基于X3D的坐標點實時處理技術在銅鼓修復中的研究

項敏敏

（銅陵學院電氣工程學院 安徽銅陵 244061）

銅鼓是少數民族世代相傳的獨特器物，它綿延數千年，流傳甚廣，銅鼓在先民心中不僅是一種器樂，也包含著權力的榮耀，財富的象征，并演變成少數民族虔誠祀禮的神器[1]。銅鼓最重要的文化意義就在于它的渾厚的音色以及瑰麗的紋飾，但是由于某些自然因素和人為因素，使得很多古文物銅鼓都破碎殘損，鼓面受損，使它也失去原本音色，由于銅鼓鼓面特殊性，使得傳統手工制作修復手段很難達到理想的狀態，不盡人意，鼓面修復進而恢復其原貌對文物工作者來說是個巨大的挑戰。隨著科學技術的發展，虛擬現實技術應用而生，廣泛應用于各大領域，如高端裝備領域包括機械工業、航空航天、汽車仿真等，能源領域包括核電仿真、電力仿真、煤炭礦井等，在其他領域包括高等教育、應急演練、建筑藝術、科普文博等，利用虛擬現實技術結合網絡技術對古文物文化遺產進行虛擬復原并進行網絡展示已經成為熱門。針對這種熱門趨勢，本文利用虛擬現實技術恢復銅鼓的外形，重點闡述了如何利用X3D坐標點實時處理技術對銅鼓鼓面不同位置的聲音進行匹配，實現在虛擬的計算機世界里，完美重現古文物銅鼓。

一、三維建模

X3D中的造型具有幾何尺寸和外觀，兩者由一個Shape節點定義。這些特征定義了創建和放置在虛擬空問中的造型。一個造型的確切幾何尺寸和外觀由給定節點和節點域的選擇值控制。造型的外觀由Appearance和Material節點來描述，X3D 提供 4 種原始幾何造型：Sphere、Box、cylinder和Cone，任何復雜的物體都可以由這4種原始幾何造型構成[2]。利用 X3D節點直接編寫3D模型對于一部分不規則的模型可以采用擠壓節點Extrusion來實現。如果模型較復雜，僅僅根據根據 X3D語法構造準確的三維模型是很困難的，需要采用外部建模軟件來建模，本文的銅鼓模型是不規則物體，無法使用X3D直接生成，所以需要利用第三方的造型軟件來建模，然后通過相應的接口導出X3D文件，最后編輯X3D源程序的相關部分來實現[3]。

本文模型的具體做法首先利用AutoCAD的線條勾勒出銅鼓的構造線條，之后將該樣條線導入到3DS MAX中進行細致處理，在此過程中需要對每一個轉角點進行圓滑處理，以提高模型的精細度，之后使用車削功能模擬出銅鼓的基本模型，再使用渲染功能中的位圖功能對該模型的側面以及正面進行貼圖渲染，但由于銅鼓內部是鏤空的，所以必須使用.JPG格式的圖片進行貼圖渲染，否則導出X3D文件之后模型會出現銅鼓內部無法渲染的問題。如下圖1所示。

圖1 三維建模

利用3DSMAX構建出銅鼓模型后，由于3DSMAX無法直接導出X3D模型，所以只能夠先導出VRML文件，之后再利用X3D-Edit等軟件轉換為X3D文件。但是X3D虛擬場景一般是用于網頁瀏覽在開發過程中需要考慮渲染速度以及傳輸速度，不能一味追求3D模型的逼真度，所以在不影響模型逼真度的前提下，需要對模型進行優化盡量減少模型線條數以及面數[4]。

二、實時取點

虛擬場景內坐標是定義物體位置的關鍵屬性，在X3D內模型的坐標是由translation子節點定義的，屬于SFVec3f類型，該子節點的定義局部坐標系統原點的位置，以米制計算的x、y、z值[5]。但通過該子節點只能夠取得模型中心點的坐標，無法取得模型表面每個點的坐標。在X3D場景內提供了TouchSensor節點，用于跟蹤指點設備的位置和狀態，檢測用戶點擊幾何對象的時間。該節點內部提供hitPoint_changed事件，用于輸出在子節點局部坐標系統點擊點的定位，輸出類型為SFVec3f以米制計算的x、y、z值，流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

在銅鼓模擬中，由于銅鼓鼓面與地面垂直，與鼓槌坐標系不同如果直接進行賦值的話會導致鼓槌位置偏移與坐標紊亂,所以需要使用ROUTE節點把hitpoint_changed事件輸出的坐標值賦值給JavaScript節點內的事件進行相應的處理，之后把處理過的坐標系賦值給鼓槌以達到鼓槌敲擊鼓面的效果。關鍵代碼如下所示。

如上述代碼所示，當鼠標點擊鼓面時hitPoint_changed事件輸出了一組坐標系，并通過ROUTE節點把該坐標系傳值給JavaScript腳本內的chuizijin事件，該事件所接受到的坐標系是以“value”命名的SFVec3f類型的坐標系，value[0]表示X坐標值、value[1]表示Y坐標值、value[2]表示Z坐標值，鼓面坐標系與鼓槌坐標系不同，兩個模型并不在同一個坐標系內,在賦值時需要把value坐標系內的X軸的坐標值賦值給鼓槌的Y軸坐標，而把value坐標系內的Y軸的坐標值賦值給鼓槌的Y軸坐標,并且由于整個銅鼓使用的是獨立坐標系，比世界坐標系小，所以在賦值過程中需要把坐標值進行相應的放大計算。如圖2所示。

圖2 坐標系賦值

在X3D場景內使用hitPoint_changed事件輸出鼠標點擊點的坐標系，不僅可以給場景內的模型賦值，還可以直接輸出為模型位移的參照點或輸出為文本作為場景搭建時的坐標參照系，但是在使用過程中要注意場景內部坐標系的變化以及坐標單位的變化。

三、結語

本文利用虛擬現實技術實現銅鼓外貌修復及音色匹配，在很大程度上縮短銅鼓修復的周期，也避免了對銅鼓造成二次損壞，盡可能向人們展示銅鼓的原本外貌。本文針對銅鼓鼓面紋飾及音色匹配問題，研究了一種基于X3D的坐標點實時處理技術，對虛擬銅鼓鼓面的不同位置進行聲音匹配，最終實現了銅鼓的外形復原也實現了銅鼓的聲音復原。虛擬現實技術是一門新興的科學技術，其應用潛力和前景廣闊，這項技術在文物保護中的應用還不夠完善，在很多地方還存在著進步的地方。

參考文獻：

[1]梁燕理.壯泰銅鼓文化比較研究[J].傳承，2016(5).

[2]劉立平,王育堅.基于X3D的虛擬校園交互技術研究與實現[J].北京聯合大學學報(自然科學版)，2011(4).

[3]常立言.淺析虛擬現實發展現況及所面臨的技術難題[J].內江科技，2017(6).

[4]黃坤.虛擬現實技術在工業設計中的應用[J].赤峰學院學報(自然科學版)，2017(11).

[5]付力婭.基于虛擬現實技術運用的數字媒體交互方式嬗變研究[J].新媒體研究，2016(13).