虛擬現(xiàn)實技術(shù)在非遺陶瓷的高保真應(yīng)用研究
——以廣州織金彩瓷為例

李智勇

廣州市輕工技師學(xué)院 廣東廣州 510220

在高新技術(shù)高速發(fā)展的今天，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)領(lǐng)域，掀起了不少熱潮，但由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的傳統(tǒng)材質(zhì)制作技術(shù)存在缺陷，導(dǎo)致虛擬作品出現(xiàn)顏色不正確、紋理不清晰、金屬質(zhì)感缺失、光照不合理等影響真實感的問題。

在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中，廣彩瓷有很高的文化與歷史價值。通過對廣彩瓷藝術(shù)品在虛擬環(huán)境中開發(fā)的研究，探究如何把廣彩瓷的絢爛多彩、堆金積玉的效果，在虛擬環(huán)境中真實地還原。一方面，為廣彩的傳承與保護(hù)出微薄之力，另一方面，為類似背景的非遺作品傳承多了一條借鑒的思路。

1 廣彩

“廣州織金彩瓷”，簡稱廣彩，是一種傳統(tǒng)廣州釉上彩瓷手工藝品。廣彩生產(chǎn)從清朝康熙開始，距今已有300多年。2008年，廣彩被列入國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。廣彩是在景德鎮(zhèn)潔白瓷胎上彩繪，經(jīng)過燒制為工藝品。作品彩繪精細(xì)，色彩燦爛、金碧輝煌，尤以“堆金織玉”技藝聞名，是嶺南地區(qū)釉畫代表。

2 虛擬現(xiàn)實制作流程的現(xiàn)狀分析

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是以計算機(jī)技術(shù)為核心，綜合仿真、多媒體、服務(wù)器等技術(shù)，發(fā)展的真實環(huán)境數(shù)字模擬技術(shù)。用戶借助穿戴設(shè)備，在虛擬仿真數(shù)字環(huán)境下交互，使用戶有親臨其境的感受。

虛擬現(xiàn)實追求效果真實，光照合理，顏色準(zhǔn)確，但因虛擬現(xiàn)實的傳統(tǒng)制作技術(shù)缺陷，作品虛擬效果不佳。直至基于物理渲染制作流程出現(xiàn)，虛擬作品質(zhì)量才有了質(zhì)的飛躍。

2.2 虛擬作品材質(zhì)制作流程

2.2.1 傳統(tǒng)材質(zhì)制作流程

在傳統(tǒng)模型材質(zhì)制作工作中，絕大部分是美術(shù)工作者，肉眼觀察實物表面特征，用Photoshop等工具對材質(zhì)手動加工與繪制。

2.2.2 基于物理渲染制作流程

基于物理渲染（Physically Based Rendering），是能精確計算物理規(guī)律、準(zhǔn)確描述光線和物體對象表面關(guān)系的渲染著色技術(shù)。基于物理渲染流程標(biāo)準(zhǔn)的作品，更貼近真實物體的效果。

2.3 傳統(tǒng)制作流程與基于物理渲染流程的對比

2.3.1 傳統(tǒng)制作流程存在的問題

手工材質(zhì)的制作，開發(fā)效率低下。因Photoshop只是圖片處理軟件，導(dǎo)致制作三維材質(zhì)的質(zhì)量參差，能否達(dá)到效果，只能等材質(zhì)開發(fā)完，用三維引擎搭建復(fù)雜環(huán)境后才能預(yù)覽，導(dǎo)致材質(zhì)開發(fā)質(zhì)量存疑。若制作效果不理想時，還需對材質(zhì)重新繪制，工作量大，開發(fā)效率低。

2.3.2 基于物理渲染流程的特點

材質(zhì)制作標(biāo)準(zhǔn)化，提高了制作效率。基于物理渲染流程，能制出現(xiàn)實存在的不同物體材質(zhì)，例如：金屬、巖石、陶瓷等類型。開發(fā)時，只需要直接調(diào)用即可，提高了開發(fā)者的工作效率。

預(yù)覽前無需再考慮復(fù)雜的光照影響。采用基于物理渲染流程，在模型材質(zhì)制作時，即可預(yù)覽制作效果。實時渲染模型陰影、光照、模型之間的反射等效果。

3 基于物理渲染制作流程在廣彩高保真開發(fā)的應(yīng)用

基于廣彩瓷作品的金碧輝煌和絢麗多彩的特性，在虛擬環(huán)境的廣彩瓷展示中，最重要的是追求寫實與逼真。若讓廣彩作品的虛擬模型制作出理想的效果，務(wù)必借助實物，確定好模型的器型、紋飾、色彩，甚至是廣彩瓷文物的磨損或劃痕等，做好特征的記錄。

3.1 依據(jù)項目需求，構(gòu)建廣彩模型

三維模型是由無數(shù)個面組成，構(gòu)建廣彩瓷作品的模型，有高模、中模、低模三種。高模包含的面較多，低模的面較少，中模是介于低模與高模之間。其中，面數(shù)越少，模型反饋的細(xì)節(jié)就越簡單；相反，模型的面越多，模型表現(xiàn)就越精細(xì)。

3.1.1 廣彩瓷實物掃描

用高精度三維掃描儀，采集廣彩瓷的三維特征，如：廣彩瓷文物表面的凹凸質(zhì)感和光照的紋理與顏色等，為廣彩瓷實物進(jìn)行真實數(shù)據(jù)的收集與存檔。

但由于掃描出的模型，有數(shù)量較多的三維網(wǎng)格面，在算力有限的虛擬顯示設(shè)備中，無法實時精確渲染。因此，只能借助三維建模、雕刻和材質(zhì)制作等步驟，借助真實掃描的數(shù)據(jù)，對廣彩瓷作品重構(gòu)。在虛擬現(xiàn)實的場景中，才能呈現(xiàn)高保真度的廣彩瓷作品效果。

3.1.2 低模制作

依據(jù)廣彩瓷器型，用三維建模軟件，創(chuàng)建廣彩作品的模型。在此階段，只是初步制大型，確定模型的尺寸和各部分比例。標(biāo)準(zhǔn)的碗、盤、瓶等器型，可采用旋轉(zhuǎn)中心曲線方式，快速造型。若器型比較復(fù)雜的廣彩瓷文物，如：有浮雕等特殊造型需借助Zbrush等雕塑軟件，為模型雕塑大型，保持與實物造型一致。

3.1.3 低模UV拆分

在基于物理渲染流程的制作中，務(wù)必要對模型進(jìn)行UV拆分。所謂的UV拆分，是把模型表面，按照規(guī)則進(jìn)行分割后，使模型表面展開。

不管采用什么軟件拆分UV，對廣彩器型進(jìn)行拆分時，都需確保盡量采取直線方式展開UV邊緣。UV展開后的圖形，需排列有序，便于后續(xù)導(dǎo)入模型到材質(zhì)軟件，制作高精度的模型材質(zhì)。既可節(jié)省運行資源，又能提高UV利用率。如圖1：

圖1 廣彩瓷展UV的效果

3.1.4 高模制作

制作復(fù)雜廣彩瓷作品時，如：龍紋紋飾浮雕，或文物的破損等情況，為使模型呈現(xiàn)寫實效果，需用雕刻工具，根據(jù)實物細(xì)節(jié)雕刻處理，制作出高模。借助高模烘焙法線材質(zhì)貼圖來呈現(xiàn)細(xì)節(jié)。高模是在中模卡線的基礎(chǔ)上雕琢，使模型位置、大小等與原型有更高契合度，充分展現(xiàn)原模型的細(xì)節(jié)、質(zhì)感和紋理。

3.2 三維模型的材質(zhì)制作

因廣彩瓷釉色潔白、圖案花紋豐富、色彩絢麗奪目、織錦紋理金碧輝煌。三維紋理掃描，無法達(dá)到完美的效果。只能用多圖案疊加、材質(zhì)制作和紋理渲染的方法，才能夠模擬出“廣州織金彩瓷”的真實質(zhì)感效果。

在非遺文化數(shù)字化保護(hù)中，非遺作品或文物的高保真建模和材質(zhì)制作，都是非遺數(shù)字化保護(hù)的難點問題。

若構(gòu)建高保真的廣彩瓷虛擬作品，高精模型是第一步。當(dāng)建模完成后，需在模型的基礎(chǔ)上，制作與實物一致的材質(zhì)。只有通過模型與材質(zhì)結(jié)合，才能模擬實物在真實生活中的造型、凹凸感、光照和反射等效果，讓虛擬廣彩作品呈現(xiàn)更具真實感的效果。

3.2.1 法線材質(zhì)貼圖的制作

法線是在原物體凹凸表面的每個點。法線貼圖，是用到三維模型表面的特殊紋理，使細(xì)節(jié)程度較低的表面，產(chǎn)生高細(xì)節(jié)度的精確光照和反射效果。

將拆分好UV的模型導(dǎo)入軟件，調(diào)整好參數(shù)后，借助雕刻的高模，烘焙Normal（法線）貼圖。通過法線材質(zhì)，使低模攜帶高模的特性和信息。既保障了低資源設(shè)備運行的流暢度，又保障呈現(xiàn)作品的真實度，法線材質(zhì)非常必要。

3.2.2 其他材質(zhì)貼圖的制作

為使模型細(xì)節(jié)呈現(xiàn)更加精確，如：花紋、劃痕與污漬等效果，可以借助基于物理渲染材質(zhì)軟件來完成。因此，除了靠法線貼圖以外，要把模型的所有細(xì)節(jié)完整呈現(xiàn)出，還需借助顏色貼圖、高光貼圖、粗糙度貼圖、金屬度貼圖等。模型中呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)越多，所需制作的貼圖也就越多。至少高光、顏色、法線貼圖是必須要有的。

3.3 檢測

隨著計算機(jī)運行速度的提升，能在模型制作、材質(zhì)制作渲染中，借助軟件或三維引擎工具，邊實時渲染檢測，邊制作與修改。

模型和貼圖制作完成后，需檢測模型面是否有缺失、數(shù)太多了或太少等情況，這會影響模型的質(zhì)量。同時，還需檢查材質(zhì)貼圖的大小，在有限空間和尺寸的前提下，保障材質(zhì)貼圖的清晰度。最后導(dǎo)出fbx格式模型文件。將模型文件再導(dǎo)入三維引擎，觀察作品效果的真實感、UI交互流暢度。虛擬廣彩作品的絢麗色彩與金碧輝煌的質(zhì)感會倍增。如圖2。

4 結(jié)語

在虛擬作品質(zhì)量要求不斷提高的今天，鑒于傳統(tǒng)制作流程作品表現(xiàn), 毋庸置疑，基于物理渲染流程的作品，在真實感表現(xiàn)上尤為出色。本文的廣彩虛擬作品，是基于物理渲染技術(shù)開發(fā)的，在模型的真實感優(yōu)勢上比較突出。在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)中，對如何使陶瓷藝術(shù)品在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中高保真地開發(fā)也提供另外的借鑒思路。