14 / 2023-09-26 20:23:41

素手陶韵-基于虚拟仿真的陶艺创作体验与展示系统

1.研究意义      

       中国作为一个文化大国，一向重视优秀传统文化和文化遗产的保护与传承，2017年1月，中共中央办公厅、国务院办公厅为建设社会主义文化强国，增强国家文化软实力，实现中华民族伟大复兴的中国梦，印发了《关于实施中华优秀传统文化传承发展工程的意见》，坚持创作型转化和创新性发展的基本原则，将贯穿国民教育始终、保护传承文化遗产作为重点任务来抓。习总书记在第二十次全国代表大会上的报告中指出：坚持和发展马克思主义，必须同中华传统文化相结合，只有根植本国、本民族历史文化沃土，马克思主义真理之树才能根深叶茂。中华优秀传统文化才能继续源远流长。二十大报告中蕴涵的传统文化理念是中华文化的智慧结晶，是生产生活中积累的道德观于科学社会主义价值主张高度契合的成果。中华文化本身拥有极为悠久的发展历史，无论是内涵底蕴还是外观载体，都有足够的实力站在世界民族之林的前端。因此，优秀的传统文化应该在新时代下不断地创新、不断地传承，激励一代又一代的华夏儿女为其发展奉献自己的力量。

       陶瓷制作工艺作为一种开放且包容的传统手工艺，为现代人与古人建立了微妙的联系，是中华民族独特的精神标志，在古代人类高级文明中有举足轻重的位置。传承陶瓷制作工艺是为了让人们能够更好的了解传统手工艺，培养民族自豪感与荣誉感，从而将这灿烂辉煌的民族瑰宝一脉传承，源远流长。

课题通过将传统陶瓷制作工艺与虚拟体验技术相结合，利用Unity3D引擎结合Leap Motion手势识别设备设计并实现虚拟陶器创作系统，寻求传统陶瓷文化的创新发展和传承。研究意义主要包括以下四个方面：

       从文化传播的意义方面来说，为中华陶瓷文化传播开辟了新途径。如今互联网快速发展，让信息的传播途径大大增加，任何一种文化的传播都需要借助相应的技术手段，将创新技术与传统陶瓷文化相结合，将陶瓷的制作流程和历史文化进行专题介绍，方便用户更加系统的学习陶瓷相关知识，加强了用户学习陶瓷传统文化的灵活性与趣味性，有利于提高大众学习的意愿和兴趣。通过徒手实时交互的方式参与陶瓷制作的流程体验，可以吸引更多年轻一代对传统陶瓷文化的关注和喜欢，为更多陶瓷爱好者提供更便利的学习途径，让传统陶瓷文化能够更加深入到人们的生活之中。将三维建模技术、虚拟体验技术等数字化技术与我国传统陶瓷文化结合，可以为我国传统陶瓷文化的传承和发展注入新的生机与活力，丰富陶瓷文化的时代内涵和传播方式，使得传统陶瓷文化可以得到更广泛的传播和发展。

       从陶艺实践的意义方面来说，为大众体验陶器创作提供了新方式。陶瓷的制作工艺及其深厚的文化底蕴通过静态的文字和图片很难展示其独特魅力。而传统的制陶流程远比想象中的复杂，原料选择、釉料类型、烧制温度与时间的不同，都会对最终的成品效果有着不同程度的影响。一般条件下人们很难在家里尝试陶瓷体验和创作，不能进行陶瓷制作工艺的体验与学习。虚拟陶器创作系统可以打破时间、空间、设备等多种条件限制，让用户在交互过程中感受传统陶瓷文化的魅力，随时随地进行陶瓷文化体验，了解传统陶瓷文化。除此之外，这也能让更多的人接触并且喜爱陶瓷文化，了解和熟悉传统陶瓷制作的工艺和流程，可以进一步扩大陶瓷文化的传播范围。

       从低碳环保的意义方面来说，避免初学者在前期学习阶段造成的不必要矿物资源浪费。有相关报告表明：我国仅陶瓷建筑行业每年消耗的天然矿物资源高达3亿吨，每年生产的陶瓷废料高达1800万吨。设计师在进行陶瓷产品设计时，一旦在手绘流程中出现问题，就将导致设计草稿的纸张浪费，对于环境保护也会产生影响。用户通过虚拟陶器创作系统进行陶器作品创作，既可以多次制作，又可以在制作过程中执行撤回操作，避免在拉坯、烧制、上釉环节中由于失误而造成废料、废釉料等的不可回收资源，这对于环境保护有着重要意义。

       从虚拟体验技术的意义方面来说，为虚拟体验技术的应用范围提供了新思路。虚拟体验因其“非现实”、“不在场”的特点，可以跨越时间和空间，可以弥补现实体验的各种弊端，又因其新颖潮流的形式，在年轻群体中很受欢迎。目前虚拟体验技术在国际市场上日益火热，国内亦进一步加快虚拟体验技术的研究步伐。随着相关技术的不断成熟，将逐渐广泛应用于军事、建筑、工业、文博等方面，却较少有关于传统陶瓷文化的传播和陶瓷制作体验方式的研究。本文将传统陶瓷文化与虚拟体验技术相结合，扩宽了虚拟体验技术的研究范围。

2.可行性分析：项目的技术或实施可行性。

（1）传播形式与传播效果上的可行性分析

       从传播形式上判断，APP能够使陶瓷依旧出现在中国人生活的各个场景中，很多人都对瓷器艺术充满浓厚的兴趣，但除了一些专门生产瓷器的厂商外，普通人甚少有机会可以体验到瓷器艺术的魅力，虽然现如今许多陶艺工坊已经兴起，但由于价格高、耗时长、且缺乏专业知识的教导，也并没有能够提升传统手工艺传承的效率。可见只有当传统手工艺能够以一种更容易学习、更方便传播的形式出现在世人视野中时，它才能够在现如今的互联网时代中更好的被大众所接受。

从传播效率上判断，陶瓷制作工艺传播的效率应当由内容价值和大众的接受程度来判定。若内容价值低，大众接受度高，大众并没有接受到有效的信息，并不能称为高效；若内容价值过高，超出了普通非专业人士的认知水平，也不能称为高效，因此在设计时就应当将内容选定好并通过用户测试查看效果，从而获得传播效果最大化。

（2）内容选定与技术实现上的可行性分析

   在内容选定时，从4个方向对制陶技艺进行了剖析，分别是作品展馆、创作体验、游客互动、历史文化。其中历史文化部分采用了文字配合图片的展示方式，而创作体验、作品展馆、游客互动的部分采用了 3D 模型的展示形式，在这一部分中，用户可以对陶坯进行操作，体会一块泥土从炼泥到烧成的整个过程，并可以在每个过程中查看当前流程的介绍，直到最终完成作品，对于自己特别满意的作品，还可以上传到个人陶瓷展厅。在这个了解、欣赏、再设计、分享的过程中，就完成了一次陶瓷制作工艺传承与发扬的转化。

从技术实现上来看，主要的技术问题集中在创作体验的部分，如何让使用者能够随所欲的制作各种形状的陶瓷作品是一大难题，通过查阅资料和论文剖析，最终决定将陶土的原始形状定义为一个广义圆柱体，采用基于用户骨架的手势识别技术，提高用户手势输入的准确性，从而控制模型的网格形变；另一大问题是效果展示，一个陶器从泥土的材质到有花纹，到上了釉之后变得光洁，仅仅使用材质并不能展示出最好的效果，计划使用shader脚本配合Unity引擎的方式来完成特殊效果，再辅以各式各样的花纹效果，为用户提供尽可能大的自由度。

（3）系统推广的可行性分析

目前市场上的软件推广主要采用的推广模式分为线下和线上，线下主要是一些落地活动、广告宣传栏等方式，不同类型的软件会根据自身特点来策划不同的线下推广方案；线上推广主要依靠应用商城推荐和在线商业广告，应用商城推荐比如谷歌首页精选等，可以提升对于用户的曝光率，吸引更多用户下载，而在线商业广告一般是指RTB广告，通过Ad Exchange买量的形式将软件的广告展示在用户眼前，也就是日常在使用软件时在某些场景中弹出的广告。作为一款公益性的软件，商业变现并不是开发的初衷，从文化普及的角度来看，线下推广的方式要更优于线上推广，举例：可以与地方博物馆合作，以下载二维码、下载链接等方式配合易拉宝、海报等展示形式竖立在相关展品旁，当参观者参观时，就可立刻扫码下载，相当于使用定向投放的方式获得转化；还可以和政府、学校等机构合作，通过将软件与一些定期的线下活动结合，培养大众对于陶瓷制作工艺文化的兴趣。

3.本项目的特色与创新之处。

（1）在陶艺拉坯模拟模块，为了模拟现实生活中不规则的粘土形状，采用Ken Perlin提出的平滑随机方法Perlin Noise为顶点添加随机性，以此生成仿真粘土网格模型。为了在变形过程中获得平滑的变形效果，采用类似于高斯函数的衰减函数进行网格平滑，为了避免在变形后黏土网格上生成尖锐形状，系统使采用拉普拉斯平滑函数进行局部网格平滑。该系统不仅可以实现不同变形范围参数的网格变形，还可以实现网格平滑，用户可以去除陶器内的尖锐特征，以获得理想的形状。

（2）为了增加用户粘性和系统可玩性，彩绘上釉模块设置了画笔、贴图、裂纹、文字、细节刻画等多种交互功能。其中贴图模块使用基于离散指数的交互式贴花映射算法进行贴图纹理映射，传统的纹理映射算法，大多数是基于平面的，很多工业造型物体表面比如汽车、飞机、花瓶等，都是由自由曲面或不规则多边形构成，这些物体的难以用参数表达式直接表示，因此也不能直接进行纹理映射，这也是纹理映射中的难题之一。针对这些难点，基于离散指数的交互式贴花映射算法在贴花的表示和交互式移动贴花上更为鲁棒，并且解决了Pedersen算法的很多局限。本文所用算法是完全局部的，并不需要基础参数或者除了初始取样以外的对于表面的处理。

（3）陶瓷展厅模块采用了基于云服务平台的展示设计。在系统前端，我们使用Unity作为客户端开发工具，使用Facade Pattern拆分不同功能模块，采用异步方式加载FBX模型和处理JSON信息。对于系统的后端，Socket和C# Web框架部署在服务器端，其中Socket负责处理延迟敏感函数，C#负责处理延迟不敏感函数。所实现的系统的应用效果表明，它可以提高陶瓷产品设计的交互效率。

3.研究内容

     本课题从中国传统制陶工艺展开，通过对国内外的研究分析、资料整理，着重探讨如何帮助用户通过传统手工艺体验系统深层次的了解传统手工艺的文化内涵，通过科学的可视化方法增强大众对传统手工艺文化内容的认知与学习体验。考虑到逼真度的重要性和现有作品的局限性，设计了基于手势识别的虚拟陶器创作系统。根据具体模块在Unity 3D引擎中进行开发实现，最终进行用户研究与系统可用性测试，进而完善传统陶瓷制作工艺的交互设计研究。希望本次课题研究能够为处于发展瓶颈中的中华传统制陶工艺提供具有实践价值的创新模式，为传统手工艺的交互设计研究提供有益的参考。研究的主要内容如下：

1.首先对中国传统制陶工艺的背景做了大量调研，通过分析课题发展现状确立了研究目的和意义，接下来剖析了陶艺相关系统的国内外相关研究现状，梳理研究方法和思路，给本课题后续的实践研究供应了本质的理论参考，最后以此为基点展开本课题剩余的研究内容。

2.选定研究内容后，在这一阶段对陶瓷制作工艺的专业知识进行收集与筛选，对系统的可行性和需求进行分析，分析系统在技术实现、经济、社会因素等方面的可行性，通过用户调研和文献分析获取用户需求及功能需求。

3.完成系统总体设计，采用分层设计原则，分别进行策划设计、顶层架构设计、客户端服务器架构设计、系统设计、工作流程规范设计。

4.实现系统中各个模块的具体功能，对系统核心模块进行详细描述，并介绍系统实现过程中出现的复杂点以及重难点，确定功能架构。

5.对系统进行黑盒测试和白盒测试，包括各功能模块的操作效果和用户感受、UI界面操作的脚本运行是否顺利、系统场景中的对象及贴图是否存在问题等方面。通过邀请专业人员和非专业人员的方式进行效果评估，分析不同体验者的反馈，得出需要优化与改进的点，进而对系统进行版本迭代。