， YUAN Changfu， JIAO Haifeng

（Shihezi University， Shihezi 832003， China）

Abstract： The traditional intangible cultural heritage digital protection is mostly limited in the aspects of web， picture， text and video. As national intangible cultural heritage， the felt embroidery and cloth embroidery of the Xinjiang Kazak embroidery arts record the historical development and cultural inheritance of the ethnic group. The combination of the traditional Xinjiang Kazak embroidery arts with the virtual reality（VR） technology is explored and developed. The Unity3D software and HTC VIVE hardware equipment are applied to design the virtual simulation system of embroidery arts and build the simulation platform of embroidery techniques. The experimental results show that the system can realize the simulation of contour embroidery， linear embroidery， cross embroidery， long and short needlepoint embroidery and other embroidery techniques， and has a strong immersion feeling and good interaction effect， which can help the embroidery enthusiasts to learn the embroidery methods and procedures of various embroidery arts.

Keywords： embroidery art; intangible cultural heritage; Kazakh; VR technology; virtual simulation system; Unity3D

0  引  言

想要创作出一幅精美的刺绣作品，在刺绣的针法方面有：直针、平针、缠针、盘针、套针、抢针、擞扣针、变体针、散错针、辅助针、乱针、编绣、饶绣等多种针法绣制。在工艺制作程序方面，要经过制稿、选配底料、上绷、勾稿、配线、绣制、拆绷、装裱8道工艺制作流程。初学者要学习刺绣技艺必须经过前6道工艺制作程序，其中绣制程序用时最长，难度较大。然而，通过VR虚拟技术，初学者只需要进行绣制程序，就可以实现刺绣技艺的学习。其优点，在刺绣资源方面，不仅拥有大量的数字化、标准化、系统化的图库和五颜六色的颜色，而且可以根据设计需要自由选择与更换;在绣法基础学习方面，刺绣初学者还可以随时进行重复性的模拟仿真练习，这样既节约学习时间又避免材料的浪费，给广大刺绣爱好者和消费者提供刺绣学习和展示的平台，为新疆哈萨克族非物质文化遗产数字化保护与教育传授提供了新的方式。

1  系统总体结构

本文依据新疆哈萨克族毡绣和布绣的艺术特色，围绕刺绣技艺的操作流程与方法，从用户体验的角度出发，设计本系统的UI界面、模型、功能等。应用3ds MAX，PS软件创建刺绣数字展台及图案，通过对Unity3D引擎的SteamVR插件的二次开发设计满足刺绣操作的触发检测、物品选取等交互技术，结合Unity3D“实时渲染”技术真实地还原哈萨克族刺绣虚拟场景，并且应用HTC VIVE硬件设备对哈萨克族刺绣中的平绣技法进行模拟仿真实现。

区别于二维世界的UI，VR世界中的UI拥有不同的操作方式。三维世界的UI就应该像三维世界中的物体一样，可以被体验者直接操控;所以根据远近距离和有无手柄设计出三种UI的操作方式：直触式、凝视式与射线式。这三种方式可以完成三维世界中大部分的UI操作。VR设备支持手柄操作，所以采用直触式与射线式两种操作设计方式。其中线段颜色系统以射线式的UI交互方式进行控制，可以对线段的颜色与明度進行无级调节，体验者可以按照需求调节出想要的颜色。其他功能均以直触式UI交互方式进行设计，简单直观更容易操控。

根据不同功能的需求设计相应的UI界面，在系统的体验调试阶段，发现了很多可以优化扩展的地方。例如，体验者在进行刺绣模拟时，容易有误操作，如果不能提供一种可以撤销操作的功能将会使体验者前功尽弃;或者是没有接触过哈萨克族刺绣的体验者，很难设计出一种图案，只能漫无目的地进行刺绣体验。为了让体验者能更好地进行刺绣体验并且可以在短时间内刺绣出比较成功的作品，在此添加了“线段颜色选择”、“布面颜色选择”、“展开/关闭参考图”、“后退一步”与“清除所有参考线”等功能。这些功能相互配合可以为体验者带来更好的用户体验。

2  关键技术及解决方案

设计思路是体验者佩戴HTC VIVE头显设备和无线手柄。在搭建的刺绣模拟仿真平台的虚拟展示空间中，用户可以根据自己的喜好，选择刺绣线条的颜色与图案，手持无线手柄在场景中提供的布面图案轮廓上进行刺绣针法的模拟操作，完成一幅刺绣作品。

谷歌公司开发的VR绘画游戏“Tilt Brush”。这是一款可以在三维空间内进行绘画的VR应用。这款软件的原理是利用Unity3D的线性渲染功能，在按下手柄按键时以固定的频率记录手柄指定点的三维坐标，然后连续进行线性渲染，最终形成一幅连续的3D绘画作品。通过对这种机制的分析，对它的核心代码进行二次开发，为刺绣效果重新设计渲染点的记录方式。在这里将利用“触发检测技术”来完成此项任务，首先，为布面的上下两个面都添加一个触发器，这样在体验者所持手柄模拟穿针动作时可以进行判断，然后再执行线性渲染。这样就可以做出刺绣模拟的效果，并且渲染出来的线段可以真实地模拟出紧紧绣在布面上的效果。

刺绣系统核心代码如下：

//生成新线段物体并指定线段的父物体和线段的颜色宽度与材质

GameObject go = new GameObject（）;

go.transform.SetParent（m_Bumian）;

curLine = go.AddComponent（）;

curLine.setWidth（0.005f）;

curLine.lmat = new Material（lmat）;

else if （device.GetTouch（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger））

//调用线段渲染脚本中的方法，并由布尔值作为开关控制线段渲染与否

if （JiLu）{curLine.AddPoint（transform.position）;}

else if （device.GetTouchUp（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger））

{curLine = null; }

if （curLine ！=null）

{ curLine.lmat.color = ColorManager.Instance.getCurColor（）;}

3  系统仿真实验

3.1  线型模拟仿真度的设置

在系统实验调试阶段，发现刺绣渲染的线段粗细直接影响到仿真度的高低，渲染线段越细，体验者刺绣操作时间就越长，来回刺绣针数越多，模拟的视觉效果就越接近现实中刺绣线的效果;相反，渲染线段越粗，体验者刺绣操作时间就越短，来回刺绣针数越少，模拟的视觉效果就会造成缎带一样的面片渲染效果，显得比较粗糙虚假。因此，刺绣模拟效果的好坏与体验者的疲劳度成反比，VR体验不同于现实刺绣。由于体验者佩戴设备重量的影响，操作时间过长的话会造成体验者手臂与脖颈部位的疲劳，所以，经过反复实验操作，计算得出刺绣的线段粗细宽度控制在0.003 5 f（Unity3D）为宜。这样可以让体验者在10 min之内较轻松地完成一幅刺绣作品，还可以得到相对真实与细腻的刺绣效果。

为了方便体验者根据需要调整线段粗细，在绘制大图形时，可以根据系统所提供的按钮相应增加线段的宽度，这样有利于刺绣速度的提升以及整体效果的把控。当刺绣带有弧度的图形时，也可以相应进行降低线段的宽度，更容易绣制轮廓。

3.2  绣法模拟仿真度的效果

通过实验结果可得，应用Unity3D软件与HTC VIVE硬件设备设计刺绣技艺虚拟仿真系统搭建刺绣技法的模拟平台，可以模拟出轮廓绣、直线绣、十字绣、长短针绣等绣法。其中，平针绣、直线绣、长短针绣的模拟效果比较满意，但是，需要注意以下几个方面：

线段长度要匹配所绣的图案大小，长度要适中不宜过短或过长，才能模拟出良好的效果。线的走势也要根据图案的结构进行绣制，可以预先在需要转弯的地方对刺绣部位进行分组，这样可以模拟出既整齐又有动感的刺绣效果。线排列的密度，线段与线段之间尽量排列紧密，不要留空隙。可以重复叠压排列，例如，渐变图案适合使用平针绣的长短针绣法，对不同颜色层次的图案，线段颜色可以由深到浅进行穿插刺绣，能够达到比较理想的渐变效果，如图1所示。

图1  长短针渐变刺绣模拟效果图

在绣制几何图案时，可以直接使用直线绣与平针绣来进行绣制，不需要进行轮廓的绣制。在绣制有机型的图案时，例如，花瓣型的图案适合以轮廓绣的方式来进行轮廓的绣制，内部填充时应该使用直线绣的针法，从而更加真实地模拟现实中的刺绣技法。如果体验者的刺绣手法比较好并且对本系统的操作熟悉程度较高的话，可以获得更好的刺绣效果。绣法模拟效果图如图2所示[2]。

圖2  绣法模拟效果图

4  结  论

经过反复研究并进行实验测试，结果表明，通过HTC VIVE虚拟现实设备能够对新疆哈萨克族刺绣中的基础绣法进行仿真模拟，在视觉效果、模拟仿真方面都达到了预期的成效。但是，由于HTC VIVE虚拟现实设备的局限性，还有不尽人意的方面，例如，用户在体验过程中，频繁低头导致脖颈酸软影响体验者的舒适度，身体遮挡传感器导致手柄定位不准产生漂移现象，面片型的线因观察角度变化而发生形变等问题有待解决。未来，随着VR设备的更新，虚拟现实技术的应用将更加广泛，如何在计算机图形学领域，将增强现实、图像识别等多种新技术结合应用，更好地解决生活生产中的实际问题，将是以后不懈的研究目标。

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