CN109584348A - 一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，包括以下步骤：(1)使用三维扫描仪获取兵马俑模型素材；(2)对兵马俑模型进行表面纹路信息(UV)的处理；(3)搭建虚拟彩绘场景；(4)设置贴图和光源；(5)设置绘画上色功能和音效效果；(6)设定系统与用户之间的交互功能；(7)设置虚拟现实接口，通过VR头盔实现对秦俑进行虚拟上色的测试和体验。本发明基于虚拟现实技术，提供便于参与、可交互的方式，来展现秦俑的颜色信息及体验上色过程。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法。
背景技术
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面[1]。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。虚拟现实技术因其独特的沉浸式体验和逼真的声画效果，在许多领域有着广泛的应用。并且因为其可以不受时间空间限制的优点，成为许多传统实体行业转型的突破点。
目前我国一大部分博物馆都出现了展出手段单一，展品与参观者互动形式单一，文化衍生物单一的局面并导致博物馆对参观者的吸引力降低。近年来，随着数字博物馆的提出和不断发展，社会对于传统博物馆改造发展的呼声越来越强烈，而虚拟现实技术近年来的广泛应用为文博单位提供了一个极好的摆脱困境的契机。如何充分利用我们现有的资源，通过与软、硬件厂商策略性的合作，革命性的推动我国的文物保护事业，发挥博物馆文化衍生品的价值成为当前我国文博领域普偏关注的焦点。
1974年3月，临潼县骊山镇西杨村农民，在陵东1.5千米的地方打井时，发现几个破碎的用泥土烧制的与真人一样大小的陶俑，经陕西省考古队勘探和试掘，兵马俑重见天日。而由于深埋地下时间久远，再加上挖掘后缺乏有效的保护措施，博物馆展出的兵马俑多为褪色后的。兵马俑是有颜色的，这如今已是一个共识。秦兵马俑至少有朱红、枣红、紫红、粉红、深绿、粉绿、粉紫、粉蓝、中黄、桔黄、黑、白、赭等十几种颜色，而且早在1988年出版的《秦始皇陵兵马俑坑一号坑发掘报告1974-1984》就已经多处提到了兵马俑为彩绘的这一事实。发掘出土的兵马俑颜色残存已经比较少，加上在空气中暴露被氧化的原因，兵马俑出土接触空气后，15秒就会氧化，4分钟内就会发生脱水、卷曲，然后迅速剥落颜色变化或者减淡消失，人们很难在博物馆中看到出土时带有彩绘颜色的兵马俑[2]。另外，人工彩绘复原程序复杂，许多工艺还有待考证，在诸多不确定因素影响之下，人工彩绘复原的进度缓慢，无法满足目前阶段的展览需要。
早在1992年，秦始皇帝陵博物院与德国巴伐利亚州文物保护局开始合作进行秦俑彩绘保护技术研究。1997年，彩绘保护技术在陶俑残片上试验成功。这种技术既能抗皱，避免生漆脱水卷曲，又能加固彩绘避免脱落，简单说来就是先用两种叫聚乙二醇和聚氨酯乳液混合液敷渗，再逐级提高溶液的聚乙二醇浓度敷渗处理方法。抗皱剂和加固剂这种联合保护法简便易行，而且效果非常好。1999年4月，在发掘秦俑二号坑时，出土6尊彩绘跪射武士俑，这 6尊陶俑全身不仅留有大片彩绘，而且色彩非常鲜艳。就是在这一次的发掘过程中，抗皱剂和加固剂这种联合保护法开始大规模使用。2005年，陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地(秦始皇兵马俑博物馆)正式挂牌，基地自主研发了电子束辐照固保护法，有彩绘的文物刚一出土，工作人员便将保护试剂喷涂在暴露在外的色块表面，随后用塑料薄膜包裹。色彩最为丰富的陶俑将被转移到实验室，研究基地的工作人员便可针对保存下来的颜色进行研究分析，不仅是分析如何保护复原，更可以从中探知秦朝时期的彩绘原料与技术。彩绘不仅是复原，更是对文物的保护和传播。
虽然经过长期的科学研究和实验，我们已经掌握了一定的色彩复原技术，但是现阶段的兵马俑彩绘复原还处在实验阶段，许多工序有待考证，目前无法进行大批量的彩绘复原，游客无法在展馆中看到彩绘复原后的兵马俑，也无法近距离观看兵马俑的上色过程，更不能亲身参与其中，为参观留下了遗憾。
目前阶段，博物馆的展览方式还是以静态陈列为主，辅以简单的文字说明以及语音讲解，参观者对于展品的了解和互动大多只停留在了视觉和听觉层面，缺乏更有吸引力的展示和互动方式，很难给参观者留下深刻的参观印象，文物本身的价值因为展示形式的单一而被削弱。另一方面，出于对文物保护的角度考虑，静态展示的文物多在周围设置防护栏或者玻璃保护罩，参观者无法近距离的观看文物展品，感受文物本身的魅力和历史价值，走马观花式的参观游览达不到参观的目的。而虚拟现实技术因为其沉浸式的体验和逼真的声画效果，为创新文物的展示方式提供了新的途径。通过虚拟设备，参观者在实现近距离观看文物的同时也可以在虚拟世界中实现与文物的互动。另外，通过场景的搭建复原，参观者可以在虚拟世界中穿越回秦朝，体验在2000多年前的秦朝，工匠们是如何为秦俑彩绘颜色。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，秦俑的彩绘形式多样，通过对模型的彩绘复原，重现秦俑在制作之初的颜色信息，是除了传统手动复原修复文物方法的另一种文物修复保护的途径。本发明基于虚拟现实技术，提供便于参与、可交互的方式，来展现秦俑的颜色信息及体验上色过程。在博物馆参观过程中，通过虚拟现实系统参观者可以更近距离的观看展品，让更多的人以更为直接的方式参与到文物彩绘的过程，使用者可以根据自己的喜好为文物上色。同时可以通过系统延伸该文物的传播，对传统文化有一定继承和发扬作用。另一方面，虚拟上色也是对存在争议和疑惑的颜色、工艺部分的探索和预处理。文物保护从业人员可以对通过对虚拟模型的操作查看效果，探索秦朝服饰颜色搭配的特点。最后，虚拟上色系统的开发，不仅可以为参观者提供一个博物馆现场与文物互动的机会，对于关注兵马俑，对兵马俑彩绘复原感兴趣的用户，只要下载安装本系统，便可以随时随地的进行体验。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，包括以下步骤：
(1)使用三维扫描仪获取兵马俑模型素材；
(2)对兵马俑模型进行表面纹路信息(UV)的处理；
(3)搭建虚拟彩绘场景；
(4)设置贴图和光源；
(5)设置绘画上色功能和音效效果；
(6)设定系统与用户之间的交互功能；
(7)设置虚拟现实接口，通过VR头盔实现对秦俑进行虚拟上色的测试和体验。
进一步的，步骤(1)中获取兵马俑模型采用三维扫描、Geomagic Studio、Myay和Mudbox 的模式。
进一步的，步骤(3)中搭建场景时，使用Maya进行场景的多边形建模，并结合历史资料图片进行三维模型创建，并在建模过程中设置静态参考物。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明提供的方法不仅仅是为使用者提供近距离接触文物的途径，也是通过虚拟现实技术来实现情景代入感，让使用者在系统中重新回到兵马俑制作时的场景，体验兵马俑的上色过程。在场景的搭建上结合秦朝建筑的特点，同时在场景物体细节的处理上兼顾虚拟现实本身的缺点，减少使用者进入系统后产生的晕眩感。
2.在本发明中，使用三维扫描处理后的兵马俑，使用者能够近距离的观看兵马俑的细节。其面部特征、铠甲样式、手臂肌肉的形态都能够清晰的展现出来，能够使参观者感受到兵马俑制作之精良，细节之丰富。
3.本发明方法可与3D打印相结合。参观者在虚拟现实系统中为兵马俑文物上色，可将上色文物俑3D打印机制作出来，使用者使用涂色原料，将自己在虚拟系统中复原的彩绘兵马俑为实体文物模型涂色，变成一份加入作者情感的参观纪念品。
4.可与增强现实、混合现实相结合，建立虚拟展馆，实现参观者与文物更多的互动方式。
附图说明
图1是兵马俑模型素材获取过程示意图。
图2是程序开发过程示意图。
图3-1和图3-2分别是本发明具体实施过程中涉及的虚拟现实设备、运行电脑配置参数示意图。
图4是结合虚拟现实技术后兵马俑的参观流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
兵马俑的虚拟彩绘的实现，首先需要保证兵马俑模型的真实感，其次场景的搭建需要考虑秦朝的特点，实现场景的代入感。在系统的设计上，需要兼顾历史史实与虚拟现实技术的特点，有历史依据的进行创新，为游客提供更好的参观体验。
该虚拟彩绘系统的实现分为模型素材获取阶段、程序开发阶段
1、模型素材获取阶段
在模型素材获取阶段，采用三维扫描+Geomagic Studio+Myay+Mudbox的模式，具体的实现流程如下图1所示。
对于兵马俑的虚拟彩绘系统，最关键的是获取高质量的模型数据，以保证系统体验的真实感。使用三维扫描获取的兵马俑模型数据，比人工搭建的模型有着精度高、细节丰富的优点，为体验的真实感提供了保证。但是三维扫描的数据也存在一定弊端。三维扫描获取的数据往往数据量较大，模型的面数过多，将会影响系统的运行。在配置较低的主机上运行时会出现卡顿的情况，影响用户体验。所以通过扫描获取的数据并不能直接用于系统开发，需要经过一定的处理和精简后方可使用。
本实施例中兵马俑模型数据采集使用的三维扫描仪器是美能达的VIVID 9i，一次仅需 2.5秒的高速测量可在瞬间获得高精度的三维数据，且精确度高，精度可达±50μm，通过这款扫描仪的其中包括兵马俑的模型信息和贴图信息，而后将庞大的点云数据[3]信息导入Geomagic Studio，该软件将自动将点云数据转换为多边形，转换后在该软件中可以对扫描过程中扫描不到的死角进行补面[4]。模型完整后，在该软件中可以查看模型的数据信息，可以对模型进行减面处理，在不影响模型精度的情况下减少数据量，保证后期程序的流畅运行，提升用户体验。
在获取了模型素材后，需要对模型进行表面UV信息的处理。Unity3D本身不具备处理模型贴图的功能，需提前在三维模型处理软件Maya中设置好UV信息。由于模型数据量大，存在重复面、个别面法线反的问题，需要结合Unfold 3D进行UV处理。当模型具有了UV 信息，便可在Unity 3D中进行涂色功能开发。
2、程序开发阶段
在获取了可以进行程序开发使用的模型素材后，开始进行功能的开发阶段。本系统采用 Unity 3D引擎进行功能开发。具体开发流程如图2所示。
搭建场景时，主要使用Maya进行场景建模。使用多边形建模，结合历史资料图片进行三维模型创建。着重打造兵马俑烧造环境，通过细节的处理，如烧造工具、兵马俑烧造过程中的半成品的放置，烘托烧造坊的氛围。在减少眩晕感方面，多设置静态参考物，其次通过减低距离使用者视线较远的物体的精度，营造近实远虚的效果，达到降低眩晕感的目的。
在Maya中完成基本的建模后，将模型导出为.fbx格式，并将文件命名为“changing”，在 Unity 3D开发中，使用中文名字命名在程序运行中会报错，所以所用到的所有文件需统一使用英文或拼音进行命名。
在Unity 3D中新建场景，命名为“VRHuihua”。将之前导出的“changing”以及前期处理好的模型文件，放入Unity 3D工程文件下的Assets文件夹中的model文件夹下。完成这步操作后，可以直接在Unity 3D中将模型拖入编辑视窗，调整合适的大小和位置后，场景的搭建基本完成。
场景搭建完成后，需要在Unity 3D中设置光源。采用点光源作为主要光源，面积光源和线性光源辅助照明，并将辅助光源的强度调整为0.2。
接下来进行本系统开发最核心的功能，实现上色过程中的实时涂色效果。在Unity中实时绘画的本质是实时绘制纹理，实现此功能需要实现几个核心的功能：笔刷拾取颜色、笔刷大小的控制、模型与笔刷的碰撞检测、实时渲染贴图的制作。
笔刷拾取颜色功能。针对此功能，Unity提供了一个可供开发者直接调用UnityEngine.Texture2D.GetPixel(x,y),利用这个方法可获取一个纹理上某个点的颜色值。具体代码如下：
利用此代码，提前预设好每个备选颜色的信息值，当用户点选了某一个颜色的按钮，则会赋予笔刷相应的色值。
在笔刷的设置上，通过PS(Photoshop,图像处理软件)做一个带透明通道圆作为笔刷，为了更好的绘画体验，可以提前预设3种笔刷大小，用来为不同部位涂色时调用。同时也预设三种毛笔的大小匹配不同的笔刷。
笔刷与模型的碰撞检测。在unity中，有已经编写好的内置的碰撞体组件，可以为需要的模型直接添加。两个物体发生碰撞的条件：主动方(即本系统中的毛笔)必须有Rigidbody (刚体)属性，需要产生碰撞的两个对象(即毛笔和兵马俑模型)需要同时具有Collider属性，被动方(即需要被上色的兵马俑模型)对于RigidBody属性不是必要条件，可根据其他功能来确定是否需要添加[5]。当相关组件添加好之后，模型与毛笔接触时，系统便会检测到碰撞的发生。
设置笔刷大小之后，需要通过设置颜色把这个笔刷的纹理信息渲染到RenderTexture(渲染纹理)上。系统中导入的可以进行涂色的模型，本系统涉及到在指定的部位涂色，所以需要在unity中设置绘制的区域，需要用到Raycast(光线投射)到MeshCollider(网格对撞机) 从而获取到指定的texture Coord(纹理坐标),然后通过代码编写将Material(材质)绘制在 Render Texture上。模型与笔刷通过碰撞检测，识别上色部位，当使用者用毛笔进行上色时， Texture将实时更新色彩信息。
此外涉及到系统的体验效果，需要在系统中设置UI，辅助用户操作。设置UI需要提前在photoshop中制作好图形界面，并对界面进行切图，将有交互操作的部分单独导出.png格式文件，放入场景中制作UI模块。
程序的基本功能开发完成后，需要设置虚拟现实的接口，Unity商店中提供相关插件的下载[6]，导入相关VR接口插件后便可以连接VR头盔进行系统的测试和体验。
本系统的落地实施，对于硬件和场地有一定的要求。需要至少15㎡的场地面积、虚拟现实设备、运行电脑的配置有一定的要求。在具体实施的过程中，上述条件的具体信息如下：
场地：约3×4×3米的空间，且空间内不能堆放其他物品，并且要求地面光滑，保证使用者在进入虚拟系统后的活动空间及安全。因为涉及到安装Lighthouse(信号捕捉设备)基站，用于定位和动作捕捉。因此空间应具有至少3米的高度。
虚拟现实设备：见图3-1，HTC vive相对于其他虚席现实头盔，进入市场较早，体系相对成熟，能为使用者提供完善的安装、使用等售后服务。即使博物馆工作人员没有相关经验，也可以在新手指引下完成设备的安装和调试使用。另外该设备作为市场主流虚拟现实设备，开发者众多，便于博物馆相关技术的拓展。
系统运行电脑见图：虚拟现实技术对电脑主机有一定的要求，配置不够要求的设备往往运行不顺畅，给使用带来负面效果。推荐使用以下及更高参数配置的电脑运行本系统。具体配置要求如图3-2。
虚拟现实与博物馆的结合并不是终点，由此可将更多的新技术引入博物馆，与虚拟现实相结合，营造更好的参观体验，提升博物馆魅力，可供参考的拓展方向见图4。
传统参观模式下，参观者与兵马俑展品缺少互动，难以引起参观者共鸣，不利于文化的传播和发展。借助虚拟现实技术，传统的静态展示结合沉浸式VR互动，动静结合的展示方式能够充分调动参观者的积极性，让参观者参与到文物的展示过程中，同时也可以发挥参观者的主观能动性，让参观者主动的去了解文物的相关历史，同时也给参观者带来更好的参观体验。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
参考文献
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[6]贺苗元.基于Unity3D引擎的虚拟室内漫游的研究设计与应用实现[D].内蒙古大学,2015。
Claims (3)
1.一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用三维扫描仪获取兵马俑模型素材；
(2)对兵马俑模型进行表面纹路信息(UV)的处理；
(3)搭建虚拟彩绘场景；
(4)设置贴图和光源；
(5)设置绘画上色功能和音效效果；
(6)设定系统与用户之间的交互功能；
(7)设置虚拟现实接口，通过VR头盔实现对秦俑进行虚拟上色的测试和体验。
2.根据权利要求1所述一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，其特征在于，步骤(1)中获取兵马俑模型采用三维扫描、Geomagic Studio、Myay和Mudbox的模式。
3.根据权利要求1所述一种基于虚拟现实技术的秦俑虚拟彩绘系统的设计方法，其特征在于，步骤(3)中搭建场景时，使用Maya进行场景的多边形建模，并结合历史资料图片进行三维模型创建，并在建模过程中设置静态参考物。
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Application publication date: 20190405 |
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