虛擬現實技術在古生物藝術復原中的開發應用研究
——以關嶺古生物VR為例

周雙城

（四川美術學院,重慶 401331）

我國擁有世界上豐富并且稀有的古生物化石資源，這些資源具有重要的科研價值、文化價值以及經濟價值。但古生物化石資源并不能將絕滅的古生物資源具象化且直接產生社會價值。因此，根據古生物化石與相關資料，利用考古學結合藝術學對古生物資源進行藝術復原，依托數字化平臺，開發相關的電影、動畫、游戲，使絕滅的古生物“活起來”，逐漸被大眾所認知、認可[1]。雖然填補了古生物資源開發的空缺，但在虛擬現實領域的作品還是少之又少。本文以繼承發展的研究為視角，以虛擬現實技術作為載體平臺，探討虛擬現實在古生物藝術復原中的優勢與開發應用，為古生物藝術復原探索新的發展方向，藝術化架構開放世界，仿真古生物所處時期的環境，拉近古生物與大眾的距離，推動古生物資源可持續發展。

1 虛擬現實技術應用現狀

1.1 國外虛擬現實發展與應用現狀

虛擬現實技術從誕生至今，已逐漸產業化。20世紀30年代初虛擬現實技術被用于軍事模擬練習。虛擬現實從概念和理論的形成，經過不斷的探索和發展，如今應用于諸多領域，迄今為止，虛擬現實技術主要應用于軍事、教育、醫學、設計以及影視娛樂領域，憑借自身沉浸式交互體驗的優勢得到國外諸多大廠企業的青睞。2014年3月微軟公司斥資1.5億美元收購Oster-hout公司手中81項虛擬現實技術專利，開始進軍 虛擬現實領域；2015年5月蘋果公司收購了虛擬現實出初創公司Metaio；2016年也被大眾稱為“VR元年”。此后，諸多優秀制作團隊涉足虛擬現實領域，發布了很多新穎、趣味的作品，全球掀起了一陣VR熱的浪潮，同時也帶動了虛擬現實相關內容及配套服務產業鏈的發展。虛擬現實作為載體逐漸成為重要的計算平臺和社交平臺，根據市場研究機構TrendForce發布的研究報告，2016年全球虛擬現實市場規模將接近67億美元，預計2020年虛擬現實和增強現實領域的投資總額將達到1 200億美元，未來10年虛擬現實市場規模將更為龐大[2]。

1.2 國內虛擬現實發展與應用現狀

隨著人工智能的快速發展，虛擬現實、機器人等智能產品層出不窮，不斷地融入人們的生活。伴隨著科技和產業生態的持續發展，虛擬現實概念也在不斷演進。目前國內虛擬現實產業水平仍處于初級階段，市場規模處在較低水平，但虛擬現實市場規模在不斷擴大，市場份額也迅速增長。從虛擬現實應用層面來劃分，可以分為企業級和消費級。企業級消費主要針對軍事、教育以及航天等方向；消費級消費面向大眾，主要涉及領域為設計、影視娛樂、旅游等。伴隨虛擬現實技術和產業生態的持續發展，我國政府也出臺了相應的政策，推動發展各地產業特色與虛擬現實技術相結合，例如各地特色虛擬現實旅游，不僅起到宣傳地方特色的作用，還拉動了地方相關產業的可持續性發展。根據中商產業研究院調查整理的報告來看，我國消費者規模從2015年的52萬人增長至2017年的499.9萬人，三年間增長了447.9萬人，預計2020年消費者規模增長至2 006.9萬人。從中可以看出，國內虛擬現實產業，不管是產業還是用戶都處于爆炸式增長，虛擬現實內容數量更多，需求更加豐富。隨著硬件設備的迭代和虛擬現實產業鏈的不斷成熟，內容制作是實現虛擬現實的核心環節，線上各大視頻平臺推出付費VR視頻，線下衍生出VR體驗館，或者線上線下相結合模式的出現，都進一步說明VR產業越來越受到資本市場的青睞和大眾的喜愛。

2 虛擬現實技術在古生物藝術復原上的應用

2.1 古生物數字化復原與虛擬現實領域的發展

古生物數字復原具有科研價值、科普價值以及經濟價值。根據考古發掘出的古生物遺體、遺物或者遺跡相關資料，古生物數字化復原指借助3D數字藝術綜合古生物學、解剖學和地質學，通過藝術處理與加工，呈現多樣化數字藝術復原[3]。古生物數字化復原解決了考古挖掘化石不容易保存，研究辨認困難以及后續開發方向的問題，在遵循動物結構的基礎上開發建模古生物藝術形象。其具體工序為：參考現代動物皮毛組織，繪制古生物貼圖；根據動物解剖學知識，建立動物骨骼關節以及肌肉組織結構；最后通過三維數字化平臺將湮滅的古生物活靈活現的展示在世人眼前。目前，古生物數字化復原主要被應用在古生物電影、動畫、游戲、古生物相關博物展出、3D數字打印、全景視頻以及虛擬現實等。古生物藝術資源不管在哪個領域，都可以使自身在該領域的產業生態鏈中形成具有十分廣闊的開發前景和經濟價值，合理的開發可使資源價值轉化為經濟價值，與相關產業融合推動經濟發展，使古生物數字資源具有強有力的社會價值與潛力。虛擬現實作為近幾年剛剛興起的技術同樣是借助三維數字化平臺，有別于其他呈現方式，虛擬現實則是將藝術復原的古生物模型導入游戲引擎之中，通過編譯制作完成古生物世界的構建，體驗者佩戴虛擬頭盔和手持傳感交互手柄進入引擎所架構的古生物世界，仿佛置身于遠古時代。目前與虛擬現實相關的作品層出不窮，但以古生物題材為內容的作品屈指可數，因此古生物資源在虛擬現實領域的應用仍有很大的潛力。

2.2 古生物藝術復原作品應用

虛擬現實藝術復原古生物可以把方向分為兩大類。第一類是以HTC Vive設備為媒介的虛擬現實呈現，這種虛擬現實是體驗者借助虛擬現實頭盔和傳感交互手柄，通過和PC端的連接定位，讓體驗者與藝術制作家所架構的虛擬世界進行互動。其優勢在于，沉浸式互動體驗感更強，同時可在虛擬世界中脫離束縛自由移動觀看，也可獲得更高清分辨率的視覺體驗。劣勢在于硬件方面，依然未擺脫頭定位束縛，需要與高配置電腦連接才能獲得良好的沉浸互動感，且設備昂貴。第二類是通過傳統三維軟件模型動畫渲染360度全景序列幀來體驗虛擬現實，這種方式是通過全景序列幀球形包裹渲染攝像機（體驗者視角）進行播放，讓體驗者能夠360度全方位觀察動畫，這一類被稱為全景視頻，優勢在于不受虛擬現實設備束縛，也不需要和PC端實時交互，只需利用手機插入谷歌VR盒子，借助手機內置重力感應就可以實現360度VR體驗，可以在任何地方體驗觀感，不需要PC端鏈接和定位。劣勢在于沉浸式體驗稍差，受制于手機分辨率，不能獲得高分辨率與高刷新率帶來的良好視覺體驗，時間長了容易造成3D眩暈感，最重要的一點是僅作為視覺觀賞，無法體驗互動性。國外VR紀錄片《First Life》由“自然紀錄片之父”大衛·阿滕伯勒（David Attenborough）制作并且解說，于2015年6月在倫敦自然歷史博物館首映，此片還原了5億年前寒武紀時代的海底世界。在此作品中觀眾可以自己探索體驗遠古時期海底世界，并且近距離觀看到已經滅絕的歐巴賓海蝎。阿滕伯勒說：“VR是一種美妙的體驗，不同于電影人的藝術是用影像來講故事，在這里它的創造和敘事是沒有限制的。”該作品一經播放就吸引了大量觀眾體驗，并且得到國外媒體的一致好評。國內同樣也有古生物VR作品，如澄江古生物VR電影《狂蟲日記》的問世。云南澄江地區擁有地球上迄今為止發現的分布最集中、種類最豐富的寒武紀珍稀動物。據影片導演黃奮越介紹，VR電影是通過借助計算機系統及傳感器技術模擬生成三維環境場景，創造出一種嶄新的人機交互方式，模擬人的各種感覺器官功能，這包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等，使人能夠在虛擬環境之中沉浸式觀影，全方位自由體驗虛擬環境場景。影片將通過對撫仙湖蟲、奇蝦、怪誕蟲一系列古生物的擬人化、個性化以及高辨識度的設計，打造澄江獨有的文化IP。由此可見，國內國外VR制作人員都在致力于塑造與推廣古生物考古資源，打造兼具科研、科普、娛樂的古生物IP，致力“活化”古生物化石資源，還原遠古生物環境，用數字化科學技術再造考古化石資源。

3 虛擬現實藝術復原古生物世界的途徑

3.1 淺談古生物藝術復原在虛擬現實平臺的制作——以關嶺古生物VR為例

筆者有幸參與四川美術學院VR作品《神秘關嶺VR體驗空間》的制作（見圖1），這次制作是借助第一類HTC Vive平臺來呈現湮滅的關嶺古生物水下世界。選擇擁有良好畫面效果的虛幻4游戲引擎作為VR載體。首先，根據關嶺古生物藝術復原圖和關嶺地區相關資料進行動物模型和場景模型的制作，在三維軟件Maya中制作出低模并且分好uv后導入三維雕刻軟件Zbrush中進行制作模型細節，得到高質量的古生物模型后在Zbrush中烘焙出置換貼圖（displace map）與法線貼圖（normal map），通過三維貼圖繪制軟件Substance Painter進行古生物貼圖繪制，最終得到顏色貼圖（diffuse map），將其在PS中繪制灰度圖，處理成粗糙貼圖（roughness map）和高光貼圖（specular map）以控制模型的粗糙度和產生高光的部位，使用Maya對模型進行骨骼綁定、控制器制作和權重繪制，得到可控的移動模型，k幀調整動畫前期工作基本完成[4]，在電影、動畫、3D博物打印中均可相互使用，這時可將前期做好的古生物模型導入虛幻4引擎之中。與其他三維軟件不同的是，導入虛幻引擎中的動畫最好是動物原地動畫，這樣方便在引擎中設置控制路線，從三維動畫軟件Maya中導出fbx文件，這種格式文件包含模型、骨骼系統以及動作文件，這些都是導入虛幻4引擎必不可少的要素，之后在虛幻4引擎中開始進行場景搭建。這次制作借鑒魔幻現實主義風格，搭建出失落遺跡的感覺，然后繪制地形山脈，擺放殘垣斷壁，讓關嶺古生物在這樣一個水下遺跡中漫游，使人在游玩的時候可以無限遐想。在場景搭建完畢后調整燈光材質效果、編譯程序藍圖語言，利用Sequence定序器來設置古生物的運動路線以及行為動畫，最終架構虛擬現實端口連接HTC Vive設備方可制作完成。

圖1 《神秘關嶺VR體驗空間》（圖片來自網絡截圖）

3.2 虛擬現實建構古生物開放世界

以往的VR作品受硬件機能的限制，通常把作品場景設置為小空間，例如室內或者室外固定場景，采用線性敘事的故事結構一步一步地引導沉浸式體驗，例如比較知名的VR電影《The Blue》。該片展示了身臨其境的深海海底，體驗者站在一個廢棄破碎的船頭甲板上，大量色彩斑斕的魚群和晶瑩剔透發著光芒的水母從面前游過，令人最為震撼的莫過于大型鯨魚從體驗者面前緩慢游過，甚至可以看到鯨魚身體上的細節，游人無不贊嘆這種藝術形式。但遺憾的是體驗過程很短暫，只能在規定的甲板上觀看。隨著VR技術的快速發展，VR設備將實現更多模型和場景的實時渲染，使體驗者能夠自主探索和發現，提高體驗趣味性的同時延長了體驗時間。虛擬現實作品依托游戲引擎，本質上還是游戲，世界著名游戲大廠育碧作品大多都是以開放世界為基礎，例如其旗下作品《刺客信條》系列、《孤島驚魂》系列等都是世界佳作。《刺客信條》游戲中還原了16世紀法國大革命時期，玩家可以體驗到大革命時期人民運動如火如荼的景象，同時還可以游覽一比一還原的巴黎圣母院等。不受線性敘事約束的自由探索邊界是目前的主流，因此，本文提出制作機制藍圖設置：（1）提取古生物地區環境與地理等科研信息建構遠古景觀，并在此基礎上運用藝術學理論還原與再造遠古開放世界奇觀；（2）類比古生物現代動物科目行為建立古生物活動AI，例如判斷捕食和動物互動；（3）加入動態天氣系統與晝夜更替機制，力求還原遠古真實場景的變化；（4）通過加入多人社交，豐富互動娛樂性，在進行手柄等傳感器與古生物實時互動時，顯示古生物相關科目信息，助推古生物科普工作。

4 結語

虛擬現實技術介入下的古生物藝術復原開發，是一次藝術與科學的碰撞，虛擬現實作為新興的數字化平臺，為古生物藝術復原相關開發帶來無限的可能。虛擬現實以其專屬的沉浸體驗和交互體驗受到大眾的青睞，不其僅帶動文化IP的發展，同時形成生態產業鏈帶動經濟發展并產生文化影響力，為古生物藝術復原途徑提供了方向。雖然目前古生物類作品偏少，但高校、社會已經意識到古生物資源發展的潛力，將助推虛擬現實技術應用古生物藝術復原進入新發展階段，讓更多人了解古生物、認識古生物、喜愛古生物。