基于Unity3D的新疆哈薩克族刺繡技藝虛擬仿真系統(tǒng)

肖志強 袁昌富 焦海峰

摘 ?要： 傳統(tǒng)的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字保護，大多停留在網(wǎng)頁、圖片、文字、視頻等方面。新疆哈薩克族刺繡技藝中的氈繡和布繡作為國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，記錄著該民族的歷史發(fā)展與文化傳承。通過將新疆哈薩克族傳統(tǒng)的刺繡技藝與VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合進行探索和開發(fā)，應用Unity3D軟件與HTC VIVE硬件設(shè)備設(shè)計刺繡技藝虛擬仿真系統(tǒng)并搭建刺繡技法的模擬平臺。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)輪廓繡、直線繡、十字繡、長短針繡等繡法模擬，沉浸感強，交互效果好，可以滿足刺繡愛好者學習多種刺繡技藝的繡制方法和步驟。

關(guān)鍵詞： 刺繡技藝; 非物質(zhì)文化遺產(chǎn); 哈薩克族; VR技術(shù); 虛擬仿真系統(tǒng); Unity3D

中圖分類號： TN915.5?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0179?03

Unity3D?based virtual simulation system of Xinjiang Kazak embroidery arts

XIAO Zhiqiang， YUAN Changfu， JIAO Haifeng

（Shihezi University， Shihezi 832003， China）

Abstract： The traditional intangible cultural heritage digital protection is mostly limited in the aspects of web， picture， text and video. As national intangible cultural heritage， the felt embroidery and cloth embroidery of the Xinjiang Kazak embroidery arts record the historical development and cultural inheritance of the ethnic group. The combination of the traditional Xinjiang Kazak embroidery arts with the virtual reality（VR） technology is explored and developed. The Unity3D software and HTC VIVE hardware equipment are applied to design the virtual simulation system of embroidery arts and build the simulation platform of embroidery techniques. The experimental results show that the system can realize the simulation of contour embroidery， linear embroidery， cross embroidery， long and short needlepoint embroidery and other embroidery techniques， and has a strong immersion feeling and good interaction effect， which can help the embroidery enthusiasts to learn the embroidery methods and procedures of various embroidery arts.

Keywords： embroidery art; intangible cultural heritage; Kazakh; VR technology; virtual simulation system; Unity3D

0 ?引 ?言

想要創(chuàng)作出一幅精美的刺繡作品，在刺繡的針法方面有：直針、平針、纏針、盤針、套針、搶針、擻扣針、變體針、散錯針、輔助針、亂針、編繡、饒繡等多種針法繡制。在工藝制作程序方面，要經(jīng)過制稿、選配底料、上繃、勾稿、配線、繡制、拆繃、裝裱8道工藝制作流程。初學者要學習刺繡技藝必須經(jīng)過前6道工藝制作程序，其中繡制程序用時最長，難度較大。然而，通過VR虛擬技術(shù)，初學者只需要進行繡制程序，就可以實現(xiàn)刺繡技藝的學習。其優(yōu)點，在刺繡資源方面，不僅擁有大量的數(shù)字化、標準化、系統(tǒng)化的圖庫和五顏六色的顏色，而且可以根據(jù)設(shè)計需要自由選擇與更換;在繡法基礎(chǔ)學習方面，刺繡初學者還可以隨時進行重復性的模擬仿真練習，這樣既節(jié)約學習時間又避免材料的浪費，給廣大刺繡愛好者和消費者提供刺繡學習和展示的平臺，為新疆哈薩克族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護與教育傳授提供了新的方式。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文依據(jù)新疆哈薩克族氈繡和布繡的藝術(shù)特色，圍繞刺繡技藝的操作流程與方法，從用戶體驗的角度出發(fā)，設(shè)計本系統(tǒng)的UI界面、模型、功能等。應用3ds MAX，PS軟件創(chuàng)建刺繡數(shù)字展臺及圖案，通過對Unity3D引擎的SteamVR插件的二次開發(fā)設(shè)計滿足刺繡操作的觸發(fā)檢測、物品選取等交互技術(shù)，結(jié)合Unity3D“實時渲染”技術(shù)真實地還原哈薩克族刺繡虛擬場景，并且應用HTC VIVE硬件設(shè)備對哈薩克族刺繡中的平繡技法進行模擬仿真實現(xiàn)。

區(qū)別于二維世界的UI，VR世界中的UI擁有不同的操作方式。三維世界的UI就應該像三維世界中的物體一樣，可以被體驗者直接操控;所以根據(jù)遠近距離和有無手柄設(shè)計出三種UI的操作方式：直觸式、凝視式與射線式。這三種方式可以完成三維世界中大部分的UI操作。VR設(shè)備支持手柄操作，所以采用直觸式與射線式兩種操作設(shè)計方式。其中線段顏色系統(tǒng)以射線式的UI交互方式進行控制，可以對線段的顏色與明度進行無級調(diào)節(jié)，體驗者可以按照需求調(diào)節(jié)出想要的顏色。其他功能均以直觸式UI交互方式進行設(shè)計，簡單直觀更容易操控。

根據(jù)不同功能的需求設(shè)計相應的UI界面，在系統(tǒng)的體驗調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)了很多可以優(yōu)化擴展的地方。例如，體驗者在進行刺繡模擬時，容易有誤操作，如果不能提供一種可以撤銷操作的功能將會使體驗者前功盡棄;或者是沒有接觸過哈薩克族刺繡的體驗者，很難設(shè)計出一種圖案，只能漫無目的地進行刺繡體驗。為了讓體驗者能更好地進行刺繡體驗并且可以在短時間內(nèi)刺繡出比較成功的作品，在此添加了“線段顏色選擇”、“布面顏色選擇”、“展開/關(guān)閉參考圖”、“后退一步”與“清除所有參考線”等功能。這些功能相互配合可以為體驗者帶來更好的用戶體驗。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

設(shè)計思路是體驗者佩戴HTC VIVE頭顯設(shè)備和無線手柄。在搭建的刺繡模擬仿真平臺的虛擬展示空間中，用戶可以根據(jù)自己的喜好，選擇刺繡線條的顏色與圖案，手持無線手柄在場景中提供的布面圖案輪廓上進行刺繡針法的模擬操作，完成一幅刺繡作品。

谷歌公司開發(fā)的VR繪畫游戲“Tilt Brush”。這是一款可以在三維空間內(nèi)進行繪畫的VR應用。這款軟件的原理是利用Unity3D的線性渲染功能，在按下手柄按鍵時以固定的頻率記錄手柄指定點的三維坐標，然后連續(xù)進行線性渲染，最終形成一幅連續(xù)的3D繪畫作品。通過對這種機制的分析，對它的核心代碼進行二次開發(fā)，為刺繡效果重新設(shè)計渲染點的記錄方式。在這里將利用“觸發(fā)檢測技術(shù)”來完成此項任務，首先，為布面的上下兩個面都添加一個觸發(fā)器，這樣在體驗者所持手柄模擬穿針動作時可以進行判斷，然后再執(zhí)行線性渲染。這樣就可以做出刺繡模擬的效果，并且渲染出來的線段可以真實地模擬出緊緊繡在布面上的效果。

刺繡系統(tǒng)核心代碼如下：

//生成新線段物體并指定線段的父物體和線段的顏色寬度與材質(zhì)

GameObject go = new GameObject（）;

go.transform.SetParent（m_Bumian）;

curLine = go.AddComponent（）;

curLine.setWidth（0.005f）;

curLine.lmat = new Material（lmat）;

else if （device.GetTouch（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger））

//調(diào)用線段渲染腳本中的方法，并由布爾值作為開關(guān)控制線段渲染與否

if （JiLu）{curLine.AddPoint（transform.position）;}

else if （device.GetTouchUp（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger））

{curLine = null; }

if （curLine ！=null）

{ curLine.lmat.color = ColorManager.Instance.getCurColor（）;}

3 ?系統(tǒng)仿真實驗

3.1 ?線型模擬仿真度的設(shè)置

在系統(tǒng)實驗調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)刺繡渲染的線段粗細直接影響到仿真度的高低，渲染線段越細，體驗者刺繡操作時間就越長，來回刺繡針數(shù)越多，模擬的視覺效果就越接近現(xiàn)實中刺繡線的效果;相反，渲染線段越粗，體驗者刺繡操作時間就越短，來回刺繡針數(shù)越少，模擬的視覺效果就會造成緞帶一樣的面片渲染效果，顯得比較粗糙虛假。因此，刺繡模擬效果的好壞與體驗者的疲勞度成反比，VR體驗不同于現(xiàn)實刺繡。由于體驗者佩戴設(shè)備重量的影響，操作時間過長的話會造成體驗者手臂與脖頸部位的疲勞，所以，經(jīng)過反復實驗操作，計算得出刺繡的線段粗細寬度控制在0.003 5 f（Unity3D）為宜。這樣可以讓體驗者在10 min之內(nèi)較輕松地完成一幅刺繡作品，還可以得到相對真實與細膩的刺繡效果。

為了方便體驗者根據(jù)需要調(diào)整線段粗細，在繪制大圖形時，可以根據(jù)系統(tǒng)所提供的按鈕相應增加線段的寬度，這樣有利于刺繡速度的提升以及整體效果的把控。當刺繡帶有弧度的圖形時，也可以相應進行降低線段的寬度，更容易繡制輪廓。

3.2 ?繡法模擬仿真度的效果

通過實驗結(jié)果可得，應用Unity3D軟件與HTC VIVE硬件設(shè)備設(shè)計刺繡技藝虛擬仿真系統(tǒng)搭建刺繡技法的模擬平臺，可以模擬出輪廓繡、直線繡、十字繡、長短針繡等繡法。其中，平針繡、直線繡、長短針繡的模擬效果比較滿意，但是，需要注意以下幾個方面：

線段長度要匹配所繡的圖案大小，長度要適中不宜過短或過長，才能模擬出良好的效果。線的走勢也要根據(jù)圖案的結(jié)構(gòu)進行繡制，可以預先在需要轉(zhuǎn)彎的地方對刺繡部位進行分組，這樣可以模擬出既整齊又有動感的刺繡效果。線排列的密度，線段與線段之間盡量排列緊密，不要留空隙?？梢灾貜童B壓排列，例如，漸變圖案適合使用平針繡的長短針繡法，對不同顏色層次的圖案，線段顏色可以由深到淺進行穿插刺繡，能夠達到比較理想的漸變效果，如圖1所示。

圖1 ?長短針漸變刺繡模擬效果圖

在繡制幾何圖案時，可以直接使用直線繡與平針繡來進行繡制，不需要進行輪廓的繡制。在繡制有機型的圖案時，例如，花瓣型的圖案適合以輪廓繡的方式來進行輪廓的繡制，內(nèi)部填充時應該使用直線繡的針法，從而更加真實地模擬現(xiàn)實中的刺繡技法。如果體驗者的刺繡手法比較好并且對本系統(tǒng)的操作熟悉程度較高的話，可以獲得更好的刺繡效果。繡法模擬效果圖如圖2所示[2]。

圖2 ?繡法模擬效果圖

4 ?結(jié) ?論

經(jīng)過反復研究并進行實驗測試，結(jié)果表明，通過HTC VIVE虛擬現(xiàn)實設(shè)備能夠?qū)π陆_克族刺繡中的基礎(chǔ)繡法進行仿真模擬，在視覺效果、模擬仿真方面都達到了預期的成效。但是，由于HTC VIVE虛擬現(xiàn)實設(shè)備的局限性，還有不盡人意的方面，例如，用戶在體驗過程中，頻繁低頭導致脖頸酸軟影響體驗者的舒適度，身體遮擋傳感器導致手柄定位不準產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，面片型的線因觀察角度變化而發(fā)生形變等問題有待解決。未來，隨著VR設(shè)備的更新，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用將更加廣泛，如何在計算機圖形學領(lǐng)域，將增強現(xiàn)實、圖像識別等多種新技術(shù)結(jié)合應用，更好地解決生活生產(chǎn)中的實際問題，將是以后不懈的研究目標。

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