基于VR技术的陶瓷烧窑工艺虚拟体验应用研究

基于VR技术的陶瓷烧窑工艺虚拟体验应用研究
作者：邓卉
来源：《教师·中》2019年第11期
摘要：文章作者以实地观察法了解长沙铜官窑谭家坡龙窑遗迹的现状，发现在其陶瓷烧窑工艺的展示方式上，存在一系列需要改良的问题，并以实验研究法在动态环境建模技术和
VR技术展示两个方面将陶瓷烧窑工艺制作升华到所见即所得的层次，使参观者进入虚拟的烧窑空间，体验在不同温度下泥与火的碰撞。

关键词：VR技术;陶瓷;烧窑工艺
中图分类号：TB391.9 文献标识码：A 收稿日期：2019-06-26 文章编号：1674-120X （2019）32-0123-02
一、VR技术的特征
迈克尔·海姆从《韦氏词典》中对Virtual和Reality的解释出发，认为虚拟现实是实际上而不是事实上为真实的事件。

在他提出的狭义的虚拟现实中，描述了虚拟现实作为一种主体认识的新技术所表现出三“I”的特征。

①沉浸性（Immersion）：沉浸感是虚拟现实系统最基本的特征，指用户感到作为主角沉浸到虚拟的空间之中，脱离现有的真实环境，获得与真实世界相同或相似的感知，并产生身临其境的感受。

②交互性（Interaction）：交互性是通过软硬件设备进行人机交互，包括用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度。

③构想性（Imagination）：构想性是指用户在虚拟世界中根据所获得的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化对系统运动的未来进展进行联想，以获得更多的知识，认识复杂系统深层次的运动机理和规律性。

[1]
二、展示现状
长沙窑陶瓷文化作为湖湘传统文化不可分割的重要组成部分，被认为是继岳麓书院之后湖湘文化的第二大宝藏。

长沙铜官窑谭家坡龙窑遗迹馆已成为展示长沙窑千年陶瓷文化的标志性形象窗口，其中遗址的展示方式主要有三种：栈道式直接参观挖泥洞和瓷器碎片堆积层、现场展示遗址和文物室内陈列展示。

陶瓷工艺生产是一个非常复杂且细致的过程，就其重要性来说，可以分为“一烧、二土、三制作”，从某种意义上来说烧窑就是关键之关键。

展览馆传统展示方法往往受制于空间、时间，要么无法呈现烧窑的工艺流程，要么呈现的效果不佳，使得烧窑工艺强烈的视觉震撼效果难以全方位地传达给参观者。

这直接限制了长沙窑促进湖湘陶瓷文化传播与交流的目标的实现。

如果在“新长沙窑陶瓷体验馆”项目中使用VR技术，参观者不受时间与空间的限制，无须借助任何实体的陶泥，就可以在虚拟的窑炉空间中漫游，感受泥与火的激烈碰撞。

三、动态环境建模技术
本项目的开发主要使用3ds Max2018的动态环境建模技术搭建长沙铜官窑窑洞场景;游戏开发引擎Unity 3D整合多方面的特性展示VR交互。

“窑洞”的动态环境建模大致分为3个步骤，分别为清晰化思路并确定建模方法、建立基础模型、完成模型。

（1）清晰化思路并确定建模方法。

在制作模型之前，多方位实地拍摄铜官窑窑址中的古代窑洞模型，绘制出窑洞模型草图。

在创建模型时设置系统单位，以确保比例的准确。

运用几何体建模创建窑洞的石墙、石头等物体;运用样条线建模创建麻绳等物体;运用NURBS建模创建瓷瓶等物体。

（2）建立基础模型。

第一，运用几何体建模创建“石墙” 和“石头”模型以搭建整体烧窑场景。

首先打开3ds Max，创建几何球体和立方体，绘制一个几何球体和一个立方体。

利用降噪修改器进一步给石头和石墙制造不规则的形状，将给强度的X、Y、Z轴以一定的参数。

利用松弛修改器，使石头和石墙表面看上去不那么尖锐，显得更光滑。

然后按Shift的同时拖动复制多个石头，在弹出的克隆选项对话框中输入数量。

第二，运用样条线建模创建“麻绳”模型。

这里主要应用“放样”将两个二维图形转变为三维模型的效果。

在前视图中绘制一条线，命名“masheng”。

然后，继续在顶视图和左视图中调整顶点的位置，使“masheng”线在三维空间内产生不规则扭曲，在创建面板中执行创建几何体中的放样，接着单击获取图形按钮，在视图中单击拾取图形“mashengjiemian”，得到麻绳的形状。

最后，使用插入角点和移动控制点工具调节曲线，使麻绳的整体效果更加自然。

第三，运用NURBS建模创建瓷瓶、水缸等模型。

首先，在创建面板中单击圆形按钮，设置图形类型為样条线，在顶视图中绘制5个半径不一样的圆。

在NURBS工具箱中拾取曲线完毕后单击右键完成操作。

在NURBS工具箱中单击创建封口曲面按钮，然后在视图中单击底部的截面，最终完成瓷瓶、水缸等模型。

（3）完成模型。

本项目中的模型制作，全部是用3ds Max2018建立的模型，对于程序控制管理来说，一个归类清晰、面数节省、制作规范的模型文件是非常重要的。

第一，模型UVW调整。

首先将3ds Max2018创建的石墙场景模型进行UVW展开，将贴图通道置为2，通道切换时选择移动，否则纹理映射会改变。

第二，烘焙。

在渲染菜单下选择渲染到纹理。

设置中，选择贴图坐标为通道2;输出添加LightingMap。

选择将文件名和类型保存到一个文件夹，将烘焙后的纹理拖到Unity 3D中。

第三，烘焙后处理。

因为max导出不支持2种材质，所以需要选择其一，否则石墙的两种材质都丢失。

所以，我们发现烘焙之后石墙等场景模型没有纹理了。

第四，导出时直接选择对应unity的文件地址，将3ds Max2018建立的场景模型全部自动导入Unity 3D中。

四、VR技术展示
本项目的VR开发引擎主要使用的是游戏开发引擎Unity 3D。

（1）快速实现Low Poly地形。

第一，World Machine流程。

在World Machine中，生成所需要的地形高度图，地形梯度变化尽量明显一些。

第二，Blender流程。

在Blender文件—用户设置—插件界面，启用Imports Images as Planes插件。

Blender—导入—Imports Images as
Planes，将高度图作为图片导入，并在物体标签将旋转轴X置为0。

选中物体，Tab键切换到编辑模式，按W键选择细分，将切割次数设为100。

在修改器标签下，继续添加精简修改器，选择反细分页签，调整迭代次数并应用。

将模型导出为FBX格式，导入引擎中，完成。

（2）光影烘焙。

第一，把在3ds Max里做好的窑洞场景文件（FBX格式）直接拖入unity，选中所有材质球，将材质球类型更改为Mobile—Diffuse。

然后，为窑洞场景布光，布置一组平行光。

灯光布置完后，将灯光效果烘焙到贴图上。

第二，光影烘焙时，首先对窑洞场景的渲染进行设置。

在Amblent Lignt设置环境光、雾气的范围以及光晕的强度与范围。

第三，设置完成开始烘焙。

为节省资源，选择生成贴图的张数为single。

贴图品质选择high。

再选择灯光的反弹次数，反弹强度和最终收集光线。

灯光贴图的分辨率选择高清晰。

将窑洞场景的静态模式改为Batching Static。

最后，点击Bake Scene。

（3）粒子特效。

对于移动平台来讲，一般不建议大量使用粒子特效。

因为对CPU和GPU来说，粒子系统是一个性能消耗的大户。

但是现在粒子特效在游戏中的需求越来越高，因此做了一些Unity粒子优化方面的尝试。

拿来做优化实例的粒子特效，包含5个粒子发射器。

其中一个Billboard粒子和一个mesh粒子共用了一个材质。

对于这个粒子特效来说，5个DrawCall，一个都没有Batching掉。

然后我们将这个粒子复制10个，发现成功Batching的只有billboard粒子，Mesh粒子没有动态Batching。

五、其余的技术尝试
首先是合图，这也是Unity的文档中动态合批时给出的建议，在多个不同的粒子中使用一个材质球。

但是根据笔者的尝试，在Mesh粒子中并不适用。

Mesh粒子虽然有UV，可以进行合图。

但是如上述所说，并不会动态合批，最终的结果只是减少了一个材质球而已。

Billboard 粒子通过Texture Sheet Animation中的设置可以实现有限制的UV分割，不过用于UV分割是均分，合并后的纹理不能公用空白区域，会有些浪费空间。

尝试使用Shader+脚本的方式来代替粒子效果。

对于一些简单的粒子效果，理论上完全可以使用Shader加脚本的方式来简单模拟。

因此，笔者尝试写了个Shader，通过顶点着色器来实现旋转、放缩、Billboard效果。

用Shader的方式代替之前特效中的几个粒子发射器，然后复制多份，打包到安卓平台监视性能。

根据新的尝试，使用Shader通过顶点着色器实现旋转、缩放、Bllboard，在片段中实现闪烁和序列帧播放效果，从功能上来说，这样没有问题。

六、结语
VR技术融入传统行业，必然会给各个行业带来新的冲击。

传统的陶瓷烧窑工艺的展现形式虽有其特点，但一定不要故步自封，传统产业要用于融入信息化时代浪潮，以寻求突破。

本课题通过对铜官窑窑址中的古代窑洞模型的虚拟，实现了使VR技术融入烧窑工艺的虚拟体验。

在项目成果中，捕捉全方位视角，观看者可以拥有视角调整和选择信息的主动权，给人身临其境之感。

参考文献：
[1]韦艳娇.沉浸式虚拟现实课堂设计方案研究[D].上海：上海師范大学，2017.
[2]李明珠.2016VR元年：虚拟现实在艺术教育中的应用展望[J].艺术教育，2016（10）：36-39.。