基于虚拟现实技术的传统木雕数字化修复方法及应用

传统木雕文化遗产承载着深厚的历史文化底蕴，见证了一座城市几千年风雨飘摇的历史。其风格独特、文化内涵丰富，是传统文化和精湛工艺的承载者，是古人智慧的结晶。然而，传统木雕文化遗产不能永生，不可再生，在历史进程中不断受到自然环境的侵蚀和人类活动的破坏。近年来，人们越来越重视对传统文化遗产的保护。因此，在不破坏木雕本身的情况下保护古建筑文化遗产尤为重要。

简介

传统木雕数字化修复作为现代艺术的呈现方式，是一种集知识、艺术、技术于一体的表现形式。随着信息技术、3D立体图像技术、虚拟交互技术的发展和虚拟现实修复动画数字化手段的数字化改造与创新，构建3D立体效果的虚拟互动木雕修复展示系统，对展示真实空间和保护传统木雕具有重要意义。传统木雕损坏或腐蚀的部分无法向世界展示其原有的文化特色。这是对古代建筑和装饰文化的不完整呈现。因此，辅以数字形式，保存传统木雕的全貌，对于人类了解古建筑和古村落的历史文化、建筑格局、人类生活具有重要意义，这也是一项具有前瞻性的举措。

在应用技术方面，3D立体投影技术和虚拟现实（VR）交互技术已经开发并应用于不同的艺术领域。例如，3D立体投影技术在今天的电影工业中得到应用，虚拟交互技术在网络游戏中得到成功应用。然而，很少有研究将两者结合在一个领域。究其原因是应用载体不合适，人们还没有充分认识到3D立体投影技术与虚拟现实交互技术相结合在同一领域的价值和前景。传统木雕的数字化修复是该技术应用的最佳载体，其为传统木雕修复的艺术表现提供了新的技术和手段。

针对上述技术手段，本文提出了将3D立体技术和虚拟现实技术应用于传统木雕数字修复的实用设计和理论研究中。研究主要包括传统木雕结构再现设计、立体影像制作、虚拟现实交互技术以及3D立体和虚拟现实两者结合应用技术与多通道立体投影系统应用。

相关技术

虚拟现实

虚拟现实（VR）是近年来兴起的一种高科技数字技术工具，也称为极光技术或人工环境。其是涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域的综合性技术。其利用计算机软件生成逼真的三维图像，具有听觉、触觉和嗅觉等感官体验功能，使体验者能够自然地体验构建的虚拟世界并与之互动。例如，当体验者移动位置或改变手势时，计算机会立即执行计算，从而使3D世界图像移动或改变，让体验者产生空间存在感。虚拟现实是人们通过可视化来操纵计算机数据并与之交互的一种新方式。“虚拟现实”是一种计算机生成的媒体。“现实”一词是指在物理或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境。

传统木雕修复动画

传统木雕修复动画是利用计算机三维技术制作有关传统木雕外观的动画作品，是现代古建数字化修复的重要手段。如图1所显示的是圆明园旧址的3D修复。

图1 数字技术修复圆明园示例图（图片来源：网络）

传统木雕模型设计与制作技术

模型建筑是完成传统木雕数字化修复的基础，传统木雕模型设计应遵循以下基本原则：

1.模型结构准确，符合传统木雕的文化特色。模型必须严格按照文档和原始图像提供的参考资料进行构建。场景模型必须符合历史，家具必须符合空间设计的实际规模和位置。对于传统木雕来说，模型的搭建比较复杂。如何还原真实的场景是建模的关键。

2.材料映射细致，符合年代感。传统木雕修复动画是传播古代文化信息的载体，满足了人们想要了解、认识、学习和研究原始古迹的需求。展示传统木雕的真实形象很重要。映射的材料要求是对原始建筑材料的详细分析和对原始建筑的详细映射。

交互式3D效果技术系统设计

传统木雕数字化保护的应用技术手段是数字化生产和展示。数字保护和修复的最大目的是记录和传承历史。现在许多国家和地区都在建立数字博物馆和画廊，供人们参观和学习。随着现代科技的进步和人们需求的转变，原有的传统木雕动画表演形式已经不能满足人们对消失的传统木雕进行更深入、更透彻、更直观的认识。将3D技术和虚拟交互技术应用到还原动画中，虽然无法实现真实的触觉，但可以在动画中以第一人称观看传统木雕，随心所欲地设计漫游路线，同时也感受传统木雕的真实空间感。

图2 敦煌莫高窟3D修复视频截图——红蓝与偏光技术（图片来源：网络）

系统比较

传统木雕虚拟现实交互展示设计是基于传统木雕的原始修复动画，以实现3D立体效果和互动体验效果，同时可以解决目前传统木雕修复的难题，如重建所需的土地问题、修复原貌的技术问题、修复周期长的问题。（如下表所示）

表 传统木雕立体效果虚拟现实交互展示系统对比

系统研究设计思维过程

传统木雕立体效果虚拟现实交互展示系统的开发需要经过市场调研与需求分析、系统设计、技术开发与应用、运行与测试、效果评估五个阶段。该系统旨在实现以下功能：1.建筑模型设计与实现的3D可视化（模型设计、材质UV贴图设计、灯光设计）；2.立体成像技术的应用；3.虚拟交互技术设计；4.立体显示技术。

技术程序设计

该系统分为两类。一是PC上传统木雕3D效果的虚拟交互展示设计；二是多通道立体投影下传统木雕3D效果的虚拟交互展示设计。步骤相同，不同的是第二种在第一种的基础上增加了投影设备和摄像设备。控制设置与PC相同，只是鼠标方向控制转换为角色行走动作的捕捉。

3D虚拟现实技术在传统木雕数字化修复中的发展与实现

3D可视化传统木雕模型的实现

我们用三个部分来详细描述传统木雕3D效果的交互设计和开发过程。具体内容包括程序结构设计、资源文件设计、程序难点的具体实现。传统木雕数字化修复最重要的部分是传统木雕展示的数字化，而实现传统木雕数字化的前提步骤是模型。另外，了解传统木雕的结构也极为重要，其修复传统木雕动画就是不加修饰地还原传统木雕的原貌。

传统木雕模型的创建一般从几何开始，创建可编辑的盒子几何，根据模型的大致形状在布局中添加线条，调整分区，从整体到局部，循序渐进。渐进式，如果几何图形数量不足，则添加新几何图形以创建新对象。但是，将多边形行数和面数保持在最低限度的原因是为了节省资源。随之而来的问题是模型过于简单，不够详细。如果你正在制作一个生物模型，最好确保所有表面都是四边形，以免在物体运动时撕裂贴图。为了让体验者对模型感到满意，模型建立要专注于局部要点而不是整体，并在3D相机和控制范围之外简化模型。还要适当考虑模型的尺寸、材料的种类和制作成本，以确保艺术与现实相结合。

对于建筑模型，布置照明以创建逼真的自然环境光效果很重要。要在软件中创建理想的照明效果，就必须了解自然界中的光。在自然环境中，只有一种光源，那就是太阳，而太阳的光线来自多个方向，原因是来自太阳的直射光会被某些物体折射或反射，这构成了直接光和间接光。

要想创建立体图像，了解立体成像的原理很重要。由于人眼的瞳孔距离约为65mm，当人们用双眼看物体时，左右眼分别看到物体的左右两侧。双眼可以看到场景左右两侧物体的细节。这意味着在人的视网膜上形成了两个相似的具有水平视差的二维图像，而物体在左右视网膜上的成像略有不同。这意味着通过双目视差再现两个二维图像以形成三维图像。我们看立体电影就是模拟人眼3D成像的原理，先将左右眼的单眼影像记录下来，通过投影仪和相应的立体投影设备，让观众左右眼分别看到对应的单眼影像，再通过大脑再现成三维影像。从技术上讲，这意味着左右双像分别投射和反映在观众的左右眼中。为了实现双目图像，我们必须创建一个双目虚拟相机来捕捉它。双目相机拍摄的左右眼图像，通过大脑复制成一个三维图像。

虚拟交互技术实现

在模型完成的最后阶段，对物体进行碰撞控制，因为模型相机可以穿过物体，而在现实生活中，我们人类无法穿过物体，所以我们必须对摄影进行碰撞控制。这意味着摄像机模拟人眼，摄像机的移动模拟人物行走，遇到墙壁和障碍物时无法穿过物体，因此更加逼真。

“立体视觉”是大脑对立体图像的“深度”感知的满意度。从传统平板显示器的“单目线索”中获取“深度感知”并不容易，难点在于人们对二维图像的习惯。单目线索包括明暗、相对大小、空间透视（或大气透视）、运动视差（通过附近物体穿过视野进入视野）和深度感知（创建的视觉线索）。通过将附近的模型物体移动到比远处更远的物体的行为，产生运动学视差（通过将附近物体移动到比远处物体更远的距离的行为产生的视觉提示），最后，单目线索中的“遮挡提示”（物体在上方和下方或前后被遮挡）和观点也影响着木雕数字化修复的立体视觉效果。

图3 江西流坑古村木雕虚拟修复图（作者自制）

虚拟现实技术实际上为观看者的眼睛提供了两个独立的图像，以创建深度感知效果。当查看由一对相同图像呈现的特定对象时。根据两幅图像的水平距离差（瞳孔取决于两幅图像的水平距离差），观看者的眼睛会移动并“会聚”在屏幕前面、上面或后面，但人的大脑总是聚焦在屏幕上，从而产生一种不真实感，而这种不真实感使我们对立体场景的感知与现实世界不同。在现实世界中，我们视觉的焦点和收敛是一致的。当观看立体图像时，这种已知的反应被打破，这就是导致立体视觉不适的原因。虽然大多数人对焦点和会聚的突然差异感到满意，但有些人看到立体图像更敏感，会感到不适、头晕、图像混乱。

研究虚拟现实交互技术在传统木雕数字修复中的应用具有很大的应用价值和现实意义。该方法为传统木雕修复提供了全新的数字展示理念，为体验提供了全新的虚拟临场感。该研究在传统木雕数字化修复领域具有开创性和高度的整合性，拓宽了虚拟现实技术的应用领域，通过实际开发和研究，为传统木雕数字化修复提供了一种非常实用、有效的手段。

参考文献

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[3]苏磊.徽州龙川胡氏宗祠木雕的数字化保护与传承[D].重庆:重庆师范大学,2012.