基于虛擬現實技術的傳統木雕數字化修復方法及應用

簡介

傳統木雕數字化修復作為現代藝術的呈現方式，是一種集知識、藝術、技術于一體的表現形式。隨著信息技術、3D立體圖像技術、虛擬交互技術的發展和虛擬現實修復動畫數字化手段的數字化改造與創新，構建3D立體效果的虛擬互動木雕修復展示系統，對展示真實空間和保護傳統木雕具有重要意義。傳統木雕損壞或腐蝕的部分無法向世界展示其原有的文化特色。這是對古代建筑和裝飾文化的不完整呈現。因此，輔以數字形式，保存傳統木雕的全貌，對于人類了解古建筑和古村落的歷史文化、建筑格局、人類生活具有重要意義，這也是一項具有前瞻性的舉措。

在應用技術方面，3D立體投影技術和虛擬現實（VR）交互技術已經開發并應用于不同的藝術領域。例如，3D立體投影技術在今天的電影工業中得到應用，虛擬交互技術在網絡游戲中得到成功應用。然而，很少有研究將兩者結合在一個領域。究其原因是應用載體不合適，人們還沒有充分認識到3D立體投影技術與虛擬現實交互技術相結合在同一領域的價值和前景。傳統木雕的數字化修復是該技術應用的最佳載體，其為傳統木雕修復的藝術表現提供了新的技術和手段。

針對上述技術手段，本文提出了將3D立體技術和虛擬現實技術應用于傳統木雕數字修復的實用設計和理論研究中。研究主要包括傳統木雕結構再現設計、立體影像制作、虛擬現實交互技術以及3D立體和虛擬現實兩者結合應用技術與多通道立體投影系統應用。

相關技術

虛擬現實

虛擬現實（VR）是近年來興起的一種高科技數字技術工具，也稱為極光技術或人工環境。其是涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域的綜合性技術。其利用計算機軟件生成逼真的三維圖像，具有聽覺、觸覺和嗅覺等感官體驗功能，使體驗者能夠自然地體驗構建的虛擬世界并與之互動。例如，當體驗者移動位置或改變手勢時，計算機會立即執行計算，從而使3D世界圖像移動或改變，讓體驗者產生空間存在感。虛擬現實是人們通過可視化來操縱計算機數據并與之交互的一種新方式。“虛擬現實”是一種計算機生成的媒體。“現實”一詞是指在物理或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境。

傳統木雕修復動畫

傳統木雕修復動畫是利用計算機三維技術制作有關傳統木雕外觀的動畫作品，是現代古建數字化修復的重要手段。如圖1所顯示的是圓明園舊址的3D修復。

傳統木雕模型設計與制作技術

模型建筑是完成傳統木雕數字化修復的基礎，傳統木雕模型設計應遵循以下基本原則：

1.模型結構準確，符合傳統木雕的文化特色。模型必須嚴格按照文檔和原始圖像提供的參考資料進行構建。場景模型必須符合歷史，家具必須符合空間設計的實際規模和位置。對于傳統木雕來說，模型的搭建比較復雜。如何還原真實的場景是建模的關鍵。

2.材料映射細致，符合年代感。傳統木雕修復動畫是傳播古代文化信息的載體，滿足了人們想要了解、認識、學習和研究原始古跡的需求。展示傳統木雕的真實形象很重要。映射的材料要求是對原始建筑材料的詳細分析和對原始建筑的詳細映射。

交互式3D效果技術系統設計

傳統木雕數字化保護的應用技術手段是數字化生產和展示。數字保護和修復的最大目的是記錄和傳承歷史。現在許多國家和地區都在建立數字博物館和畫廊，供人們參觀和學習。隨著現代科技的進步和人們需求的轉變，原有的傳統木雕動畫表演形式已經不能滿足人們對消失的傳統木雕進行更深入、更透徹、更直觀的認識。將3D技術和虛擬交互技術應用到還原動畫中，雖然無法實現真實的觸覺，但可以在動畫中以第一人稱觀看傳統木雕，隨心所欲地設計漫游路線，同時也感受傳統木雕的真實空間感。

系統比較

傳統木雕虛擬現實交互展示設計是基于傳統木雕的原始修復動畫，以實現3D立體效果和互動體驗效果，同時可以解決目前傳統木雕修復的難題，如重建所需的土地問題、修復原貌的技術問題、修復周期長的問題。（如下表所示）

系統研究設計思維過程

傳統木雕立體效果虛擬現實交互展示系統的開發需要經過市場調研與需求分析、系統設計、技術開發與應用、運行與測試、效果評估五個階段。該系統旨在實現以下功能：1.建筑模型設計與實現的3D可視化（模型設計、材質UV貼圖設計、燈光設計）；2.立體成像技術的應用；3.虛擬交互技術設計；4.立體顯示技術。

技術程序設計

該系統分為兩類。一是PC上傳統木雕3D效果的虛擬交互展示設計；二是多通道立體投影下傳統木雕3D效果的虛擬交互展示設計。步驟相同，不同的是第二種在第一種的基礎上增加了投影設備和攝像設備。控制設置與PC相同，只是鼠標方向控制轉換為角色行走動作的捕捉。

3D虛擬現實技術在傳統木雕數字化修復中的發展與實現

3D可視化傳統木雕模型的實現

我們用三個部分來詳細描述傳統木雕3D效果的交互設計和開發過程。具體內容包括程序結構設計、資源文件設計、程序難點的具體實現。傳統木雕數字化修復最重要的部分是傳統木雕展示的數字化，而實現傳統木雕數字化的前提步驟是模型。另外，了解傳統木雕的結構也極為重要，其修復傳統木雕動畫就是不加修飾地還原傳統木雕的原貌。

傳統木雕模型的創建一般從幾何開始，創建可編輯的盒子幾何，根據模型的大致形狀在布局中添加線條，調整分區，從整體到局部，循序漸進。漸進式，如果幾何圖形數量不足，則添加新幾何圖形以創建新對象。但是，將多邊形行數和面數保持在最低限度的原因是為了節省資源。隨之而來的問題是模型過于簡單，不夠詳細。如果你正在制作一個生物模型，最好確保所有表面都是四邊形，以免在物體運動時撕裂貼圖。為了讓體驗者對模型感到滿意，模型建立要專注于局部要點而不是整體，并在3D相機和控制范圍之外簡化模型。還要適當考慮模型的尺寸、材料的種類和制作成本，以確保藝術與現實相結合。

對于建筑模型，布置照明以創建逼真的自然環境光效果很重要。要在軟件中創建理想的照明效果，就必須了解自然界中的光。在自然環境中，只有一種光源，那就是太陽，而太陽的光線來自多個方向，原因是來自太陽的直射光會被某些物體折射或反射，這構成了直接光和間接光。

要想創建立體圖像，了解立體成像的原理很重要。由于人眼的瞳孔距離約為65mm，當人們用雙眼看物體時，左右眼分別看到物體的左右兩側。雙眼可以看到場景左右兩側物體的細節。這意味著在人的視網膜上形成了兩個相似的具有水平視差的二維圖像，而物體在左右視網膜上的成像略有不同。這意味著通過雙目視差再現兩個二維圖像以形成三維圖像。我們看立體電影就是模擬人眼3D成像的原理，先將左右眼的單眼影像記錄下來，通過投影儀和相應的立體投影設備，讓觀眾左右眼分別看到對應的單眼影像，再通過大腦再現成三維影像。從技術上講，這意味著左右雙像分別投射和反映在觀眾的左右眼中。為了實現雙目圖像，我們必須創建一個雙目虛擬相機來捕捉它。雙目相機拍攝的左右眼圖像，通過大腦復制成一個三維圖像。

虛擬交互技術實現

在模型完成的最后階段，對物體進行碰撞控制，因為模型相機可以穿過物體，而在現實生活中，我們人類無法穿過物體，所以我們必須對攝影進行碰撞控制。這意味著攝像機模擬人眼，攝像機的移動模擬人物行走，遇到墻壁和障礙物時無法穿過物體，因此更加逼真。

“立體視覺”是大腦對立體圖像的“深度”感知的滿意度。從傳統平板顯示器的“單目線索”中獲取“深度感知”并不容易，難點在于人們對二維圖像的習慣。單目線索包括明暗、相對大小、空間透視（或大氣透視）、運動視差（通過附近物體穿過視野進入視野）和深度感知（創建的視覺線索）。通過將附近的模型物體移動到比遠處更遠的物體的行為，產生運動學視差（通過將附近物體移動到比遠處物體更遠的距離的行為產生的視覺提示），最后，單目線索中的“遮擋提示”（物體在上方和下方或前后被遮擋）和觀點也影響著木雕數字化修復的立體視覺效果。

虛擬現實技術實際上為觀看者的眼睛提供了兩個獨立的圖像，以創建深度感知效果。當查看由一對相同圖像呈現的特定對象時。根據兩幅圖像的水平距離差（瞳孔取決于兩幅圖像的水平距離差），觀看者的眼睛會移動并“會聚”在屏幕前面、上面或后面，但人的大腦總是聚焦在屏幕上，從而產生一種不真實感，而這種不真實感使我們對立體場景的感知與現實世界不同。在現實世界中，我們視覺的焦點和收斂是一致的。當觀看立體圖像時，這種已知的反應被打破，這就是導致立體視覺不適的原因。雖然大多數人對焦點和會聚的突然差異感到滿意，但有些人看到立體圖像更敏感，會感到不適、頭暈、圖像混亂。

研究虛擬現實交互技術在傳統木雕數字修復中的應用具有很大的應用價值和現實意義。該方法為傳統木雕修復提供了全新的數字展示理念，為體驗提供了全新的虛擬臨場感。該研究在傳統木雕數字化修復領域具有開創性和高度的整合性，拓寬了虛擬現實技術的應用領域，通過實際開發和研究，為傳統木雕數字化修復提供了一種非常實用、有效的手段。

參考文獻

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