宋代水运仪象台图像复刻与虚拟展示设计

薛艳敏 靳涛 周毅晖

摘要：提升宋代水运仪象台虚拟展示设计的沉浸性、交互性。实地调研、测绘，将三维建模和动画、360全息投影等三维数字化技术应用于水运仪象台的虚拟展陈。真实复刻出其虚拟模型，呈现出虚拟立体的数字图像，完整且清晰地展示了其外观构造和内部结构及机械运转状态。数字化技术为展示水运仪象台的千年风貌提供了新的方式，对于中华文明史上杰出科技的保存与传播有积极的借鉴意义。

关键词：水运仪象台；数字化；全息投影；虚拟展示；展示设计

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）07-0028-05

Abstract：Improving the immersion and interactivity of the virtual display design of the Song Dynasty Astronomical Clock Tower. Field researching， surveying and mapping， applying 3D modeling and animation， 360 holographic projection and other 3D digital technologies to the virtual display of the Astronomical Clock Tower. Its virtual model is truly reproduced， presenting a virtual threedimensional digital image， which completely and clearly shows its appearance structure， internal structure and mechanical operation status. Digital technology provides a new way to display the millennium style of the Astronomical Clock Tower， and has positive reference significance for the preservation and dissemination of outstanding science and technology in the history of Chinese civilization.

Keywords：Astronomical Clock Tower；Digitalization；Holographic projection；Virtual show；Exhibition design

前言

水運仪象台是以水为动力来运转的集计时报时、天象演示和天文观测为一体的大型天文计时仪器。由北宋科学家苏颂和韩公廉设计，于宋哲宗元祐初年（公元1088年）建成[1]。其中天关天衡天锁传动装置类似现代钟表的擒纵器，英国的李约瑟认为其“很可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”[2]，享有“世界第七大发明”之称[3]，代表着中国古代机械设计制造技术的高水平。在近代，国内外积极展开了水运仪象台实物复原的研究活动。1935至今，刘仙洲、王振铎等研究学者的水运仪象台复原工作取得了阶段性的成功[4，5]。在水运仪象台的科普展陈中，传统方式主要以实物复原、文字解说、视频解说伴随简单交互为主，对观者的吸引力较弱。从科普展陈的角度出发，新媒体技术与水运仪象台展陈的结合是主要途径之一。本文在宋代水运仪象台展陈设计中，尝试结合数字化建模、动画与360全息投影技术，为观众提供直观、舒适、新颖的观展体验，让文物的展陈内容更具魅力和吸引力。

一、宋代水运仪象台展陈现状

宋代水运仪象台于元祐年间设计制造完成，毁于战火。20世纪三十年代开始进入到研究学者的视野中，历经数十年的时间，刘仙洲、王振铎等多位研究学者完成了水运仪象台的复原工作[4，5]。水运仪象台蕴含了千年以前古人的智慧结晶，亟待向世人展示。博物馆是水运仪象台展陈的主要渠道之一，目前水运仪象台的展陈方式有两种：以实体为主的展陈和虚拟的线上展陈。

（一）实体为主的水运仪象台展陈

依博物馆与新媒体技术的结合程度可以分为以下3种情况：实物+解说词；实物+界面交互；实物+专题展览。主要以文物的实物展陈为主，借助新媒体技术，将思想与艺术结合起来，博物馆展陈形式变得有生命力，能够表达更深层次的文化信息和内容[6]，增加了参观者与展品之间的互动。

1.实物+解说词

实物+解说词是最传统的展陈形式。盱眙铁山寺天文科技馆内放置水运仪象台实物模型，外轮廓的窗户是透明玻璃，能够看到内部部分结构（图1）。此类展陈可以科普水运仪象台历史背景、社会地位、三大功能，但认知门槛较高，单项静态的科普方式无法吸引观众的目光，科普效果不佳。

2.实物+界面交互

实物+界面交互的展示形式出现时间比上面的稍晚。上海天文馆内展示的水运仪象台是将一面的外轮廓撤掉，方便观众观看内部细节，但存在护栏，无法临近观看全部的内部构造（图2）。旁边放置一个电子显示屏，播放展示视频、音频，观众操作显示屏，可以完成对运转中的三维模型进行旋转、移动、缩放等交互动作。国家授时中心内展陈的水运仪象台模型，正面大小门可以推开，能观看水运仪象台的多宝楼、浑象部分内容，但无法完整观看内部细节（图3）。旁边的电子显示屏中有其展示视频，观众可以进行简单交互。此类展陈观众无法完整观看到内部构造，简单的界面交互不能够吸引足够多的观众，展陈方式也已过时。

3.实物+专题展览

专题展览是全方面、多维度的科普水运仪象台的展陈形式。开封博物馆宋代科技展专题展厅内放置一座1：1复原的水运仪象台，观众可以通过外轮廓橱窗观看内部构造，但无法观看二层浑仪、顶层浑象的细节，顶部有一个星图，模拟星空（图4），为观众带来了极强的视觉冲击力，从视觉、听觉、触觉角度带来沉浸感。中国科学技术馆中的专题展览，内置实物模型，还有拆解的内部构造，可以与观众进行互动（图5）。此类展陈观众互动性强，观展效果好，但场地面积要求高，场景布置费时费力，复刻成本高，不适合巡展。

（二）虚拟为主的水运仪象台展陈

数字化时代的到来为展陈设计提供更多方案，博物馆展陈设计焦点改变了“重物轻人”的观念，更加“以人为本”，表现为非实物展示和空间功能的复合化，以期与观众能够更好互动[7]。水运仪象台虚拟展陈结合新媒体技术，相较于传统展陈而言，能满足观众获取知识需求的同时，能够获得愉悦感，有更好的参观体验。目前有以下几种虚拟展陈形式。

1.“水运仪象仪（VR）”

大宋水运仪象台VR交互软件（HTC vive），简称水运仪象仪（VR），由北京盛开互动科技有限公司研发，2017年上线。主要分为五大板块：动力机构、报时机构、浑仪、浑象、内部结构。每个板块均可以独立点击播放，旁边配备解说词和演示视频，通过操作触摸屏，实现对三维模型的旋转、移动等，实现三维影像和用户的交互（图6）。目前该产品已经下架。此类型展示形式便于观众随时随地观看，科普效果强，但缺乏完整的运转展示流程，但是屏幕展示方式较为常见，缺乏新颖感。

2.水运仪象台VR体验展

芜湖科博会VR科技馆于2018年4月举办VR体验展，内有水运仪象台VR体验区。利用虚拟现实仿真技术，结合便捷式3D头戴VR显示器，实现对水运仪象台从整体运行原理到各部件的三维展示，并带给使用者更加真实的交互体验。此类展陈方式新颖，用户参与感强，观展效果好，但需要佩戴VR设备，不适合所有人。

3.水运仪象台数字藏品

2022年4月14日，开封市博物馆联合某公司在Art Meta元艺数平台上发行馆藏“水运仪象台”数字藏品，售价19.9元，限量10000份，3秒即售罄（图7）。2022年6月9日，上海天文馆（上海科技馆分馆）在蚂蚁集团旗下鲸探平台上线数字藏品—— “世界上最早的天文钟的缩比模型·水运仪象台”，让观众把热门藏品“带回家”（图8）。此类方式宣传效果强，但是并未科普水运仪像台具体内容，需要观众主动探索。

综上，水运仪象台的复原工作取得了较大的进展，但实体的展陈和虚拟的展陈都有较大的提升空间：以实体复原模型为主的展陈方式有诸多不便，例如，内部细节观看不到、需要讲解人员、场地的需求较高等。触摸屏可以简单介绍其运转原理，但是只展示拆分出来的几个主要部分运转，缺乏连贯性，简单的界面交互体验感不足。以虚拟为主的展陈中，App功能丰富，内容完整，但没有完整的运转展示，只是拆分之后主要系统的运转展示；VR体验中沉浸感强，但观众需要配备VR装备，对于其身体素质有一定要求，观展人数多时需要排队等候；数字藏品是一张图片，只有宣传、收藏效果。

本文采用三维建模技术和360全息投影技术，在360°全息投影柜中呈现立体的、有运转功能的数字化产品，结合动画技术，向观众清晰完整地展示水运仪象台的内部构造、运转原理、历史背景等，增强丰富性、故事性和艺术性 ，助力优秀传统文化的保护和传承。

二、基于三维建模技术的水运仪象台虚拟复刻

宋代水运仪象台将前人的智慧凝聚在了一起，结构上以天柱为主转动轴，“一机带三器”，其中上层浑仪观测天象、中层浑象球模拟天象运转，具有现代“转仪钟”和“天仪球”的功能，浑象球随天象转移而自动报告时刻，从而构成一个复杂的变速、换向的传动系统[8]。整台仪器高约12米，宽约7米，上窄下宽，分为三层，呈塔楼状构造，十分精巧。主要分为计时报时系统、演示天象系统、观测天象系统。对水运仪象台结构、装置的全面细致建模，完成结构复刻是虚拟展示的基础。

设计和制作团队通过多次实地观测国家授时中心的水运仪象台实物模型、反复观看其解说视频，测绘其尺寸比例、外觀造型、内部结构等，使用CINEMA 4D 软件进行三维建模及贴图等，共建模完成962个构件，装配形成拥有计时报时、演示天象、观测天象复杂功能的装置，实现了水运仪的数字化复刻。下面从以下几个部分对模型进行展示。为了更加清晰地展示数字模型各个装置的内部构件、组成方式等，展示的图9至图19均是基于以上模型导出各部分的外轮廓线稿图。

（一）外轮廓复刻

图9是本文制作模型所生成的外轮廓线稿图，底部为台基，支撑整个建筑。中间层为主要组成，分为前后左右四面，前面观众可以看到多宝楼、浑象、浑仪，设有两扇大木门，四扇小木门，除此之外还有门枕、门榄、护栏等装饰物。其余三面均为窗户与木制骨架构成，方便观看内部细节。浑仪置于顶层，设有木制屋顶一座，以防日晒雨淋，为了方便人员使用浑仪观测天象，屋顶有数块随时拆卸的屋板，是现代天文观测室的雏形。

（二）动力装置复刻

（二）基于三维动画技术的水运仪展示视频制作

为了更生动地展示水运仪象台的构件关系、结构特点，动画特效的设计和制作可以创造出实物展陈中无法触及的效果演示。例如，在形象认知展示中，直接显示部件缺乏趣味性，本文采用生长动画辅助展示，从以下3种类型进行表现。

1.线动成体（图22）。多数采用线动成体的方式。线条生长跟随摄像机旋转，按照旋转顺序依次生长，其中有穿插一些随机性，线框构建完成，实体逐渐出现，线条同时渐隐。打水轮、主轴增加点动成线。

2.破碎动画（图23）。浑仪屋顶、浑象球是线框生长完成之后，增加破碎动画，逐渐构成屋顶，之后线条逐渐消失。

3.由无到有（图24）。主轴上的楼层，先生成线框，再按照由下而上的顺序，楼层从无到有，依次出现，在结束时增加颤动标签，使其运动形式更贴合运动规律。楼层上的时间标签由底层开始，按照摄像机运动轨迹，由无到有依次出现。亭台的铜铃跟着亭台一起出现，出现时会摇晃，并一直持续。

（三）基于360全息投影技术的立体虚拟展示

基于数字建模和动画技术的虚拟展示将水运仪像台的展陈从实体转为数字化，从静态转化为动态，基于360全息投影技术的立体虚拟展示则可从平面转化为空间，二者结合使观众从本能层次发出主动的意向，促使行为层次的产生，观众从被动转变为主动，有效提升了观展体验[11]。

图25是本文定制的360全息投影展示柜，根据场地大小、在保证展陈效果不变的前提下，提前设计展柜尺寸，观众不会出现拥挤现象，保证观展体验。360全息投影柜可以定制不同尺寸和外观，打破既往水运仪象台展陈设计的空间问题。展示柜分为底座、中间投屏区域、上方视频播放源。外形参照水运仪象台，中间部分挖空，作为展示区域，视觉效果相当于两米外60寸显示屏的效果。其原理是在上方一整块的显示屏等分为4个相同的等腰三角形，同时播放制作好的前后左右4个角度的视频，视频通过金字塔形的全息投影玻璃进行反射与衍射，汇集到一起后形成具有虚拟的空间影像（图26）。在360°全息投影柜体四面装有触摸屏，可360°展示水运仪，交互界面分为水运仪象台外形、大风车结构、结构、计时原理4部分。观众通过操作触摸屏，实现对三维模型的旋转、放大、移动等，加强交互。

为达到立体的虚拟展示效果，本文制作4个角度的动画视频。首先在CINEMA 4D软件中设置好摄像机动画，以模型为中心阵列四台摄像机，分别输出4台摄像机的渲染好的序列帧，在AE软件中合成视频，并添加圆角矩形蒙版，用以结合展示柜效果，取消视频有可能产生的边缘效果。对于有复杂穿插镜头的展示，不宜设置4个方向的摄像机，因为会引起图像干涉而影响观众体验，只能将正摄像机制作的视频备份为4份，同时播放在360全息投影展示柜上方的显示屏。

立体展示设计中，基于CINEMA 4D软件的三维建模从形状、纹理、色彩、比例等方面，将水运仪象台如实、细致地模拟出来，在360全息投影展示柜展示，为观众呈现悬浮的虚拟图像，可使观众站在展示柜的四周随时观看展示细节，大大加深其对展品的印象和记忆。空间立体的虚拟展示图像为水运仪像台展陈提供更新的发展方向。

结语

本文通过对宋代水运仪象台的深入调研、测绘和研究，基于三维数字化建模和动画技术构建出水运仪象台的三维模型和动画视频制作，完成水运仪象台虚拟演示视频，结合360全息投影技术，为观众呈现出虚拟立体的数字图像，利用360全息投影展示柜的界面交互，实现具有沉浸性、交互性的水运仪象台虚拟展陈设计，全面且清晰地展示了其外观构造和内部结构，完整展示其运转流程，丰富了水运仪象台展陈体系，为展示尘封已久的水运仪象台千年风貌提供了新的方式，对于中华文明史上杰出科技的保存与传播有积极的借鉴意义。

基金项目：陕西省社会科学基金一般项目（2020J049）

参考文献

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