虚拟仿真技术在传统手工艺保护传承中的应用——以惠水布依族枫香染为例

安俊芳

(贵州师范学院美术与设计学院，贵州 贵阳 550018)

引言

高速发展的信息化时代，传统手工技艺领域面临巨大挑战，传统的保护传承模式已经跟不上时代的脚步。虚拟仿真技术作为目前世界前沿技术之一，已经在很多领域发挥重要作用，同时也为传统手工艺的抢救提供了新思路。越来越多学者意识到虚拟仿真技术的传播优势、展示优势和交互优势。

自20世纪90年代开始，世界各国开始将文化遗产资源数字化项目作为发展互联网文化信息资源的主要策略。[1]美国、加拿大、法国、英国、意大利、日本等国家在文化遗产数字化保护方面成果较为显著，并且产生了许多成功案例。美国于1995年启动由美国国会图书馆开发的“美国记忆”项目，到2001年，“美国记忆”的90个资料库已上因特网服务，实现了700万件文件文献的数字化。[2]在三维技术方面，美国斯坦福大学实施了“数字化米开朗基罗”项目，利用三维扫描技术将意大利著名雕塑家米开朗基罗的经典作品高精度数字化。[3]加拿大国家研究委员会(NRC)开发了具有高分辨率的3D成像系统，这些系统已广泛应用于文化遗产保护。[4]法国卢浮宫是第一个把藏品从展厅搬上网络的博物馆，现在用户进入卢浮宫官方网页，就能够在网上完成3D“虚拟参观”。[5]1996年发起的“罗马重生”项目，来自意大利、美国、法国、德国和英国的10多名考古学家参与了该项目，项目主要是利用数字技术虚拟重建罗马古城。[6]这是迄今在数字化重建历史古城领域规模最大的项目。英国皮特里埃及文物博物馆在3D技术方面走在了文化遗产数字化的前沿，它的“3D皮特里”项目利用3D扫描技术和交互技术与实际文物相结合用于展览。意大利比萨圣安娜大学创建了一个3D虚拟交互平台，展示意大利托斯卡纳传统青铜熔模铸造工艺。[7]日本文化遗产数字化技术水平走在世界前列，京都大学一直从事文化遗产数字化的开发，其超高精度成像系统已被广泛运用于保存重要的文化遗产，数字化采集的对象有古寺庙、珍贵的雕像、巨幅画作、古地毯等。[8]

随着科技的发展，国内许多研究机构、博物馆、图书馆和高校将数字化技术应用于文化遗产保护传承领域，并取得了一些不错的研究成果。从20世纪90年代初起，敦煌研究院与国内外多家机构合作，开始了“数字敦煌”的探索，1998年与美国合作完成了22个典型洞窟的资料数字化，42个洞窟的“虚拟漫游”。[9]59-602000年故宫博物院与日本凸版印刷株式会社共同开展故宫数字化项目，重点研究三维可视化技术在文物保护和展示中的应用。[10]此外，还有首都博物馆建立的信息集成应用系统，服务于博物馆的展陈、研究、服务和管理等工作，以及我国政府支持的国家数字图书馆工程。高校也积极参与文化遗产数字化的保护工作，如浙江大学的楚文化编钟乐舞数字化研究项目，山东工艺美术学院的剪纸数字化项目等。文化部于2010年提出“中国非物质文化遗产数字化保护工程”，并纳入“十二五”规划，2011 年正式启动此工程，分阶段逐步实施[11]，完成了非遗资源数据库的项目库和专题库建设，为非遗数字化保护工作奠定了基础。

一、关键技术的选择

要实现虚拟仿真技术在传统手工艺保护传承中的应用，除了专业的硬件设备之外，还必须要有支撑虚拟仿真系统的关键技术。结合传统手工艺保护和传承的需求，选择的关键技术主要包括三维建模、立体显示、实时视景绘制、触觉和力量反馈传感、实时碰撞检测、人机自然交互与虚拟交互漫游技术，最大限度地方便用户操作，为其提供视觉、听觉、触觉实时感知交互体验，使其尽情畅游在传统手工艺的世界中。

(一)三维建模技术

营造虚拟环境是构建虚拟仿真系统的核心内容，三维建模是营造虚拟环境的前提。三维建模通过获取物体的三维数据，并根据实际应用的需要，建立虚拟模型。利用几何建模、物理建模技术建构静态的虚拟环境，模拟真实物体的物理属性，如物体的光学、形状等性质。表面的纹理及物体间的遮挡关系和相对位置等，如器具、建筑和人物等，重现真实世界的场景，利用行为建模技术制作工艺流程演示。

(二)立体显示技术

人类感知世界的主要通道是获取视觉信息，立体显示技术是虚拟仿真系统建构中非常重要的一项技术。立体显示技术借助3D眼镜等设备利用左右眼的视差形成立体图像。“早在VR研究的初期，计算机图形学先驱Ivan Sutherland在其SWORD OF DAMOCLES系统中就实现了三维立体显示效果。现在流行的VR系统都支持头盔显示器或立体眼镜。”[12]98最近，国际上发明了裸眼立体显示技术，首次让人们摆脱了对3D眼镜的依赖。

(三)实时视景绘制技术

虚拟仿真环境提供给用户视觉立体感的同时，还必须实时生成，这时就会用到实时视景绘制技术。所谓实时视景绘制技术是指用户在虚拟环境看到的场景要随着用户的视点及时更新。当生成虚拟环境视图时，就要设计出好的视频图像和数据空间，以便计算机系统尽快运行，要实现每秒产生一定数量的新帧，从而保证系统能在不低于20Hz～30Hz的速率更新显示。[13]51-53在传统手工艺虚拟仿真系统中运用实时视景绘制技术时要保证图像的质量和真实感。

(四)触觉和力量反馈传感技术

触觉是人类从客观现实世界获得信息的重要渠道。在虚拟仿真系统中，传感通道涉及到用户的操作和感觉，包括触觉反馈和力量反馈。利用触觉和力量反馈传感技术，用户不仅能看到立体图像，听到声音，还能够通过触摸感觉到物体的温度、材质、重量，提高了真实感和沉浸感。但目前触觉和力量反馈传感技术的研究主要停留在力量反馈和运动感知方面。

(五)实时碰撞检测技术

用户不仅要能看到虚拟环境的物体，还要与之交互。当用户接触到物体时，要能像真实环境中那样做出实时反应，这就需要虚拟环境中的固态物体不可以穿透，并且需要虚拟仿真系统能及时检测到碰撞，从而产生碰撞反应，及时更新场景。利用实时碰撞检测技术可以避免超自然现象的发生，用户在虚拟世界才会更有真实感。

(六)人机自然交互技术与虚拟交互漫游技术

虚拟仿真系统的研究是以人的感观为先导，人机交互是指人与计算机之间的信息交流。人机自然交互技术可以使人在计算机系统提供的虚拟空间中，各种感觉器官直接与之发生交互，消除人与计算机环境之间的界限。用户可以在虚拟场景中自由穿行，通过使用鼠标、键盘、操控手柄等来实现。触觉和力量反馈传感技术、人机自然交互技术、虚拟交互漫游技术在传统手工艺虚拟仿真系统操作，特别是在VR虚拟展厅漫游、VR工艺演示环节将发挥重要作用，用户不仅能沉浸式体验器物的制作工艺，在虚拟展厅自由漫步，而且能够自由交互。

二、技术优势

虚拟仿真技术应用于传统手工艺的保护，具有显著的技术优势，主要包括以下几个方面：

(一)虚拟仿真技术使传统手工艺数字化原真保存

现在，很多传统手工技艺濒临失传，传统手工艺的经典作品越来越少，传统手工艺的重要材料无人整理。虚拟仿真技术拥有可以还原物象立体造型、触觉、重量、温度以及运动变化的技术手段。利用虚拟仿真技术可以数字化保存相关材料、立体呈现传统经典作品、虚拟动画演示工艺流程，将传统手工艺数字化、永久性、原真性保存。用户可以通过操控电脑等设备多视角、反复性观看手工艺术品和制作技艺。虚拟仿真技术具有临场感和交互能力，可以把静态的手工艺品转化成动态，能够使观赏者更好地赏析作品，提高了传统手工艺的艺术表现力。

(二)虚拟仿真技术使传统手工艺的保护传承打破时空界限

我国传统手工艺资源丰富但是大多处于偏远地区，人们想学习和欣赏优秀的作品常常要长途跋涉，或是经过艰难的问询和寻觅。虚拟仿真技术的出现解决了这些难题。利用虚拟仿真技术保护传承传统手工艺可以突破时空限制，用户只要登录系统即可观赏手工艺作品，真正达到足不出户就可以随时随地学习，使传统手工艺资源可以快速、便捷、有效地传播。

(三)虚拟仿真技术能够为传统手工艺创造网络虚拟展示平台

虚拟仿真技术能够为传统手工艺创造网络虚拟展示平台，可以分类、有序存放传统手工艺材料、3D图像、工艺流程动画等。虚拟展示平台不占用现实世界的空间，不消耗现实物质，大大节约了资源。

(四)虚拟仿真技术让传统手工艺的保护传承充满乐趣

虚拟仿真技术中的立体显示、实时绘制、传感、交互、漫游技术，能够生成逼真的三维环境。用户可以借助硬件设备在虚拟环境中互动交流，甚至可以纵情漫游在VR虚拟展厅，交互体验工艺品制作，使传统手工艺的观赏、学习、研究变得生动有趣，突破传统手工艺保护传承工作费时费力、枯燥乏味的现状。

三、方法和路径：构建惠水布依族枫香染虚拟仿真系统

(一)惠水布依族枫香染虚拟仿真系统平台架构

北宋时，宋神宗将布依族枫香染命名为“天染枫香”，所以我们将惠水布依族枫香染数字化系统命名为“天染枫香虚拟世界”(如图1所示)。系统平台主要由资源数据库、VR展览馆和工艺演示三大版块组成(如图2所示)。用户可以通过点击页面按钮进入平台。系统承载了学习研究、互动实训、娱乐、分享等功能，用户可以通过登录系统沉浸在枫香染数据库知识的海洋，畅享VR视听盛宴，在娱乐的同时交互体验工艺品制作，同时还可以将个人体验分享给他人，在天染枫香虚拟世界里流连忘返。

图1 惠水布依族枫香染虚拟仿真系统界面设计

图2 惠水布依族枫香染虚拟仿真系统内容总体框架图

1.资源数据库

运用文字、摄影、录像、录音和数字多媒体等多种形式，对枫香染技艺进行真实、系统和全面的汇总整理，建立枫香染资源数据库平台。平台主要包括原始材料、天染文化、图表汇总、研究成果四个版块。用户登录平台可以研究学习枫香染技艺，点击导引文字能够进一步了解更加详细的信息。平台的信息量大、内容丰富，能够延展用户对枫香染的认知。实现文化的数字化保护，文化得到传承，技艺和作品才有生长的土壤。设计研究成果模块的目的是汇总和总结枫香染保护传承的成果，为后来的研究者提供经验。为了保护资源的版权，需要将数字资源进行分档，高精度的用于创作与研究，低精度的用于大众浏览。

2.VR展览馆

虚拟现实展览馆主要展示枫香染经典的作品。进入展览馆，用户可以在操作界面自主选择喜欢的音乐，漫游中可以通过操作键盘和鼠标来控制场景，选择前进或者是停留，亦可以根据需要选择多视角观察、局部缩放和细节查看。立体显示技术和实时视景绘制技术使图像清晰立体，缩放变化流畅，使用户感到好似亲身接触到作品。

3.工艺演示

枫香染工艺演示平台主要承载VR工艺演示、材料制作、工具制作三个版块。VR工艺演示版块集立体显示、灵活传感、自然交互功能为一体，为用户打造身临其境的体验感，用户可以根据爱好选择性操作体验。用户操作体验版块主要是供用户练习、体验枫香染的制作过程。材料制作、工具制作版块供用户观看学习枫香染材料和工具制作方法，可以人为调试动画演示速度。

(二)惠水布依族枫香染虚拟仿真系统建构流程分析

惠水布依族枫香染虚拟仿真系统建构流程主要分为资料收集和整理、建立数据库、三维建模、数字动画制作、系统交互功能开发五个主要部分(如图3所示)。

图3 惠水布依族枫香染虚拟仿真系统建构流程图

1.资料收集和整理

枫香染数字化系统的建构需要收集和整理或现场实地采集需要的文字、图片、音频、视频材料。系统中的虚拟场景、人物需要数据计算和在图纸上设计绘制出平面、立面、剖面图。收集而来的有些图片需要应用Photoshop、Illustrator等图像处理软件进行加工处理。

2.建立数据库

将采集而来整理完成的资料分类，依据枫香染资源数据库平台框架设计图录入系统，并且设计出数据库平台子界面。

3.三维建模

三维建模是构建虚拟世界的基础。首先，在3DMAX软件中完成虚拟展示环境和物体的三维建模；然后，根据原画设计图制作出人物、物体和场景的三维模型；最后，根据之前收集的物体表面纹理图片，在3DMAX中编辑材质。为了更详尽地表现模型的细节，还需要用到纹理贴图技术[14]32-34，为模型表面添加丰富逼真的纹理和质感，需要反复、细致地在3D模型上绘制。

4.数字动画制作

这部分主要是工艺演示板块虚拟人物“小枫香”的VR工艺演示动画制作。在场景、人物、使用工具、器物、材料等完成三维建模之后，接下来是动画绑定骨骼，给做好的三维模型“小枫香”安装关节和骨骼。要想让静态造型变成动态，骨骼安装完成后需要调节动画，并耐心调制模型的各种动作，动作完成后，把模型放在机器上渲染。动画模型做得越精细，渲染的时间也就越长。渲染完成之后，再用3DMAX软件播放出来，虚拟人物“小枫香”的VR演示动画就制作完成了。

5.系统交互功能开发

三维建模和演示动画完成之后，需要在VIRTOOLS软件中实现用户和场景的交互。首先要在软件中编辑图标按键、图像、文字、声音等元素，形成生动的交互界面。其次是利用实时视景绘制技术、触觉和力量反馈传感技术、实时碰撞检测技术、人机自然交互技术和虚拟交互式漫游技术实现人机交互。用户可以通过鼠标、键盘、操控手柄实现与虚拟场景交互，在虚拟世界中自由漫步。人机交互功能是虚拟仿真系统中的一项基本功能，也是最扣人心弦的功能。

四、结论

传统手工艺承载着深厚的民族文化，是科技和艺术结合的产物，其保护与传承需要紧跟时代发展。何为“保护”？如何“传承”？我们需要重新去认知。“保护”并不是短期的记录和维护，而是要用数字化的手段将其完整性、系统性、永久性、原真性的保存。“传承”要紧跟时代发展，利用前沿高新技术手段大众化、趣味化传播和继承。近年来，国内科研机构做了基础性的数字化保护工作，比如图片拍摄、文字记录、音视频采集等。但这些数字资源在网上传播的只有少部分，大多处于内部保管状态，无法实现资源全民共享[15]。传统手工艺数字化不是让传统手工艺进入博物馆成为标本，更重要的是唤起大众的主观能动性，唤醒全民的文化自觉，主动参与到保护传承的工作中，把文化遗产转化成“文化资产”。

传统手工艺虚拟仿真系统能够整合传统手工艺不同形式的珍贵材料，原真性、永久性保存手工艺资源，提高了传统手工艺的展示效果、保护手段和传承效率，使传统手工艺突破了时间和空间的限制，真正实现资源共享。将虚拟仿真技术应用于传统手工艺保护传承具有重要的理论和应用价值。现代高新技术与非遗深度结合，改革了落后的保护传承模式，提供了新的有效的手段，打破了传统手工艺保护传承的瓶颈。虚拟仿真技术对传统手工艺的助力，将让传统文化活态传承成为现实。

面对高新技术应用于传统手工艺保护传承这一重要项目，现有的理论研究特别是实际应用都远远不够。必须深入研究虚拟仿真等前沿高新技术，大力推动传统手工艺的数字化保护进程，顺应时代发展。