張昕怡,丁長河,張海營

(1.武漢音樂學(xué)院 音樂學(xué)系,湖北 武漢 430060;2.湖北文理學(xué)院,湖北 襄陽 441053)

0 引言

隨著元宇宙和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與成熟,運用數(shù)字化虛擬技術(shù)合成并重構(gòu)世界,讓觀眾沉浸在特定空間內(nèi),通過藝術(shù)情景的融合與重現(xiàn),為觀眾創(chuàng)造出一個全新的文化體驗場域,已經(jīng)成為當(dāng)前傳統(tǒng)文化傳播與傳承最為流行的一種模式[1]。曾侯乙編鐘被稱為是“稀世珍寶”,代表著中國傳統(tǒng)音樂文化的巔峰成就。但是,由于編鐘原件仿制品數(shù)量有限,曾侯乙編鐘專業(yè)的現(xiàn)場演奏活動只能在少量特定的場館開展,對大多數(shù)人而言,現(xiàn)場欣賞或演奏編鐘的機會極少。因此,如何結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù),對曾侯乙編鐘演奏場景進行虛擬化模擬與轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)曾侯乙編鐘的沉浸式虛擬化演奏,成為國內(nèi)外學(xué)者研究的前沿課題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù),它利用計算機生成一種模擬環(huán)境,是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的仿真系統(tǒng)[2]。在虛擬現(xiàn)實的3D場景開發(fā)中,Java 3D提供了3D圖形應(yīng)用編程接口,程序員可以輕松完成3D場景控制組件的編寫。Java 3D實際上是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的擴展,在Java 3D所描述的虛擬世界中,各種三維元素按照特定規(guī)則被有序地組織起來,構(gòu)成Java 3D虛擬架構(gòu)系統(tǒng)。也可以這樣理解Java 3D程序的工作原理:在3D場景中有許多模型,例如房子、演員、道具等,而最終顯示的畫面是由某個觀察者所觀察到的圖像[3]。除模型與觀察者外,3D場景中還需要有照明光源,否則三維世界將是一片漆黑。此外,聲效也是虛擬現(xiàn)實不可缺少的一部分,是虛擬現(xiàn)實場景設(shè)計的關(guān)鍵。在交互式虛擬體驗中,這些元素共同組成虛擬現(xiàn)實3D場域。

2 曾侯乙編鐘虛擬演奏平臺的設(shè)計思路

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與成熟,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的空間仿真功能開辟了人類交流的新場域。為實現(xiàn)曾侯乙編鐘虛擬演奏仿真體驗的目標(biāo),在曾侯乙編鐘虛擬演奏平臺開發(fā)中,首先,需要借助3D MAX建模工具完成曾侯乙編鐘原始演奏廳的等比例建模;其次,借助Java 3D編程技術(shù),開發(fā)虛擬世界中編鐘演奏的三維互動控制組件,并從視覺、聽覺和交互設(shè)計等多方面完成曾侯乙編鐘沉浸式虛擬體驗場景的設(shè)計。同時,根據(jù)編鐘音樂文化傳承和演奏體驗的需求特征,曾侯乙編鐘沉浸式虛擬體驗演奏平臺設(shè)計包括:編鐘沉浸式虛擬演奏系統(tǒng)、編鐘歷史文化講解系統(tǒng)、編鐘研究文獻閱覽系統(tǒng)和編鐘音樂網(wǎng)上點播系統(tǒng)4個模塊。

3 曾侯乙編鐘虛擬演奏平臺的模塊設(shè)計

3.1 編鐘沉浸式虛擬演奏系統(tǒng)

曾侯乙編鐘虛擬演奏系統(tǒng)是將3D建模和Java 3D編程技術(shù)相結(jié)合,根據(jù)真實的編鐘演奏場景和樣式搭建的曾侯乙編鐘虛擬演奏廳。該系統(tǒng)不僅可以還原編鐘演奏帶來的視覺與聽覺特征,還可以讓訪客在虛擬場景中體驗敲擊演奏編鐘音樂的效果[4]。系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵內(nèi)容如下。

(1)3D場景建模。曾侯乙編鐘的建模工作是從編鐘音樂廳陳列的編鐘原型復(fù)制品中,獲取到每類編鐘的三視圖,然后借助三維軟件3D MAX進行編鐘樂器建模,制作出鈕鐘、甬鐘、鍵鐘以及曾侯乙編鐘三維模型。為了使3D場景設(shè)計更加便捷高效,本設(shè)計選擇杭州先臨三維科技公司開發(fā)的可變分辨率彩色3D掃描儀,對編鐘等樂器貼圖并添加材質(zhì),搭建編鐘演奏三維場景,實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)場場景的等比例復(fù)制。

(2)音源采集。編鐘具有一鐘雙音的特性,為了實現(xiàn)編鐘虛擬場景下敲擊音效的互動體驗感知,設(shè)計者需要對64件編鐘(曾侯乙編鐘共有65件單體鐘,其中,64件具有音律屬性,大镈鐘沒有音律屬性)的每一件鐘體的正音和側(cè)音進行逐一編號采集,完成編鐘音源的原聲采集,并按照音律的高低和屬性分布存儲。在后續(xù)演奏互動中,當(dāng)訪客敲擊編鐘鐘體時,系統(tǒng)會將本次采集的原音作為發(fā)聲音源,進行系統(tǒng)化控制,以編鐘原音音符呈現(xiàn)給訪客[5]。

(3)虛擬演奏互動的編程控制。設(shè)計者借助Java 3D編程技術(shù)和Python編程軟件,通過軟件程序的智能控制,讓體驗者能身臨其境感知虛擬空間中敲擊編鐘的演奏體驗,實現(xiàn)虛擬環(huán)境下演奏(敲擊)編鐘音樂的設(shè)計目標(biāo)。

3.2 編鐘歷史文化講解系統(tǒng)

曾侯乙編鐘代表著古代人民的高度智慧和精湛技術(shù),為了讓訪客完整了解編鐘文化內(nèi)涵和價值,本課題設(shè)計了編鐘歷史文化講解系統(tǒng)。該系統(tǒng)嵌入編鐘發(fā)掘過程、編鐘制作工藝、編鐘音律特征、編鐘歷史考古發(fā)現(xiàn)等視頻內(nèi)容。訪客通過編鐘虛擬演奏平臺的顯示觸摸屏,可以全面觀閱編鐘歷史發(fā)展進程,深度了解中國編鐘文化知識內(nèi)涵,實現(xiàn)編鐘文化知識普及與推廣。

3.3 編鐘研究文獻閱覽系統(tǒng)

當(dāng)前,編鐘文化已經(jīng)成為考古界、音樂界學(xué)者關(guān)注的焦點。借助知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索,編鐘方面的文獻研究共742篇,尤其自1978年曾侯乙編鐘發(fā)掘以來,編鐘研究文獻呈現(xiàn)指數(shù)級增長。為了更好地傳承傳播編鐘文化,引發(fā)更多人參與編鐘文化的傳承之中,本平臺在編鐘虛擬演奏廳內(nèi)建立了編鐘研究文獻閱覽系統(tǒng),精選出編鐘研究的經(jīng)典文獻供訪客線上翻閱,在訪客游玩的過程中,更好地傳播編鐘文化專業(yè)知識。

3.4 編鐘音樂網(wǎng)上點播系統(tǒng)

為了讓進入虛擬展廳的訪客更便捷地聆聽編鐘音樂,系統(tǒng)收集整理了編鐘演奏的視頻與音頻等數(shù)字化資源,建立編鐘音樂曲目庫,設(shè)計編鐘音樂網(wǎng)上點播系統(tǒng)。系統(tǒng)將編鐘演奏名曲,如《東方紅》《茉莉花》《春節(jié)序曲》《我的祖國》《中國功夫》等發(fā)布至編鐘音樂點播平臺,線上免費分享。該系統(tǒng)的開發(fā)不僅可以提高民眾對編鐘樂曲的認識,擴大編鐘音樂的社會影響,還可以彰顯編鐘音律的魅力,促進編鐘文化的傳播與推廣。

4 曾侯乙編鐘虛擬演奏系統(tǒng)的控制程序設(shè)計

4.1 在網(wǎng)頁上展示虛擬演奏3D場景的方法

Java 3D最大特性是可以使用Applet作為顯示容器。以下代碼顯示了如何在Applet中顯示虛擬演奏3D互動場景。

Public class HelloUniverse extends Applet {

private SimpleUniverse u=null;

public BranchGroup createSceneGraph(){//創(chuàng)建虛擬演奏場景圖

BranchGroup objRoot=new BranchGroup();

......//設(shè)置虛擬演奏場景圖的代碼略

return objRoot;

}

public void init( ) {

....../虛擬演奏系統(tǒng)顯示配置代碼略

Canvas3D c=new Canvas3D(config);

add("Center",c);

universe=new Simple Universe(c);

;//創(chuàng)建簡化的虛擬演奏系統(tǒng)空間

u.addBranchGraph(createSceneGraph();

//向虛擬空間中添加虛擬演奏場景圖

4.2 編鐘虛擬演奏互動中編鐘音節(jié)音高的控制方法

為了實現(xiàn)虛擬場景下曾侯乙編鐘虛擬演奏體驗,平臺在完成編鐘虛擬場景設(shè)計之后,借助編程方式,對虛擬場景中編鐘敲擊后的音源響應(yīng)進行智能化控制。本課題借助Python編程技術(shù)創(chuàng)建發(fā)聲觸發(fā)點,訪客在編鐘虛擬場景中觸碰某一編鐘鐘體后,即觸發(fā)給鐘體預(yù)先錄制的音源?？刂瞥绦蛉缦?

from playsound import playsound

def play_sound(note):

sound_file = "編鐘鐘體對應(yīng)的編鐘音源文件路徑"

playsound(sound_file)

觸發(fā)編鐘音符播放的觸發(fā)點后,系統(tǒng)需要對音符播放的音高和延音時長進行控制。為此,可以借助Python的pygame模塊實現(xiàn)音頻播放音高的調(diào)解,配合time庫可以實現(xiàn)編鐘音符延續(xù)時長的智能化控制。編碼如下:

from pygame import mixer

pygame.mixer.music.play()

time.sleep(10)

pygame.mixer.music.stop()

借助以上編程控制方法,可以實現(xiàn)多個音節(jié)之間切換開啟與中止的控制,借助Python的fadeout(time)模塊可以實現(xiàn)音節(jié)的淡出處理,解決演奏過程中的爆音問題。

與此類似,其他3個模塊也可以借助Python網(wǎng)絡(luò)編程和MYSQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

5 結(jié)語

本課題借助3D場景建模技術(shù)、Java 3D技術(shù)和Python編程技術(shù),根據(jù)現(xiàn)實曾侯乙編鐘演奏場景,完成了曾侯乙編鐘虛擬演奏平臺的搭建。該平臺不僅還原了編鐘的視覺感知和原聲音符,讓體驗者可以在虛擬場景中近距離欣賞編鐘的外形特征,還可以讓訪客體驗敲擊編鐘的聲音音效,實現(xiàn)在虛擬場景中演奏編鐘的愿望。本課題設(shè)計的曾侯乙編鐘虛擬演奏平臺,可以更好地推進我國編鐘樂器與現(xiàn)代科技的融合,最大限度地激發(fā)廣大音樂愛好者對編鐘音樂的熱情,拓展編鐘音樂文化傳播的深度和廣度。