基于傳統文化元素DIY的虛擬交互技術實現

董亞莉 皮邦瀚 趙海英 謝燕

摘 要：本文以文化元素為對象，討論并研究了一種新的適用于傳統文化展呈的虛擬交互技術，探討利用該虛擬現實交互技術將提取出的文化元素進行展呈和再創作的過程。對這一過程的分析，不僅有利于幫助人們加深對文化內涵的理解，而且對文物中優秀傳統文化的傳承也起到了至關重要的作用。

關鍵詞：傳統文化;文化元素;虛擬交互

0 引言

文物是人類在社會活動中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，它是人類寶貴的歷史文化遺產。博物館是一個國家或地區文化傳承與發展的有力見證機構，其主要作用在于館藏文物的保護、研究和展呈。現今的博物館文物研究已經趨于全球化，不少國內外的專家學者都對館藏文物的文化內涵做過深刻的研究解讀。但深入理解文化內涵僅靠觀賞館藏文物和專家的文章解讀是遠遠不夠的。在文化大眾化傳播的今天，依靠新興數字技術進行文化傳播是大勢所趨，而虛擬現實技術在這其中具有無可比擬的優勢，它的沉浸感式體驗使其在眾多數字媒體技術中脫穎而出。其實，傳統文化與虛擬現實技術結合的例子數不勝數，虛擬博物館、虛擬文化展廳、虛擬歌劇院等都是很好的體現，但將傳統文化中的基礎元素與虛擬現實技術結合的案例并不多，即使結合之后交互性也較差，若由此呈現的藝術效果不能滿足用戶需求，反而對傳統文化產生負面的影響。

本文的研究意義在于將博物館文物中的文化元素與虛擬現實技術進行結合，提出一種新的虛擬交互方式并對其技術細節作討論和研究，使與博物館文物中的文化元素有效結合，讓用戶的沉浸感和交互性體驗更強烈，能更加深刻地感知文物的藝術性與文化內涵。

1 文物中的傳統文化元素與DIY

我國的傳統文化種類繁多、底蘊深厚，如何將博物館館藏文物或數字化移動文物中更為復雜的傳統文化元素合理運用于交互設計，以更好地呈現并表達其文化內涵，值得仔細推敲與斟酌。

筆者認為，虛擬交互技術是一個非常新穎且實現效果較好的手段。因此，本文將探討如何通過虛擬交互技術與文物中的靜態文化元素的結合——例如如何將館藏文物中的圖案元素和數字化移動文物中的圖案元素分解——來進行理解性的交互和藝術性的再創作。為了更好地理解虛擬交互技術如何影響文化元素的呈現，本文將舉例對一些博物館文物中的文化元素及其內涵進行闡述。

文物中包含大量的圖案元素。我國的敦煌研究院從20世紀90年代起就與國內外科研機構合作，開始了“數字敦煌”的探索和研究，目前在文物圖像采集與保存、文物歷史復原、洞窟虛擬模擬、壁畫圖案創作等方面已經取得并掌握了一套成熟的技術和經驗。而著名的舞劇《絲路花雨》也正是利用了敦煌壁畫，將這些文化元素從壁畫形式搬演進舞臺，由靜態轉為動態，將這些文化元素賦予了新的生命力。[1]

其次，作為部分文物的民族服飾也是一種傳統文化元素，在一般的民族博物館中，大量的文物都是以民族服飾和器具的形式存在。不同的民族服飾在色彩、紋樣和構成上都不盡相同，其中蘊含的文化特色和寓意也不一樣。將不同的民族服飾上的這些元素進行一定的解讀并表達出來，有利于人們對民族文化的理解和再創作。

剪紙也是一種很常見的傳統文化元素，在剪紙博物館中，大多數剪紙都有數字化的備份，這也使得我們在線上博物館甚至移動博物館中可以欣賞這些剪紙。剪紙的主題大多和中國的傳統節日春節有關，對于春節，中國人腦海里會出現一些抽象的概念，比如紅色，這種傳統的春節符號是我國勞動人民千百年來生活與勞動過程的積淀。[2]而剪紙正是利用紅色的紙張加上人類的智慧和創造力將人們對春節的美好期望表達出來。

從以上例子可以看出，文物中的傳統文化元素種類繁多，內涵豐富，而且很多都體現著歷史發展過程中人們民對傳統文化的運用和創新，這種創作過程正與DIY（Do It Yourself）制作相似。簡單來說，DIY即是在沒有專業資質限制的情況下，個人通過親身實踐對原材料進行創作，從而打造出一份私人“作品”的過程。

2 如何通過虛擬交互技術進行傳統文化元素的DIY

虛擬現實交互技術可以說是第四次工業革命時代下的產物，[3]未來的現實交互技術將對包括人類交流方式在內的物質文化生活產生極大的促進作用。虛擬現實交互技術是基于網絡時代高度興起的技術，它讓人沉浸在一個虛擬的場景，并對四周虛擬環境作出相應感知和反應。虛擬現實技術一方面需要感知和跟蹤用戶的肌肉運動、姿勢、語言等多個感官通道的輸入信息;另一方面對人類的視、聽、觸、嗅等多個感官通道如何感知真實世界進行模擬;還可以由用戶的視點方位作為不同的輸入角度，快速為用戶提供人體各部位感官所能感受到的信息。人機交互是虛擬現實的核心技術之一，[4]對虛擬現實技術的推廣和提高用戶的交互體驗具有重要意義。由于傳感器和其他硬件技術的發展，當下虛擬現實人機交互有了長足的進步。利用虛擬交互這種沉浸感強、交互性高的技術來進行絲路文化元素的展示與傳播，既是文化元素新的數字化信息形式的呈現，也是國家非物質文化遺產傳承與保護的新興手段。

近年來，生產VR硬件設備的廠商逐漸增多，市面上的VR硬件設備也種類繁多，HTC Vive是好評較多且用戶使用率較高的一套硬件設備。由此本文將介紹以HTC Vive為測試開發硬件的傳統文化元素虛擬交互技術。

2.1 基于定位技術的文化元素感知

HTC Vive這套VR硬件設備配備有一套稱為Lighthouse的室內定位系統，它是由兩個基站構成，依靠這兩個基站里的紅外激光掃描頭配套的戴顯示器以及手柄上的接收點，即光敏傳感器，來實現室內用戶的定位。這種良好的定位技術對于虛擬交互的重要性是可想而知的。依賴于這項技術，任何用戶都可以在有限的室內空間隨意移動，同時在虛擬空間中也會進行相應的位移，這種定位感知使得用戶的沉浸感和體驗感大大增強。

以敦煌壁畫為例，在文化元素的虛擬交互中，我們可以用這些敦煌壁畫元素構建一個藝術設計性較強的壁畫場景，在場景中有不同地域和風格的壁畫，分布在不同的場景區域。當用戶戴上頭顯設備體驗該場景時，利用定位技術，其可以在條件允許的情況下在真實場景中四處走動，虛擬場景中人物替身也會相應地移動，而此時用戶看到的是虛擬的壁畫場景，這就使得用戶在虛擬場景中產生真實的距離感。當用戶要觀賞壁畫中的飛天元素時，他可以走近仔細查看并進行下一步的交互，當用戶要觀賞其他地域和風格的壁畫時，他可以直接移動到下一個位置。所以基于定位技術的開發很好地解決了用戶距離感知不足的問題，讓用戶能更自然地貼近壁畫中的文化元素，品味其內涵。

2.2 基于手持移動設備的文化元素交互提取

在虛擬現實領域，有一個共同的理念是將傳統的桌面交互轉向用戶與環境的交互，其探討的主題是基于可移動的手持設備的三維交互設計。在HTC Vive中，提供兩個可手持移動的手柄，該手柄是可以實現3自由度的便捷移動交互設備，配合定位系統可以讓用戶實現6自由度的操作。HTC手柄一共包含8個控制按鈕和環狀的光敏傳感器，有菜單按鈕、系統按鈕、扳機鍵和側面的手柄按鈕，其中心有一個圓形的觸摸板（touchpad），可以實現多個方向的觸摸和按鍵操作。touchpad鍵是一個以中心為（0，0）點的直角坐標系，四個端長度都是1個單位，可接收觸摸和按壓兩種事件，通過SDK中的GetTouchDown以及GetPressDown兩個接口調用，觸摸或按壓會通過Unity3D中的GetAxis方法返回一個坐標系中的點，由此可以判斷觸碰點的位置，觸發不同的事件，并根據角度或各種方法將按鍵切分為n個按鈕。

在面向傳統文化元素的虛擬交互技術中，文化元素的交互提取都依賴于手柄的操作。由于用戶處于文化元素豐富的虛擬場景之中，在觀賞元素的時候也要對其進行操作，比如摘取元素進行多角度觀賞，這時候就要用到手柄的扳機鍵。例如當用戶處于按照某個文化主題構建的虛擬場景中時，若用戶在虛擬場景中觀看舞劇的同時，對演員身上的服裝產生了濃厚的興趣，用戶可以利用手柄走近角色，并用手柄觸碰正在表演的角色，此時該角色所穿著的服裝會以面板的形式展現出來，明確地告訴用戶該民族服飾的時代、類屬和所包含的特點。

用戶在進行主要交互功能感受傳統文化元素的同時，可以不拘泥于原文化主題的風格，根據自己的想法對傳統文化元素進行藝術性再創作，用戶可以對其中的壁畫、民族服飾、剪紙和地毯進行一定的顏色填充。這時候會有幾種給定的配色方案，每種配色方案包含4～5種搭配起來比較和諧的顏色。在配色方案功能的設計中，手柄的touchpad的圓形設計和鍵位安排無疑是實現該功能的最好方法。通過移動手柄的交互，壁畫、民族服飾、剪紙、地毯等元素的文化內涵及藝術價值可以很方便地呈現出來，甚至還能通過自己對該文化的理解，以一種創造性的交互方式改變這些文化元素的呈現方式。

2.3 基于射線的文化元素交互與體驗

在虛擬交互技術的研發中，對于距離用戶較遠的虛擬物體，不方便使用觸碰和摘取操作，這時候最常用的交互技術是射線交互，用戶在虛擬場景中可以使用手柄，并從手柄的頂端向手柄的朝向發射一條射線，該射線類似激光指針，通過這束激光與物體的交點來實現與遠程物體的交互。在常見的游戲引擎中一般都有射線的方法，但在虛擬交互技術中是通過應用VRTK的Simple Pointer來實現。[5]簡單指針（Simple Pointer）腳本從控制器尾部射出一個有色光束來模擬激光束，這在場景中指向物體很有用，它能判斷出所指向的物體以及物體距控制器射出光束位置的距離。另外一種貝塞爾曲線激光指針（Bezier Pointer）可以從控制器末端發出一個曲線（由游戲對象組構而成）到（任何高度的）地面上的一點。激光曲線的終點能夠彎曲到用戶看不見的對象頂部，可以用于傳送到各種高度的對象上。而在簡單的射線操作中，如小場景同一水平高度的射線檢測，簡單指針則比較常用。

將射線檢測用到傳統文化元素交互中，在有定位技術的同時，用戶有時候想要在虛擬場景中瞬間移動，以更加方便地觀賞和實現交互體驗，這時候可以用貝塞爾曲線激光指針進行跨場景物體的跳躍瞬移。在對文化元素進行顏色填充的時候，可以事先通過手柄選擇自己喜好的配色方案然后通過手柄發射的簡單指針射線選中需要交互的元素面片，以改變該面片的顏色。當用戶想了解傳統文化元素中正在跳躍的舞蹈動作時，用戶可以使用簡單指針的射線遠距離地選中正在舞動的角色，通過扣動扳機獲取該舞蹈的類型、所屬地域、舞蹈特點等用戶感興趣的內容。射線交互使一些遠距離動態的文化元素可以通過這種新穎的交互方式更簡便地呈現在用戶面前。

2.4 基于著色器的文化元素著色

著色器即Shader，是一款在GPU上運行的程序，用來對三維物體進行著色處理，對光與影進行計算和對紋理顏色進行呈現，從而將游戲引擎中的一個個作為抽象的幾何數據存在的模型、場景和特效，以和真實世界類似的光與影的形式呈現于玩家的眼中。我們在對傳統文化元素進行交互的過程中，需要創造性地改變其著色器，使其更具趣味性。在射線檢測和碰撞體檢測之后，我們獲得了用戶想要交互的元素，此時我們可以任意改變其參數，而改變其顏色是最常見的手法，為了獲得較好的藝術性與觀賞性，我們采用著色器改變該物體的色彩和紋理，使其呈現出較好的藝術效果。對于地毯中的一個元素，我們可以通過射線將它選中，然后按照自己的想法改變它的顏色、紋理或者材質。例如，我們如果希望一只動物呈現具有白色羽毛特質的效果，我們可以通過著色器來調節它的顯示參數以呈現更好的展呈效果。利用著色器，我們可以將文物中各種不同的傳統文化元素中靜態的、單調的元素絢麗多彩地展現出來，增強用戶的視覺感官體驗。

3 結語

本文提出一種新的虛擬交互方式，并對其技術細節作了探討，以博物館文物中的傳統文化元素為對象，將其與虛擬現實技術結合，利用虛擬現實交互技術將提取出的文化元素進行展呈和再創作，這種技術與藝術的結合讓用戶的沉浸感和交互性體驗更強烈，更能體會傳統文化元素的內涵。在未來的虛擬現實技術與傳統文化結合發展的過程中，新型的虛擬交互技術將會產生很大的作用。

參考文獻：

[1] 原哲.淺析舞劇《絲路花雨》的民族特色[J].音樂時空，2014（07）：56.

[2] 郝謹.淺談交互媒體設計中傳統文化元素的運用[J].戲劇之家，2015（24）：266.

[3] 張鳳軍，戴國忠，彭曉蘭.虛擬現實的人機交互綜述[J].中國科學：信息科學，2016，46（12）：1711-1736.

[4] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，39（01）：2-46.

[5] 潘斌，常承陽.淺談虛擬現實教學軟件開發中的交互技術——以HTC Vive為例[J].電腦知識與技術，2017，13（28）：86-88.

[6] 宮明浩.數字媒體技術在公共藝術創作中的應用研究[D].吉林建筑大學，2017.

[7] 杭云，蘇寶華.虛擬現實與沉浸式傳播的形成[J].現代傳播（中國傳媒大學學報），2007（06）：21-24.

[8] 劉東東.數字媒體技術下交互藝術的現狀及發展趨勢——以“印·踏”展為例進行分析[J].數碼設計，2017，6（09）：22-23.

[9] 劉賀，宋立權.虛擬現實交互技術在非物質文化遺產保護中的應用——以赫哲族魚皮文化保護為例[J].新聞知識，2018（02）：58-60.

[10] 洛毛措.敦煌舞蹈藝術形式的審美價值與教育研究——以舞劇《絲路花雨》為例[J].藝術研究，2017（01）：138-139.

[11] 劉氫.基于Unity3D和htcvive的虛擬現實游戲設計與實現[J].通訊世界，2017（3）：43-44.

[12] 馬志明.基于虛擬現實技術的數字媒體藝術創作研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2018，34（04）：43-45.

[13] 魏文靜.論數字媒體環境下的交互藝術對傳統文化的傳播——以故宮博物館為例[J].藝術科技，2016，29（08）：119.

[14] 張力剛.淺析虛擬現實技術在現代展示藝術中的應用[J].黑龍江紡織，2017（02）：31-34.

[15] 張少波.沉浸式虛擬現實中人機交互關鍵技術研究?[D].重慶郵電大學，2016.

[16] 張文君.虛擬交互技術在非物質文化遺產保護中的應用——以晉南木板年畫為例[J].包裝世界，2017（04）：94-96.

[17] 絲路花雨[DB/OL].百度百科，https：//baike.baidu.com/item/%E4%B8%9D%E8%B7%AF%E8%8A%B1%E9%9B%A8/4955014？fr=aladdin.