宋代水運(yùn)儀象臺圖像復(fù)刻與虛擬展示設(shè)計(jì)

薛艷敏 靳濤 周毅暉

摘要：提升宋代水運(yùn)儀象臺虛擬展示設(shè)計(jì)的沉浸性、交互性。實(shí)地調(diào)研、測繪，將三維建模和動畫、360全息投影等三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于水運(yùn)儀象臺的虛擬展陳。真實(shí)復(fù)刻出其虛擬模型，呈現(xiàn)出虛擬立體的數(shù)字圖像，完整且清晰地展示了其外觀構(gòu)造和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。數(shù)字化技術(shù)為展示水運(yùn)儀象臺的千年風(fēng)貌提供了新的方式，對于中華文明史上杰出科技的保存與傳播有積極的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水運(yùn)儀象臺；數(shù)字化；全息投影；虛擬展示；展示設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-0069（2024）07-0028-05

Abstract：Improving the immersion and interactivity of the virtual display design of the Song Dynasty Astronomical Clock Tower. Field researching， surveying and mapping， applying 3D modeling and animation， 360 holographic projection and other 3D digital technologies to the virtual display of the Astronomical Clock Tower. Its virtual model is truly reproduced， presenting a virtual threedimensional digital image， which completely and clearly shows its appearance structure， internal structure and mechanical operation status. Digital technology provides a new way to display the millennium style of the Astronomical Clock Tower， and has positive reference significance for the preservation and dissemination of outstanding science and technology in the history of Chinese civilization.

Keywords：Astronomical Clock Tower；Digitalization；Holographic projection；Virtual show；Exhibition design

前言

水運(yùn)儀象臺是以水為動力來運(yùn)轉(zhuǎn)的集計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)、天象演示和天文觀測為一體的大型天文計(jì)時(shí)儀器。由北宋科學(xué)家蘇頌和韓公廉設(shè)計(jì)，于宋哲宗元祐初年（公元1088年）建成[1]。其中天關(guān)天衡天鎖傳動裝置類似現(xiàn)代鐘表的擒縱器，英國的李約瑟認(rèn)為其“很可能是歐洲中世紀(jì)天文鐘的直接祖先”[2]，享有“世界第七大發(fā)明”之稱[3]，代表著中國古代機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的高水平。在近代，國內(nèi)外積極展開了水運(yùn)儀象臺實(shí)物復(fù)原的研究活動。1935至今，劉仙洲、王振鐸等研究學(xué)者的水運(yùn)儀象臺復(fù)原工作取得了階段性的成功[4，5]。在水運(yùn)儀象臺的科普展陳中，傳統(tǒng)方式主要以實(shí)物復(fù)原、文字解說、視頻解說伴隨簡單交互為主，對觀者的吸引力較弱。從科普展陳的角度出發(fā)，新媒體技術(shù)與水運(yùn)儀象臺展陳的結(jié)合是主要途徑之一。本文在宋代水運(yùn)儀象臺展陳設(shè)計(jì)中，嘗試結(jié)合數(shù)字化建模、動畫與360全息投影技術(shù)，為觀眾提供直觀、舒適、新穎的觀展體驗(yàn)，讓文物的展陳內(nèi)容更具魅力和吸引力。

一、宋代水運(yùn)儀象臺展陳現(xiàn)狀

宋代水運(yùn)儀象臺于元祐年間設(shè)計(jì)制造完成，毀于戰(zhàn)火。20世紀(jì)三十年代開始進(jìn)入到研究學(xué)者的視野中，歷經(jīng)數(shù)十年的時(shí)間，劉仙洲、王振鐸等多位研究學(xué)者完成了水運(yùn)儀象臺的復(fù)原工作[4，5]。水運(yùn)儀象臺蘊(yùn)含了千年以前古人的智慧結(jié)晶，亟待向世人展示。博物館是水運(yùn)儀象臺展陳的主要渠道之一，目前水運(yùn)儀象臺的展陳方式有兩種：以實(shí)體為主的展陳和虛擬的線上展陳。

（一）實(shí)體為主的水運(yùn)儀象臺展陳

依博物館與新媒體技術(shù)的結(jié)合程度可以分為以下3種情況：實(shí)物+解說詞；實(shí)物+界面交互；實(shí)物+專題展覽。主要以文物的實(shí)物展陳為主，借助新媒體技術(shù)，將思想與藝術(shù)結(jié)合起來，博物館展陳形式變得有生命力，能夠表達(dá)更深層次的文化信息和內(nèi)容[6]，增加了參觀者與展品之間的互動。

1.實(shí)物+解說詞

實(shí)物+解說詞是最傳統(tǒng)的展陳形式。盱眙鐵山寺天文科技館內(nèi)放置水運(yùn)儀象臺實(shí)物模型，外輪廓的窗戶是透明玻璃，能夠看到內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)（圖1）。此類展陳可以科普水運(yùn)儀象臺歷史背景、社會地位、三大功能，但認(rèn)知門檻較高，單項(xiàng)靜態(tài)的科普方式無法吸引觀眾的目光，科普效果不佳。

2.實(shí)物+界面交互

實(shí)物+界面交互的展示形式出現(xiàn)時(shí)間比上面的稍晚。上海天文館內(nèi)展示的水運(yùn)儀象臺是將一面的外輪廓撤掉，方便觀眾觀看內(nèi)部細(xì)節(jié)，但存在護(hù)欄，無法臨近觀看全部的內(nèi)部構(gòu)造（圖2）。旁邊放置一個(gè)電子顯示屏，播放展示視頻、音頻，觀眾操作顯示屏，可以完成對運(yùn)轉(zhuǎn)中的三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等交互動作。國家授時(shí)中心內(nèi)展陳的水運(yùn)儀象臺模型，正面大小門可以推開，能觀看水運(yùn)儀象臺的多寶樓、渾象部分內(nèi)容，但無法完整觀看內(nèi)部細(xì)節(jié)（圖3）。旁邊的電子顯示屏中有其展示視頻，觀眾可以進(jìn)行簡單交互。此類展陳觀眾無法完整觀看到內(nèi)部構(gòu)造，簡單的界面交互不能夠吸引足夠多的觀眾，展陳方式也已過時(shí)。

3.實(shí)物+專題展覽

專題展覽是全方面、多維度的科普水運(yùn)儀象臺的展陳形式。開封博物館宋代科技展專題展廳內(nèi)放置一座1：1復(fù)原的水運(yùn)儀象臺，觀眾可以通過外輪廓櫥窗觀看內(nèi)部構(gòu)造，但無法觀看二層渾儀、頂層渾象的細(xì)節(jié)，頂部有一個(gè)星圖，模擬星空（圖4），為觀眾帶來了極強(qiáng)的視覺沖擊力，從視覺、聽覺、觸覺角度帶來沉浸感。中國科學(xué)技術(shù)館中的專題展覽，內(nèi)置實(shí)物模型，還有拆解的內(nèi)部構(gòu)造，可以與觀眾進(jìn)行互動（圖5）。此類展陳觀眾互動性強(qiáng)，觀展效果好，但場地面積要求高，場景布置費(fèi)時(shí)費(fèi)力，復(fù)刻成本高，不適合巡展。

（二）虛擬為主的水運(yùn)儀象臺展陳

數(shù)字化時(shí)代的到來為展陳設(shè)計(jì)提供更多方案，博物館展陳設(shè)計(jì)焦點(diǎn)改變了“重物輕人”的觀念，更加“以人為本”，表現(xiàn)為非實(shí)物展示和空間功能的復(fù)合化，以期與觀眾能夠更好互動[7]。水運(yùn)儀象臺虛擬展陳結(jié)合新媒體技術(shù)，相較于傳統(tǒng)展陳而言，能滿足觀眾獲取知識需求的同時(shí)，能夠獲得愉悅感，有更好的參觀體驗(yàn)。目前有以下幾種虛擬展陳形式。

1.“水運(yùn)儀象儀（VR）”

大宋水運(yùn)儀象臺VR交互軟件（HTC vive），簡稱水運(yùn)儀象儀（VR），由北京盛開互動科技有限公司研發(fā)，2017年上線。主要分為五大板塊：動力機(jī)構(gòu)、報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)、渾儀、渾象、內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每個(gè)板塊均可以獨(dú)立點(diǎn)擊播放，旁邊配備解說詞和演示視頻，通過操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、移動等，實(shí)現(xiàn)三維影像和用戶的交互（圖6）。目前該產(chǎn)品已經(jīng)下架。此類型展示形式便于觀眾隨時(shí)隨地觀看，科普效果強(qiáng)，但缺乏完整的運(yùn)轉(zhuǎn)展示流程，但是屏幕展示方式較為常見，缺乏新穎感。

2.水運(yùn)儀象臺VR體驗(yàn)展

蕪湖科博會VR科技館于2018年4月舉辦VR體驗(yàn)展，內(nèi)有水運(yùn)儀象臺VR體驗(yàn)區(qū)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，結(jié)合便捷式3D頭戴VR顯示器，實(shí)現(xiàn)對水運(yùn)儀象臺從整體運(yùn)行原理到各部件的三維展示，并帶給使用者更加真實(shí)的交互體驗(yàn)。此類展陳方式新穎，用戶參與感強(qiáng)，觀展效果好，但需要佩戴VR設(shè)備，不適合所有人。

3.水運(yùn)儀象臺數(shù)字藏品

2022年4月14日，開封市博物館聯(lián)合某公司在Art Meta元藝數(shù)平臺上發(fā)行館藏“水運(yùn)儀象臺”數(shù)字藏品，售價(jià)19.9元，限量10000份，3秒即售罄（圖7）。2022年6月9日，上海天文館（上海科技館分館）在螞蟻集團(tuán)旗下鯨探平臺上線數(shù)字藏品—— “世界上最早的天文鐘的縮比模型·水運(yùn)儀象臺”，讓觀眾把熱門藏品“帶回家”（圖8）。此類方式宣傳效果強(qiáng)，但是并未科普水運(yùn)儀像臺具體內(nèi)容，需要觀眾主動探索。

綜上，水運(yùn)儀象臺的復(fù)原工作取得了較大的進(jìn)展，但實(shí)體的展陳和虛擬的展陳都有較大的提升空間：以實(shí)體復(fù)原模型為主的展陳方式有諸多不便，例如，內(nèi)部細(xì)節(jié)觀看不到、需要講解人員、場地的需求較高等。觸摸屏可以簡單介紹其運(yùn)轉(zhuǎn)原理，但是只展示拆分出來的幾個(gè)主要部分運(yùn)轉(zhuǎn)，缺乏連貫性，簡單的界面交互體驗(yàn)感不足。以虛擬為主的展陳中，App功能豐富，內(nèi)容完整，但沒有完整的運(yùn)轉(zhuǎn)展示，只是拆分之后主要系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)展示；VR體驗(yàn)中沉浸感強(qiáng)，但觀眾需要配備VR裝備，對于其身體素質(zhì)有一定要求，觀展人數(shù)多時(shí)需要排隊(duì)等候；數(shù)字藏品是一張圖片，只有宣傳、收藏效果。

本文采用三維建模技術(shù)和360全息投影技術(shù)，在360°全息投影柜中呈現(xiàn)立體的、有運(yùn)轉(zhuǎn)功能的數(shù)字化產(chǎn)品，結(jié)合動畫技術(shù)，向觀眾清晰完整地展示水運(yùn)儀象臺的內(nèi)部構(gòu)造、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、歷史背景等，增強(qiáng)豐富性、故事性和藝術(shù)性 ，助力優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的保護(hù)和傳承。

二、基于三維建模技術(shù)的水運(yùn)儀象臺虛擬復(fù)刻

宋代水運(yùn)儀象臺將前人的智慧凝聚在了一起，結(jié)構(gòu)上以天柱為主轉(zhuǎn)動軸，“一機(jī)帶三器”，其中上層渾儀觀測天象、中層渾象球模擬天象運(yùn)轉(zhuǎn)，具有現(xiàn)代“轉(zhuǎn)儀鐘”和“天儀球”的功能，渾象球隨天象轉(zhuǎn)移而自動報(bào)告時(shí)刻，從而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的變速、換向的傳動系統(tǒng)[8]。整臺儀器高約12米，寬約7米，上窄下寬，分為三層，呈塔樓狀構(gòu)造，十分精巧。主要分為計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)系統(tǒng)、演示天象系統(tǒng)、觀測天象系統(tǒng)。對水運(yùn)儀象臺結(jié)構(gòu)、裝置的全面細(xì)致建模，完成結(jié)構(gòu)復(fù)刻是虛擬展示的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)和制作團(tuán)隊(duì)通過多次實(shí)地觀測國家授時(shí)中心的水運(yùn)儀象臺實(shí)物模型、反復(fù)觀看其解說視頻，測繪其尺寸比例、外觀造型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，使用CINEMA 4D 軟件進(jìn)行三維建模及貼圖等，共建模完成962個(gè)構(gòu)件，裝配形成擁有計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)、演示天象、觀測天象復(fù)雜功能的裝置，實(shí)現(xiàn)了水運(yùn)儀的數(shù)字化復(fù)刻。下面從以下幾個(gè)部分對模型進(jìn)行展示。為了更加清晰地展示數(shù)字模型各個(gè)裝置的內(nèi)部構(gòu)件、組成方式等，展示的圖9至圖19均是基于以上模型導(dǎo)出各部分的外輪廓線稿圖。

（一）外輪廓復(fù)刻

圖9是本文制作模型所生成的外輪廓線稿圖，底部為臺基，支撐整個(gè)建筑。中間層為主要組成，分為前后左右四面，前面觀眾可以看到多寶樓、渾象、渾儀，設(shè)有兩扇大木門，四扇小木門，除此之外還有門枕、門欖、護(hù)欄等裝飾物。其余三面均為窗戶與木制骨架構(gòu)成，方便觀看內(nèi)部細(xì)節(jié)。渾儀置于頂層，設(shè)有木制屋頂一座，以防日曬雨淋，為了方便人員使用渾儀觀測天象，屋頂有數(shù)塊隨時(shí)拆卸的屋板，是現(xiàn)代天文觀測室的雛形。

（二）動力裝置復(fù)刻

（二）基于三維動畫技術(shù)的水運(yùn)儀展示視頻制作

為了更生動地展示水運(yùn)儀象臺的構(gòu)件關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動畫特效的設(shè)計(jì)和制作可以創(chuàng)造出實(shí)物展陳中無法觸及的效果演示。例如，在形象認(rèn)知展示中，直接顯示部件缺乏趣味性，本文采用生長動畫輔助展示，從以下3種類型進(jìn)行表現(xiàn)。

1.線動成體（圖22）。多數(shù)采用線動成體的方式。線條生長跟隨攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)，按照旋轉(zhuǎn)順序依次生長，其中有穿插一些隨機(jī)性，線框構(gòu)建完成，實(shí)體逐漸出現(xiàn)，線條同時(shí)漸隱。打水輪、主軸增加點(diǎn)動成線。

2.破碎動畫（圖23）。渾儀屋頂、渾象球是線框生長完成之后，增加破碎動畫，逐漸構(gòu)成屋頂，之后線條逐漸消失。

3.由無到有（圖24）。主軸上的樓層，先生成線框，再按照由下而上的順序，樓層從無到有，依次出現(xiàn)，在結(jié)束時(shí)增加顫動標(biāo)簽，使其運(yùn)動形式更貼合運(yùn)動規(guī)律。樓層上的時(shí)間標(biāo)簽由底層開始，按照攝像機(jī)運(yùn)動軌跡，由無到有依次出現(xiàn)。亭臺的銅鈴跟著亭臺一起出現(xiàn)，出現(xiàn)時(shí)會搖晃，并一直持續(xù)。

（三）基于360全息投影技術(shù)的立體虛擬展示

基于數(shù)字建模和動畫技術(shù)的虛擬展示將水運(yùn)儀像臺的展陳從實(shí)體轉(zhuǎn)為數(shù)字化，從靜態(tài)轉(zhuǎn)化為動態(tài)，基于360全息投影技術(shù)的立體虛擬展示則可從平面轉(zhuǎn)化為空間，二者結(jié)合使觀眾從本能層次發(fā)出主動的意向，促使行為層次的產(chǎn)生，觀眾從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃樱行嵘擞^展體驗(yàn)[11]。

圖25是本文定制的360全息投影展示柜，根據(jù)場地大小、在保證展陳效果不變的前提下，提前設(shè)計(jì)展柜尺寸，觀眾不會出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，保證觀展體驗(yàn)。360全息投影柜可以定制不同尺寸和外觀，打破既往水運(yùn)儀象臺展陳設(shè)計(jì)的空間問題。展示柜分為底座、中間投屏區(qū)域、上方視頻播放源。外形參照水運(yùn)儀象臺，中間部分挖空，作為展示區(qū)域，視覺效果相當(dāng)于兩米外60寸顯示屏的效果。其原理是在上方一整塊的顯示屏等分為4個(gè)相同的等腰三角形，同時(shí)播放制作好的前后左右4個(gè)角度的視頻，視頻通過金字塔形的全息投影玻璃進(jìn)行反射與衍射，匯集到一起后形成具有虛擬的空間影像（圖26）。在360°全息投影柜體四面裝有觸摸屏，可360°展示水運(yùn)儀，交互界面分為水運(yùn)儀象臺外形、大風(fēng)車結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、計(jì)時(shí)原理4部分。觀眾通過操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、放大、移動等，加強(qiáng)交互。

為達(dá)到立體的虛擬展示效果，本文制作4個(gè)角度的動畫視頻。首先在CINEMA 4D軟件中設(shè)置好攝像機(jī)動畫，以模型為中心陣列四臺攝像機(jī)，分別輸出4臺攝像機(jī)的渲染好的序列幀，在AE軟件中合成視頻，并添加圓角矩形蒙版，用以結(jié)合展示柜效果，取消視頻有可能產(chǎn)生的邊緣效果。對于有復(fù)雜穿插鏡頭的展示，不宜設(shè)置4個(gè)方向的攝像機(jī)，因?yàn)闀饒D像干涉而影響觀眾體驗(yàn)，只能將正攝像機(jī)制作的視頻備份為4份，同時(shí)播放在360全息投影展示柜上方的顯示屏。

立體展示設(shè)計(jì)中，基于CINEMA 4D軟件的三維建模從形狀、紋理、色彩、比例等方面，將水運(yùn)儀象臺如實(shí)、細(xì)致地模擬出來，在360全息投影展示柜展示，為觀眾呈現(xiàn)懸浮的虛擬圖像，可使觀眾站在展示柜的四周隨時(shí)觀看展示細(xì)節(jié)，大大加深其對展品的印象和記憶?？臻g立體的虛擬展示圖像為水運(yùn)儀像臺展陳提供更新的發(fā)展方向。

結(jié)語

本文通過對宋代水運(yùn)儀象臺的深入調(diào)研、測繪和研究，基于三維數(shù)字化建模和動畫技術(shù)構(gòu)建出水運(yùn)儀象臺的三維模型和動畫視頻制作，完成水運(yùn)儀象臺虛擬演示視頻，結(jié)合360全息投影技術(shù)，為觀眾呈現(xiàn)出虛擬立體的數(shù)字圖像，利用360全息投影展示柜的界面交互，實(shí)現(xiàn)具有沉浸性、交互性的水運(yùn)儀象臺虛擬展陳設(shè)計(jì)，全面且清晰地展示了其外觀構(gòu)造和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，完整展示其運(yùn)轉(zhuǎn)流程，豐富了水運(yùn)儀象臺展陳體系，為展示塵封已久的水運(yùn)儀象臺千年風(fēng)貌提供了新的方式，對于中華文明史上杰出科技的保存與傳播有積極的借鑒意義。

基金項(xiàng)目：陜西省社會科學(xué)基金一般項(xiàng)目（2020J049）

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