虚拟现实技术在非遗陶瓷的高保真应用研究——以广州织金彩瓷为例

李智勇

广州市轻工技师学院 广东广州 510220

在高新技术高速发展的今天，虚拟现实技术在非物质文化遗产的传承与保护领域，掀起了不少热潮，但由于虚拟现实技术的传统材质制作技术存在缺陷，导致虚拟作品出现颜色不正确、纹理不清晰、金属质感缺失、光照不合理等影响真实感的问题。

在非物质文化遗产中，广彩瓷有很高的文化与历史价值。通过对广彩瓷艺术品在虚拟环境中开发的研究，探究如何把广彩瓷的绚烂多彩、堆金积玉的效果，在虚拟环境中真实地还原。一方面，为广彩的传承与保护出微薄之力，另一方面，为类似背景的非遗作品传承多了一条借鉴的思路。

1 广彩

“广州织金彩瓷”，简称广彩，是一种传统广州釉上彩瓷手工艺品。广彩生产从清朝康熙开始，距今已有300多年。2008年，广彩被列入国家级非物质文化遗产名录。广彩是在景德镇洁白瓷胎上彩绘，经过烧制为工艺品。作品彩绘精细，色彩灿烂、金碧辉煌，尤以“堆金织玉”技艺闻名，是岭南地区釉画代表。

2 虚拟现实制作流程的现状分析

2.1 虚拟现实技术应用特点

虚拟现实技术，是以计算机技术为核心，综合仿真、多媒体、服务器等技术，发展的真实环境数字模拟技术。用户借助穿戴设备，在虚拟仿真数字环境下交互，使用户有亲临其境的感受。

虚拟现实追求效果真实，光照合理，颜色准确，但因虚拟现实的传统制作技术缺陷，作品虚拟效果不佳。直至基于物理渲染制作流程出现，虚拟作品质量才有了质的飞跃。

2.2 虚拟作品材质制作流程

2.2.1 传统材质制作流程

在传统模型材质制作工作中，绝大部分是美术工作者，肉眼观察实物表面特征，用Photoshop等工具对材质手动加工与绘制。

2.2.2 基于物理渲染制作流程

基于物理渲染（Physically Based Rendering），是能精确计算物理规律、准确描述光线和物体对象表面关系的渲染着色技术。基于物理渲染流程标准的作品，更贴近真实物体的效果。

2.3 传统制作流程与基于物理渲染流程的对比

2.3.1 传统制作流程存在的问题

手工材质的制作，开发效率低下。因Photoshop只是图片处理软件，导致制作三维材质的质量参差，能否达到效果，只能等材质开发完，用三维引擎搭建复杂环境后才能预览，导致材质开发质量存疑。若制作效果不理想时，还需对材质重新绘制，工作量大，开发效率低。

2.3.2 基于物理渲染流程的特点

材质制作标准化，提高了制作效率。基于物理渲染流程，能制出现实存在的不同物体材质，例如：金属、岩石、陶瓷等类型。开发时，只需要直接调用即可，提高了开发者的工作效率。

预览前无需再考虑复杂的光照影响。采用基于物理渲染流程，在模型材质制作时，即可预览制作效果。实时渲染模型阴影、光照、模型之间的反射等效果。

3 基于物理渲染制作流程在广彩高保真开发的应用

基于广彩瓷作品的金碧辉煌和绚丽多彩的特性，在虚拟环境的广彩瓷展示中，最重要的是追求写实与逼真。若让广彩作品的虚拟模型制作出理想的效果，务必借助实物，确定好模型的器型、纹饰、色彩，甚至是广彩瓷文物的磨损或划痕等，做好特征的记录。

3.1 依据项目需求，构建广彩模型

三维模型是由无数个面组成，构建广彩瓷作品的模型，有高模、中模、低模三种。高模包含的面较多，低模的面较少，中模是介于低模与高模之间。其中，面数越少，模型反馈的细节就越简单；相反，模型的面越多，模型表现就越精细。

3.1.1 广彩瓷实物扫描

用高精度三维扫描仪，采集广彩瓷的三维特征，如：广彩瓷文物表面的凹凸质感和光照的纹理与颜色等，为广彩瓷实物进行真实数据的收集与存档。

但由于扫描出的模型，有数量较多的三维网格面，在算力有限的虚拟显示设备中，无法实时精确渲染。因此，只能借助三维建模、雕刻和材质制作等步骤，借助真实扫描的数据，对广彩瓷作品重构。在虚拟现实的场景中，才能呈现高保真度的广彩瓷作品效果。

3.1.2 低模制作

依据广彩瓷器型，用三维建模软件，创建广彩作品的模型。在此阶段，只是初步制大型，确定模型的尺寸和各部分比例。标准的碗、盘、瓶等器型，可采用旋转中心曲线方式，快速造型。若器型比较复杂的广彩瓷文物，如：有浮雕等特殊造型需借助Zbrush等雕塑软件，为模型雕塑大型，保持与实物造型一致。

3.1.3 低模UV拆分

在基于物理渲染流程的制作中，务必要对模型进行UV拆分。所谓的UV拆分，是把模型表面，按照规则进行分割后，使模型表面展开。

不管采用什么软件拆分UV，对广彩器型进行拆分时，都需确保尽量采取直线方式展开UV边缘。UV展开后的图形，需排列有序，便于后续导入模型到材质软件，制作高精度的模型材质。既可节省运行资源，又能提高UV利用率。如图1：

图1 广彩瓷展UV的效果

3.1.4 高模制作

制作复杂广彩瓷作品时，如：龙纹纹饰浮雕，或文物的破损等情况，为使模型呈现写实效果，需用雕刻工具，根据实物细节雕刻处理，制作出高模。借助高模烘焙法线材质贴图来呈现细节。高模是在中模卡线的基础上雕琢，使模型位置、大小等与原型有更高契合度，充分展现原模型的细节、质感和纹理。

3.2 三维模型的材质制作

因广彩瓷釉色洁白、图案花纹丰富、色彩绚丽夺目、织锦纹理金碧辉煌。三维纹理扫描，无法达到完美的效果。只能用多图案叠加、材质制作和纹理渲染的方法，才能够模拟出“广州织金彩瓷”的真实质感效果。

在非遗文化数字化保护中，非遗作品或文物的高保真建模和材质制作，都是非遗数字化保护的难点问题。

若构建高保真的广彩瓷虚拟作品，高精模型是第一步。当建模完成后，需在模型的基础上，制作与实物一致的材质。只有通过模型与材质结合，才能模拟实物在真实生活中的造型、凹凸感、光照和反射等效果，让虚拟广彩作品呈现更具真实感的效果。

3.2.1 法线材质贴图的制作

法线是在原物体凹凸表面的每个点。法线贴图，是用到三维模型表面的特殊纹理，使细节程度较低的表面，产生高细节度的精确光照和反射效果。

将拆分好UV的模型导入软件，调整好参数后，借助雕刻的高模，烘焙Normal（法线）贴图。通过法线材质，使低模携带高模的特性和信息。既保障了低资源设备运行的流畅度，又保障呈现作品的真实度，法线材质非常必要。

3.2.2 其他材质贴图的制作

为使模型细节呈现更加精确，如：花纹、划痕与污渍等效果，可以借助基于物理渲染材质软件来完成。因此，除了靠法线贴图以外，要把模型的所有细节完整呈现出，还需借助颜色贴图、高光贴图、粗糙度贴图、金属度贴图等。模型中呈现的细节越多，所需制作的贴图也就越多。至少高光、颜色、法线贴图是必须要有的。

3.3 检测

随着计算机运行速度的提升，能在模型制作、材质制作渲染中，借助软件或三维引擎工具，边实时渲染检测，边制作与修改。

模型和贴图制作完成后，需检测模型面是否有缺失、数太多了或太少等情况，这会影响模型的质量。同时，还需检查材质贴图的大小，在有限空间和尺寸的前提下，保障材质贴图的清晰度。最后导出fbx格式模型文件。将模型文件再导入三维引擎，观察作品效果的真实感、UI交互流畅度。虚拟广彩作品的绚丽色彩与金碧辉煌的质感会倍增。如图2。

4 结语

在虚拟作品质量要求不断提高的今天，鉴于传统制作流程作品表现, 毋庸置疑，基于物理渲染流程的作品，在真实感表现上尤为出色。本文的广彩虚拟作品，是基于物理渲染技术开发的，在模型的真实感优势上比较突出。在非物质文化遗产的保护中，对如何使陶瓷艺术品在虚拟现实环境中高保真地开发也提供另外的借鉴思路。