基于增強現實的耀州瓷器展示設計

任 鏷，邱林寧，楊文杰

（北京印刷學院，北京，102600）

1 引言

在“鈞、汝、官、哥、定”五座歷史名窯之外，耀州窯在我國陶瓷發展史上同樣具有不可替代的閃耀價值。誕生于陜西銅川，鼎盛于北宋年間的耀州瓷器，在我國北方窯場中堪稱最具盛名的存在[1]。最經典的耀州瓷以青瓷為主，釉色青綠泛黃，潤如古玉，有“巧如范金，精比琢玉”之稱。器物造型多樣，多仿金銀器。除供宮廷御用的龍鳳紋樣之外，常見于耀州瓷器的紋飾圖案以花、鳥等寓意吉祥的紋飾為主，體現了古代民間百姓向往美好生活的民俗精神，是研究民間紋飾藝術的文化寶庫[2]。此外，耀州瓷的刻花工藝精湛，瓷器紋飾層次清晰，具有類浮雕效果的立體感，素有“宋代刻花青瓷之冠”的美譽。

目前，耀州窯博物館是全面展示耀州瓷文物和燒造工藝的主要單位，同時也是我國規模最大的古陶瓷遺址專題博物館[3]。然而受地理位置所限，線下實體展示不足以滿足耀州瓷文化全球范圍傳播宣傳的需求。隨著VR+互聯網技術的發展，博物館的在線化、數字化、智能化展出已經是大勢所趨[4]。現有關于耀州瓷的在線展示還是以傳統的圖文介紹為主，主要提供文物基本信息的查詢功能，很難達到對耀州瓷文化的深入展示和宣傳效果[5]。因此本文擬從提高趣味性和傳播度兩個維度出發，利用增強現實技術實現耀州瓷文物交互展示的移動產品設計。

2 產品設計

所謂增強現實(Augmented Reality， AR)，是指用戶利用手機等移動便攜式終端自帶的攝像頭正常拍攝，屏幕在顯示真實世界場景的同時疊加顯示某些虛擬場景，形成虛實融合的成像效果。在這個過程中，移動終端承擔著類似電腦CPU的所有運算任務，至少需要解決三個主要問題。其一是對攝像頭捕捉到的現實場景進行分析，找到其中觸發虛擬場景的圖像信號。其二是對虛擬場景進行渲染，這種虛擬場景既可以是二維文字、圖像、或動畫視頻，也可以是三維模型或動畫。其三是計算虛擬場景在屏幕上的渲染位置，實現真實場景的“增強”顯示。其中，對攝像頭拍攝的真實視頻圖像的分析理解工作需要依靠計算機視覺算法進行求解，開發過程中調用算法的應用程序接口即可[6]。

因此，真實的AR移動應用產品設計包括兩方面的內容，一是虛擬場景的展示內容，二是應用程序的交互界面。針對耀州瓷的展示產品設計提出三項原則：

2.1 真實的文物展示

圖1 圖形用戶界面設計

圖2 多通道貼圖渲染

圖3 耀州瓷標記物設計

圖4 刻花耀州瓷盤照片與3D模型渲染效果對比

圖5 AR展示系統開發界面

圖6 AR展示和交互效果

耀州瓷器以文物為主，尤其是青瓷器皿，胎質纖薄，釉色光亮。對文物展示最重要的原則就是體現文物的真實特性，盡可能還原其器型、紋飾和質地光澤。采用三維掃描技術可以采集精準的文物表面數據，但是為了適應移動端實時渲染，通常需要對文物進行3D建模，利用紋理貼圖對文物細節進行還原。

2.2 豐富的展品內涵

在展示耀州瓷器精美外形之余，更重要的是傳播耀州瓷器的文化內涵。合理的圖形交互界面設計可以有效提升移動產品的用戶體驗和信息含量多種形式的媒體素材，通過界面引導在移動屏幕端對傳統的圖片、文字、語音和視頻等多媒體形式進行融合展示，在展示耀州瓷文物的同時傳播其文化背景，紋飾蘊藏的寓意內涵，以及獨特的陶瓷燒造技藝。

2.3 生動的交互體驗

得益于智能電子產品的多點觸控技術和傳感器的植入，移動產品可以提供多種交互操作。當不同的操控方式牽引出多種多樣動態效果時，用戶在體驗上會感受到更多樂趣，將原本在某一時刻只能單一呈現的觀感體驗擴大到視覺、聽覺、交互這三個維度。在耀州瓷器展示的產品設計中，利用交互對瓷器文物進行多維度展示，甚至提供小游戲引導用戶了解文物的多面屬性，從而實現更為身臨其境的帶入感。

3 技術實現

基于以上產品設計，實現耀州瓷器文物的AR展示原型系統。線下部分利用手繪風格描述耀州瓷文物故事，串聯由文物紋飾抽象設計的標記物圖案。線上部分開發應用程序，在交互界面中引導開啟攝像頭，實現耀州瓷文物交互展示。

3.1 界面設計

在界面設計中融入耀州瓷紋飾元素，采用耀州瓷特殊的青釉色為底色，白描繪制三件典型耀州瓷文物紋飾，采用三角構圖繪制圖形用戶界面(Graphical User Interface， GUI)。第一件是錢紋小壺，是金代耀州窯的精品代表作之一，是為數不多的釉色偏醬油釉的小壺，內飾錢紋，象征富庶。第二件是青釉刻花牡丹瓶，是耀州窯北宋時期的代表作，其牡丹紋被稱為纏枝蓮紋，寓意花開富貴，生活平安。第三件是嬰戲紋蓮花式碗，紋飾結合嬰兒和蓮花造型，極富生活氣息。

按鍵標識設計源于中國傳統紋樣中的如意祥云紋，古人追求事事如意，祥云紋飾和如意紋飾大多會出現在衣物設計中。界面背景疊加粗布質感，配合明黃色的祥云紋飾可以提升整體格調。圖1為原型系統的GUI界面設計。

3.2 3D建模

利用三維掃描設備采集的耀州瓷三維模型真實度高，具有與文物表面一致的凹凸質感和采集光照下的紋理顏色，可作為真實文物測繪數據進行存檔。但是在移動端顯示中，掃描模型由于具有過高的三維網格面片數，很難進行實時渲染。因此需要在三維建模軟件中依據真實掃描數據重新建模，解決幾何造型、紋理貼圖和光線渲染等技術問題。

幾何造型方面，標準的碗狀、盤狀文物器型可利用中心旋轉造型曲線快速實現。復雜文物，尤其是厚度不一、表面非光滑平坦的器物造型需要借助幾何雕塑軟件（如Zbrush）進行雕刻，盡可能保持造型細節與真實文物一致。

對三維文物模型材質的處理是文物數字化保護研究中的難點問題。以耀州瓷為例，由于瓷器表面反光，釉色質地透明，在掃描過程中很容易出現孔洞，造成數據缺失。利用多種貼圖疊加渲染的方法可以對耀州瓷的真實材質進行模擬。圖2展示了刻花紋耀州瓷盤的多通道貼圖渲染效果。單一的顏色貼圖(color_map)可以表現刻花紋理，在三維環境光下顯得非常生硬。疊加置換貼圖(disp_map)和法線貼圖(normal_map)后，可以在不增加幾何網格的前提下增加模型表面質感，體現凹凸細節。此外，在設置好光照的三維場景中渲染高光(spec_map)和環境光遮蔽(occ_map)貼圖，通過灰度值體現模型表面某一點處的高光效果和模型之間互相影響的光照效果，能夠讓模型在交互過程中具有更高的真實感。

3.3 標記物設計

標記物是AR系統中，關聯真實世界場景與虛擬場景的重要媒介。標記物本質是便于算法識別的灰度圖像。早期AR算法僅支持規則黑白二值圖形識別，需要將標記物設計為類似二維碼的抽象形狀。目前識別算法性能提高，使得用戶可以自定義具有語義信息的標志圖形，關聯對應三維模型實現融合顯示。在耀州瓷展示系統中，標記物設計恰好是體現極具耀州瓷器型、紋飾形狀特色的最佳載體。

標記物設計采用手繪耀州瓷文物的形式實現。手繪形狀具有唯一性，相比規則形狀具有更高辨識度，有助于算法從圖案中尋找特征點。顏色上采用青綠背景搭配純白色線條，利用陰影等細節效果提高顏色對比度。形狀上需要避免出現軸對稱紋理，影響算法識別效果。最重要的是標記物本身即為瓷器形狀的抽象展示，利于用戶對文物產生直觀印象。將設計好的標記圖案上傳AR開發包的數據庫中進行注冊，關聯相應三維模型即可實現混合展示。圖3是根據耀州瓷文物設計的標記圖案，每個圖案只能與一件瓷器文物模型進行關聯。

3.4 系統實現

基于Unity3D引擎實現耀州瓷VR展示原型系統開發。Unity3D可提供跨平臺的項目遷移，因此一次開發應用程序可同時發布于桌面應用，以及安卓、ios不同移動終端系統。在Unity3D中需要對三維模型的渲染效果進行處理，其次是開發圖形用戶界面和背后的交互功能。圖4對比了刻花耀州瓷盤圖片[7]和處理材質后虛擬環境下的展示效果，左一為文物圖片，可以看到二維圖片展示效果非常平面；而右面經過多通道貼圖融合的三維模型，既能夠更好的表現耀州瓷器的釉色和刻花紋理，還可以支持交互瀏覽，全方位多角度觀察文物細節，具有更強的真實感。

AR展示效果利用高通公司的Vuforia SDK進行開發。首先將注冊好的標記圖像和處理好材質的三維模型導入Unity3D，在場景中調整模型和標記的相對位置。調用SDK中的AR camera替換默認相機，該相機集成了AR算法，對攝像頭采集到的視頻幀進行分析處理，識別標記物位置，同時對三維模型進行渲染。圖5為Unity3D引擎中AR展示系統的開發界面，需要利用密鑰激活AR套件的算法功能。

作為游戲開發引擎，Unity3D提供物理屬性模擬的基本功能。因此虛擬環境中的耀州瓷模型不僅是可以旋轉移動觀察的三維物體，同時還可以模擬真實世界的其他屬性和行為。比如碰撞、破碎、幾何形變。為增強交互趣味性，在原型系統中開發了重力感應小游戲，在AR展示界面，通過虛實結合的方式控制耀州瓷文物空間移動，承接屏幕上落下的虛擬水果，引導用戶對文物進行360°旋轉觀察。在后續研究中，考慮進一步模擬幾何模型的真實物理屬性，開發更多交互功能，如虛擬耀州瓷破碎與修復，模擬刻花工藝等，進一步提高AR展示的交互性和真實感。

4 小結

作為一座歷史名窯，耀州窯經過長期實踐，探索出獨特的燒造工藝，形成了耀州瓷獨特的紋飾和器物造型風格，具有極高的歷史文化研究價值。本文提出一種基于增強現實技術的耀州瓷展示設計方法，并實現了原型系統。利用移動應用支持的增強現實顯示技術，不僅能夠提升耀州瓷器的展示效果，還能有效促進耀州瓷文化宣傳傳播，提高展示交互趣味性，為耀州瓷器展示傳播提出新的思考和可行路線。