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虚拟仿真在“非遗”实践教学中的优势

2021-07-30 350 上传者：管理员

摘要：文化遗产保护工作与信息化的有机结合，使传统文化遗产焕发出更多的活力。为了对中国宋代陶瓷文化的普及和保护，我们基于Unity3D平台，使用Cinema4D等开发工具，开发出陶瓷虚拟展示系统，实现宋代陶瓷展馆的虚拟仿真。探索虚拟仿真实践课程的设计与实现，推动宋代陶瓷文化传承与传播方式朝着多元化趋势发展。

关键词：
传统文化遗产
宋代陶瓷
实践教学
虚拟仿真
非遗传承
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一、研究背景概述

随着我国社会经济的快速发展，伴随着全球化、工业化和城镇化，社会进步科技发展，在物质需求得到满足后追求更高的精神需求却遇到了困难。由于无人知无人传等问题，许多文化遗产被淹没在时代洪流中，迫切需要我们探索新的文化遗产保护形式，传承文化自信。党的十八大以来，习近平总书记对文化遗产保护高度重视，并多次在地方考察调研非遗项目。

在国家大力推动信息化、信息化技术高速发展的时代背景下，互联网文创产品陆续推出，展厅3D虚拟仿真展示等新兴技术给文化遗产走出展厅、走近民众，为民众所认知、熟识搭建了桥梁，充分发挥了数字化的重要作用。

现有的“非遗”实践课程存在一些问题，将虚拟仿真技术与“非遗”实践课程相结合，可解决传统实践课程的大量缺陷。我们设计宋代陶瓷虚拟仿真实践课程，并尝试实现其中的关键部分——虚拟陶瓷展馆系统。

实现新兴技术与古老文化的有机结合，用科技的手段传播和传承文化遗产，让更多的人了解我们的文化，让我们的文化走出国门、走向世界，建立民众心中的文化自信。

二、研究方法

基于虚拟仿真系统，实现宋代陶瓷展厅3D效果，重点是3D模型的建立与物理引擎引入，我们将分别使用不同平台和工具实现。可以通过成熟的Cinema4D软件及Polyon建模方法而实现展厅、陶瓷等3D模型的建立及材质纹理的实现，并借助Photoshop实现陶瓷的UV贴图；同时，借助Unity3D平台实现系统的界面设计与真实物理引擎的引入，实现程序的图形用户界面与良好的物理表现效果；最后，使用Unity3D平台的XDreamer插件，设计程序的交互流程，实现自由游览和360°陶瓷展示。

三、功能实现

(一) 三维模型的建立

1. 关于陶瓷的多边形网格建模的实现

多边形建模就是Polygon建模，是目前三维软件两大流行建模方法之一(另一个是曲面建模NURBS),用这种方法创建的物体表面由直线组成。在建筑方面用的多，例如室内设计，环境艺术设计。Polygon建模是一种常见的建模方式。首先使一个对象转化为可编辑的多边形对象，然后通过对该多边形对象的各种子对像进行编辑和修改来实现建模过程。我们用多边形网格建模技术，根据陶瓷图片和展馆设计草图，建立了虚拟陶瓷模型和展馆场景模型。多边形网格建模的缺点是它不如曲面建模NURBS有固定的UV,在贴图工作中需要对UV进行手动编辑，防止重叠、拉伸纹理。这引出了下一个技术：UV贴图绘制。

2. 关于陶瓷的UV贴图绘制的实现

UV这里是指u,v纹理贴图坐标的简称(它和空间模型的X,Y,Z轴是类似的)。它定义了图片上每个点的位置的信息。这些点与3D模型是相互联系的，以决定3D模型表面纹理贴图的位置。UV就是将图像上每一个点精确对应到模型物体的表面。在点与点之间的间隙位置由软件进行图像光滑插值处理。这就是所谓的UV贴图。使用Photoshop绘制UV贴图的基本步骤是：首先在Cinema4D中建好需要的模型，在Cinema4D软件中进行拆分UV,保存为PSD的格式，在Photoshop中来给拆分好的UV绘制需要的贴图。在Photoshop中绘制好贴图后，可以回到Cinema4D给模型上材质，打灯光，再渲染输出成图或动画。我们用UV贴图绘制技术，观察陶瓷本身的花纹、图案，用Photoshop绘制贴图，为我们建立的虚拟陶瓷模型创建表面贴图。

3. 关于为陶瓷和展厅三维模型赋予材质纹理的实现

材质主要是用来表现物体对光的交互(反射、折射等)性质的。譬如金属对光的反射和毛毯对光的反射性质完全不一样，那么对3D程序来说，这样的差别就通过材质这个属性来计算出不同的颜色。纹理即纹路，每个物体表面上不同的样子，譬如说木头的木纹或者大理石的花纹。根据材质图片，使用Cinema4D软件创建材质的基本步骤如下：新建一个材质球，在材质编辑器中的纹理项导入材质图片，比如布料或木纹等，这样就创建了材质球。在创建的模型上赋予这个材质球，这样就完成了为模型赋予材质的操作。我们用这个技术，创建玻璃、木头等材质球，应用到展馆中的玻璃展示柜、玻璃介绍板、木制展示底座。

(二) 基于Unity3D的GUI设计与物理引擎的引入

1. 基于UGUI的图形用户界面的设计

在游戏开发过程中，为了增强游戏与玩家的交互性，开发人员往往会通过制作大量的图形用户界面(GraphicalUserInterface,GUI)来增强这一效果。UGUI是Unity官方的UI实现方式，自从Unity4.6起，Unity官方推出了新版UGUI系统。对于游戏开发者来说，UGUI运行效率高，执行效果好，易于使用，方便扩展，与Unity3D兼容性高。我们使用UGUI-Button控件制作“返回”按钮，引导用户从陶瓷详情页面返回到主页面。我们使用UGUI-Text控件显示文本、陶瓷介绍。

2. 将物理引擎引入本项目互动漫游故事

早期的游戏并没有强调物理引擎的应用，当游戏进入三维时代后，物理表现效果的技术演变开始加速，三维呈现方式拓宽了游戏的种类与可能性，越来越好的物理表现效果需求在短时间内大幅提升。本项目为虚拟陶瓷模型对象和展馆场景对添加网格碰撞体(MeshCollider)组件，实现了真实的碰撞效果——用户行走时碰到展馆墙壁或展台，会停下来。

(三) 基于XDreamer的交互流程设计、自由游览和360°展示效果的实现

1. 状态机系统的交互流程设计

状态机是表现和控制逻辑执行流程的一种模式。状态机每个节点作为一个状态(执行逻辑)的表示，节点与节点之间用连线来表示它的跳转，连线上有跳转条件。当状态完成并且跳转条件也满足时就会将切换到后续状态节点上。利用XDreamer的状态机系统，我们可以方便地完成逻辑执行流程的设计工作。

我们使用状态机系统，设计了整个交互流程：用户可以在场景里自由行走，点击某个陶瓷将会切换视角，并且显示该陶瓷的介绍，以便用户对该陶瓷作品有个深刻的了解。了解完之后，点击返回按钮，即可切换回原视角，用户可以继续浏览其他的陶瓷作品。

2. 基于行走相机和绕物相机组件的自由游览和360度陶瓷展示的实现

自定义相机是通过内含用户键盘鼠标监听器的相机脚本文件实现的。

我们使用行走相机WalkCamera来作为主相机。行走相机可以用键盘或鼠标控制相机在空间内自由行走，四处观察，用户仿佛置身陶瓷展示场馆，给用户身临其境的感受。我们使用绕物相机AroundCamera来作为副相机。绕物相机可以围绕某一指定目标物体360度旋转观察，用户可以用它来仔细观察陶瓷模型的细节。

四、虚拟仿真在“非遗”实践教学中的优势

(一) 不受时间和空间的限制

目前，开展非物质文化遗产传承教学的高校较少，即使高校开展“非遗”相关课程，学生在“非遗”课程上难以投入大量时间和精力。另外，由于实践课程一般需要特殊的实践场所，“非遗”实践教学也不例外。例如，学习陶瓷艺术需要陶艺体验馆，学习雕刻艺术需要雕刻教室。大部分高校无法提供大量资金投入到实践教学的场所建设中，因此实践课程往往缺少硬件条件，学生的需求也难以得到满足。虚拟仿真技术，能让学生在虚拟实践场所之中，体验到真实的实践教学过程。使“非遗”实践教学摆脱时间和空间的限制。学生可以随时随地使用电脑甚至手机访问网络中的虚拟仿真资源，学习“非遗”实践课程。

(二) 不会产生材料损耗

“非遗”的实践课程往往需要学生们动手制作工艺品，而部分工艺品的制作过程复杂，学生技艺生疏，很容易造成材料损坏。不但给高校增加一笔材料耗损的费用，学生重新再制作一遍还需要花费不少时间。虚拟仿真技术，能在学生做出错误操作时给出提示，使学生学习到正确的操作步骤。即使操作失败或者对自己的作品不满意，学生也可以很方便的重新再操作一遍，而不会产生材料损耗等问题。

(三) 不需要特殊的师资力量

“非遗”技能往往掌握在少数传承人身上，而普通教师对“非遗”技能的掌握程度不高。高校如果要做到专业的实践教学，不得不聘请非物质文化遗产传承人，而大多数高校难以做到。可以邀请非物质文化遗产传承人，为虚拟仿真实践课程制作课程视频、给出专业的指导意见，从而使虚拟仿真实践课程的科学性、严谨性得到保证。学生在动手操作前，可以先在虚拟仿真实践课程系统学习文字、图片、视频、动画等资料，提高学生的兴趣，然后再动手操作。

(四) 方便教师考核

可以在虚拟仿真教学平台中加入答题系统，当步骤做到关键步骤时，系统可以向学生提出问题。学生在回答问题的过程中，加深了对知识点的认识，而教师也可以很方便的通过学生的回答情况，对学生做出考核打分。

五、结语

经过反复研究并进行实验测试，软件在视觉效果、模拟仿真等方面都达到了预期的成效。结果表明，通过虚拟仿真技术，能够做到实现虚拟展厅展示宋代陶瓷，实现虚拟仿真实践课程的可行性得到保证，实现传统宋代陶瓷文化的普及和推广，在用户心中种下文化遗产保护和传承的种子。未来，随着VR设备的更新，虚拟仿真技术的应用将更加广泛，更好地利用新兴技术推动历史文化遗产的传承和保护，解决现在所存的不足和缺陷，是不懈的研究目标。

参考文献:

[1]杨红.非物质文化遗产数字化研究[M].北京:社会科学文献出版社,2014:133~139

[2]周晓成.3DSMAX动画艺术在陶瓷产品造型设计中的应用研究[J].江苏陶瓷,2013,2

[3]吴军明,欧阳瑞丰,卢攀登.景德镇优秀传统制瓷技艺的保护与创新式传承[J].陶瓷学报,2014,3

文章来源：李超越,王中星,关宇萌,刘佩,景智.宋代陶瓷虚拟仿真实践课程的设计与实现[J].产业与科技论坛,2021,20(15):63-65.