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摘要：本研究通过设计与实现一套基于虚拟现实仿真技术的系统，旨在保护及传承中国的传统皮影戏这一珍贵的非物质文化遗产。系统创新性地将传统皮影戏艺术以三维沉浸式体验的形式重新呈现，旨在丰富人们对皮影戏的认知并拓展其体验维度。本研究通过调研和案例分析，探索了将皮影戏与现代科技结合的新途径。虚拟现实技术的应用不仅为皮影戏的传承提供了新的可能性，为非物质文化遗产的保护注入了新活力。

关键词：虚拟现实；仿真技术；三维皮影戏

随着现代化与数字化的发展，中国优秀传统文化正面临着前所未有的挑战。皮影戏，作为国家非物质文化遗产之一，不仅承载着丰富的历史信息和民族特色，更在当代社会中显得尤为脆弱，濒临失传的边缘。本研究通过调研和案例分析，探索了如何将这一古老艺术形式与现代科技相结合。发现虚拟现实技术为传统文化的传承和发扬提供了全新的可能性，能够为非物质文化遗产保护注入新的生命与活力。通过这种创新的结合，旨在开辟一条传统文化保护与传承的新路径，为推动文化创新与发展贡献力量。

1 三维皮影戏技术探索概述

中国皮影戏也称“灯影戏”，作为中国传统文化的“活化石”。它以独特的影偶表现和叙述手法而享有美誉。据史料显示，皮影戏自西汉滥觞，历唐宋而盛于清，元朝远播至西亚乃至欧洲，展现其跨越时间与空间的文化魅力。然而，作为非物质从文化遗产，皮影戏在内容和形式的传承上存在滞后性和局限性[1]。

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），可以追溯到1938年英国物理学家查尔斯·惠斯通提出的立体视觉，最早的设备应用于军事和航天领域。近年来，随着各行各业对虚拟现实技术的需求逐渐多样化，VR技术已发展包括硬件、软件、内容制作与分发、应用与服务在内的完整产业链[2]。它在系统架构、数据处理、动态模拟、实时反馈、交互技术以及用户体验等方面展现出虚拟现实仿真技术相比传统仿真技术的优势，以及从科学研究到实际应用的发展潜力[3]。

传统文化与虚拟现实技术的融合，为科学研究和实际应用提供了新的发展潜力。这种融合在多个方面展现出VR仿真技术的优势。本文主要研究OpenXR插件如何与皮影戏的特性进行表现。OpenXR是一个针对XR应用程序接口（API）的标准，简称API。涵盖了虚拟现实、增强现实和混合现实。XR是指通过计算机技术和人机交互创建的虚拟与实际环境无缝结合的体验，涵盖了虚拟现实、增强现实和混合现实。OpenXR是应用程序和XR运行时的接口，XR运行时负责处理帧合成，交互管理，原生追踪信息。对于应用程序开发者来说，OpenXR是一组函数的结合，这些函数可以与运行时进行通信，执行基本的操作比如访问手柄或其他外设状态，获取预测后的追踪位置，提交渲染帧等。

2 三维皮影戏系统设计与方法

2.1三维皮影戏系统研发概述

本研究主要使用动态全局照明技术（dynamic global illumination），该技术是计算机图形学和游戏开发领域中一个关键的研究方向，在实时应用领域亦具有显著的研究意义，主要可分为纯实时和预处理结合实时渲染两大类。前者，代表技术如Voxel Cone Tracing，允许直接在渲染过程中计算动态光照效果。后者，例如Image Based Lighting （IBL）及光探针技术，通过预计算部分光照信息以降低实时渲染的计算负荷，实现视觉效果与计算效率的平衡。本研究搭建一个基于OpenGL的动态全局光照的三维渲染引擎：Black Pearl渲染引擎。在Black Pearl渲染引擎上设计和实现了三种动态全局光照算法，分别是：体素锥追踪照明（voxel cone tracing GI）、基于图像的照明（image based lighting GI）和基于光照探针的照明（light probe based GI）[4]。

2.2三维皮影戏系统搭建

三维皮影戏的系统搭建主要分为五个层次，其中包括用户层、交互层、功能层、模型层和支撑层。这五个层次通过数据库进行相互联系，如图2.2-1所示

3 虚拟现实仿真技术的应用

3.1 自定义手势动画和模型

皮影戏被称为五人忙，主要由前声、签手、板胡、二弦、下档五人组成，在皮影戏中最大魅力就在于签手的高超技艺，签手乃影戏的灵魂，签手主要采用挑、抵、推、揉、拖、反转等来变现容纳五个繁复动作和细腻情感，赋予皮影以鲜活的生命力。在虚拟现实（VR）体验中，手势交互是创建沉浸式环境的核心技术之一。当用户通过虚拟角色进行交互时，Oculus Touch控制器能够在VR环境中投射出蓝色的虚拟手掌影像。通过这种方式，用户可以通过调用手势动画来控制游戏，增强交互的自然性和直观性。这项研究旨在超越Oculus设备的限制，通过将蓝色的虚拟手掌替换为与皮影戏艺术相关的模型和动画，不仅能够在视觉上完全控制玩家的双手形象，还能够自定义更多的手势动画，从而实现更加丰富的交互体验，如下图3-1所示在不同情况下签手的手法不同。

3.2 自定义三维皮影戏角色

中国皮影艺术遍布各地，虽各具特色但其制作流程大致相似，包括选皮、制皮、画稿、过稿、镂刻、敷彩、发汗熨平和缀结合成等八大工序，涉及逾3000次精细雕刻。皮影的设计灵感源自汉代帛画、画像石、画像砖以及唐宋时期的寺院壁画风格。皮影人偶的四肢和头部是独立雕刻并通过线绳连接，以确保在表演时能够灵活运动。

碰撞检测技术用于识别物体间空间占用的重叠情况，它是虚拟手工制作仿真中最为关键和基础的要素。该技术根本目的是保证场景中多个物体在任何时候都不会无破坏性地共享同一空间区域，即确保所有物体的空间占用互不重叠。按照场景中物体的运动状态划分，三维空间中的碰撞检测可分为静态检测算法和动态检测算法。从时间轴考虑，动态检测算法可分为连续算法和离散算法。当前应用于虚拟仿真系统的算法大部分属于离散型检测算法。

在虚拟皮影制作中，碰撞检测主要涉及两物体间的空间重叠。采用包围盒方法进行碰撞检测时，需要在包围盒的简单性与紧密性之间找到平衡，这是包围盒方法的关键。

（a）是普通的矩形包围盒，它可能是基于对象最外围的点来定位的。

（b）AABB代表“轴对齐边界框”（Axis-Aligned Bounding Box），它是与坐标轴平行的最小矩形，通常用于简化计算过程。

（c）OBB代表“定向边界框”（Oriented Bounding Box），这种包围盒考虑了对象的方向，因此可能会更紧密地匹配不规则形状。

（d）表示有某种形式的边界优化（可能是通过某种算法，如K-DOP，K向离散方向多面体，其中K=3表示边界框使用3个方向的平面）。

（e）是一个旋转矩形框，它比普通的AABB更紧密地匹配对象，但计算上可能更复杂。

通常，可以通过代价函数（）来评估不同包围盒的性能优劣

这个公式可以代表总成本（）的计算，它将不同类型的成本相加。每个参数都与成本相关的某个方面相对应：

： 代表了普通包围盒的数量，可能是指在场景中使用普通包围盒（如矩形盒）的对象数量。

​： 每个普通包围盒的计算代价，这个代价可能包含计算这种类型包围盒的复杂度或所需的资源量。

​： 轴对齐边界框（AABB）的数量，这是特定类型的包围盒数量。

​： 每个AABB的计算代价，相对于普通包围盒，AABB可能有更优的性能，代价也可能不同。

​： 定向边界框（OBB）的数量，是场景中使用OBB的对象数量。

​： 每个OBB的计算代价，因为OBB通常更精确，所以计算代价可能比AABB要高。

： 使用优化的边界框（如K-DOP）的数量。

​： 每个优化边界框的计算代价，这可能是所有包围盒中最高的，因为它提供了最精确的匹配和最优的性能。

： 直接成本，可能是与计算包围盒相关的固定成本，比如开发成本、维护成本或基础设施成本。

表3.2-1展示出综合考虑多个因素后，对不同包围盒进行的定量分析结果。

在为三维皮影戏系统的皮影制作应用设计碰撞检测算法时，应考虑场景中物体的几何属性、动态行为、数量规模、是否存在变形等因素，以及算法的实时性和准确性之间的权衡。通过分析可以挑选出最适合的包围盒算法以实现高效的碰撞检测。

3.2 皮影戏中实时软光照

基于物理特性的全局光照算法所得到的效果图有较高的真实度，路径跟踪和光子映射是两个基于物理特性且比较有影响的的两个算法，后续有一些列算法均由此演化而来。除此之外，在全局光照算法中，光照效果是决定最终渲染图的主要元素。本研究使用阴影算法中的PCSS（Percentage-Closer Soft Shadows）过滤器，用于生成区域性软阴影效果，以及PCF（Percentage-Closer Filtering）过滤器，该过滤器实现了均匀软阴影的渲染。利用强大的降噪器，极大提高基础过滤器性能，充当可分离的过滤器，并具有带有双边滤波和边缘容差的屏幕空间无限的 Frustum Shadow。此外，选择蓝噪声或抖动，采样器稳定在屏幕空间，因此阴影采样器在保持时间友好同时做到抖动更少。

3.3 皮影角色的建立

手绘效果图是一种通过手工绘制来呈现设计构思的艺术形式，广泛应用于环境空间、时尚服饰、工业产品以及游戏开发等领域。在本研究中，我们采用了数位板进行手工绘图，通过这一技术，我们将皮影戏的模型进行数字化处理，首先将其分解为不同的部位，然后逐一进行提取。皮影模型的数字化转换的次序是：头部到胸部；再由胸部分别连接两侧上臂到下臂；胸部往下连接腹部；腹部分别连接两侧腿和脚。因此在创建皮影模型时，也应遵循这种分部件的制作方法。构建皮影模型的第一步是解析皮影的结构特点。接着，利用3DMax这一三维建模软件来创建皮影的各个部件，整个流程包括三个主要步骤。

（一）轮廓导出：逐步创建工作路径→设定容差值→将路径导入Illustrator→制作出格式为.ai的文件。

（二）模型创建：首先将之前存储的ai格式文件加载到3DMax软件中。在视图控制区域可以观察到皮影的二维轮廓线框。随后，对这些轮廓进行挤出处理，从而生成三维的皮影模型。

（三）纹理贴图：在模型简单创建之后，就进入到材质编辑阶段。首先，在3DMax软件的修改器列表中选择 UVW贴图，然后在材质编辑器中为刚刚建好的武松头模型进行“有贴图的真实材质”编辑，最后通过移动、旋转和缩放操作完成贴图操作。

4 讨论与展望

本研究是将虚拟现实技术应用于中国传统文化——皮影戏。通过计算机技术创建模拟环境，其是一个集成了多源信息、具备交互功能的三维动态视觉场景和实体行为模拟的系统，它能够让用户获得身临其境的体验。随着三维仿真技术的不断完善和普及，其优越的三维展示能力和灵活的扩展性等优点，能够有效解决现有列控系统在其生命周期中遇到的诸多问题。就动态全局照明技术和阴影算法问题的实践仍可不断优化以实现更优化的效果，例如可优化皮影戏中实时光照使得皮影戏更加真实；在制作皮影步骤尝试不同碰撞检测算法，实现更为真实的仿真模拟状态。

参考文献：

[1]袁茜茜，吕星月，冯大权等.基于技术驱动与服务创新的虚拟现实产业发展研究[J].中国工程科学，2024，26（01）：35-44.

[2] 许桢.基于虚拟现实的高精度仿真技术研究[J].信息记录材料，2023，24（12）

[3] 胡力文.全局光照算法在室内设计中的研究及应用[J].现代计算机（专业版），2016（23）：54-56.

[4] 陶海凡.数字设计时代手绘效果图的发展与应用[J].新美域，2022（01）：100-102.