塔里木大学西域数字博物馆的设计与实现

王龙龙　司春景

【摘 要】数字博物馆是博物馆与现代信息技术和网络技术相结合的产物，是博物馆在新技术革命的条件下进一步发展的趋势。针对塔里木大学西域文化研究院藏品的特点和实际需求，首先介绍了系统中数字化的内容，然后就该系统的设计要点进行了说明，随后概述了系统实现的功能，其中塔里木大学西域数字博物馆的虚拟展示平台是研究的重点，对于西域文化及自然文化遗产信息资源的采集、存储、传输、展示利用等的研究具有重要意义。

【关键词】数字博物馆；三维建模；虚拟显示；网络优化；无缝拼接

0 引言

“西域”一词，始见于西汉，位于亚欧大陆中心地带，作为东西方交通的要塞，中国本土宗教、印度佛教、伊斯兰教以及基督教四种文化在这里交融荟萃，经过历史的积累和熏染，集聚起丰富多彩的文化。塔里木大学西域文化研究院已然发展成为南疆地区综合型历史类博物馆。博物馆内部收藏有来源于新疆各地区大量珍贵文物、图片以及文字资料。馆藏藏品总量达到1936件，其中实物871件，场景复原13件，图片743张，表格9幅，另有库存300余件。塔里木大学西域文化博物馆与目前国内许多高校内部博物馆的情况类似，由于资金、场地和安全因素的影响，多年来博物馆利用率不高，其价值特别是科研和教学价值没有得到充分利用。塔里木大学数字博物馆利用多媒体技术，通过文本、音频、视频、图像、和动画形式充分展现了藏品所承载的知识[1]，并借助计算机三维成像技术和人机交互技术实现了资源的更快，更广泛的传播、交流和共享[2]。

本文针对数字化博物馆对藏品和场馆绘制的真实感和场景交互性要求，以及塔里木大学西域数字博物馆的实际需求，着重讨论了以下几个关键问题：一是，系统数字化内容；二是，系统设计；三是，系统的实现功能。

1 数字化技术

塔里木大学西域研究所所藏文物具有文物标本延续时间长，文物质地多样，标本来源复杂，涉及文献资料众多，信息化内容丰富、形式多样等特点。根据以上特点，运用藏品信息，将馆藏文物的文本、音频、视频、图像、和动画等各种数字化技术手段得到的资料通过计算机录入，对文化遗产资料收集整理并归档，建立文化遗产数字化档案，为数字化保护奠定基础；运用计算机三维成像、动画等技术手段重新展现西域文化遗产的历史演变过程；运用数据挖掘技术，建立文献资料与文物本身的关联，深入研究文化遗产内涵；通过计算机网络、多媒体等途径，进行文化传播，实现文物本身价值的传播、交流和共享。

1.1 平面数字化

运用平面化技术实现对已建立的三个馆藏西域文物数据库平面化[3]。首先通过图形图像处理软件对数据库中的图片进行处理，处理后的图片更加清晰地反映文物相关内容。其次，可以运用计算机技术对文物图像、视频和音频等资料进行重新拼接，形成可视化的动态视频，或将文物的历史背景以及其包含的传奇故事通过动漫情景或者画面展现给游客。

1.2 三维立体数字化

通过计算机三维成像技术对西域文物整体到局部的三维建模、贴图、灯光设计和渲染等仿真性设计与展示[4]。一方面可为游客提供一种全新的浏览方式，在不直接接触到文物的前提条件下，游客可以全方位的观察到文物的各个细节部分；另一方面为文物保存的层面上，通过计算机技术对馆藏文物的所有基本信息做了备份，以防文物在意外中损失可以通过备份信息恢复和修复；同时，通过计算机备份的所有馆藏文物的信息，可以提供给考古工作者进行全方位的研究，增大博物馆三维数字化后的作用。

1.3 西域数字化博物馆系统

将计算机技术应用到博物馆领域，拓展了博物馆针对不同类型文物的存储方式以及管理方法。通过数字博物馆系统，游客不在受时间地点的限制，只需通过网络便可以轻松的进入到数字博物馆内部了解到该馆馆藏文物；利用互联网技术，此系统还为大众提供了免费欣赏珍贵文物的机会。将所有的数据及其资料收集整理，建立文物展示平台，实现对文物的保护、利用和开发。

2 系统设计

2.1 系统结构

到实地通过数码摄像机拍摄所需实景或通过史料以数字化方式获取所需的图片，将这些数据导入计算机并用Photoshop软件按照需求规格进行处理，并对处理过的数据进行压缩、简化，作为模型的纹理贴图。采用3DS MAX进行展厅建筑和内部展示模型的三维建模，对建立好的模型进行纹理贴图。建立西域文化数字博物馆的大体布置，将建立好的模型进行组合。对建立起的MAX场景进行灯光渲染全景出图，并导入Pano2VR全景图像转换软件中，制作能够在网页中进行浏览的馆内全景flash文件。添加传文件热点，使虚拟展厅具有交互能力，并利用热点增强HTML和flash文件之间的通讯，以达到更好的交互效果，完成系统的网络发布。通过优化整体的flash文件，拟建立基于3DS MAX的西域文化数字博物馆漫游原型系统，并实现自动漫游。其系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 三维建模技术

2.2.1 基础模型的建立

基础模型的建立是通过对标准的几何体和扩展几何体的挤出、伸缩、变形、平滑等操作进行基础模型的建立，此类模型的建立包括两种方式。其一，利用3DS MAX已有的模型进行简单模型的创建。其二，精确建模或键盘输入建模。首先通过测量工具得到展厅内部的具体数据（包括展厅的长、宽、高以及窗户和门的尺寸），利用Auto ACD制图软件得到展厅的平面图，在导入.DWG文件之前，将3DS MAX的系统单位设置为毫米，将在Auto CAD中修改好的线框图.DWG文件导入到 3DMax 里，删除不需要的辅助线与标注图层。在3DS MAX中选择墙体边框线并施加挤出修改器，设置具体的高度并修正其他各项参数。此方法不仅可以通过精确的尺寸来建立标准的模型，还可以确定模型的相对位置，西域文化博物馆的大多数展柜就是利用这种方法实现。

2.2.2 多边形建模

3DS MAX多边形建模方法，优点制作的模型占用系统资源最少，运行速度最快，在较少的面数下也可制作较复杂的模型。通过将面转化为三角形面，并且添加平滑修改器，以增加网格的面数，得到更加精确的模型，并且在制作过程中，最大限度的减少对计算机资源的消耗，节省运行空间。西域文化博物馆的沙盘就是利用可编辑多边形修改器制作出。首先利用平面工具，制作一个1500mm*3000mm的矩形平面，平面细分设置为120*240，将其转化为可编辑多边形，进入点层级，选中沙盘边缘的点向下拖动，将沙盘的轮廓制作出来。进入多边形层级，选中中间部分的面，添加噪波，设置噪波种子数量，分别设置X、Y、Z轴的偏移量，退出多边形层级，为模型添加平滑网格修改器，并设置阈值为2，完成沙盘模型的建立。

2.2.3 NURBS建模

NURBS是一种非常优秀的建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。在制作类似茶壶的曲面模型中比多边形建模更加方便，模型面数得到有效控制。首先创建一条cv曲线作为壶体的基线，利用工具箱创建车削曲面，其次做一条cv曲线做为壶嘴的基线，同时在做出一个圆，并将其转化为NURBS，最后创建双轨扫描，得到完整的壶嘴效果。同理壶柄和壶盖同样利用以上方法得到。在3D建模的内部空间用曲线和曲面来表现轮廓和外形，可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤，瓦罐等。

2.2.4 特殊建模

除了上述三种方法外，本研究还应用了几种特殊建模方法，包括：置换贴图建模、动力学建模、Hair and Fur毛发系统、Cloth布料系统等。为了减少在建模过程中消耗过多的时间切不影响模型的质量的前提下，提高建模效率应当遵循的原则：在保证直观视觉效果下的精度，尽量采用较少多边形建模。同时，建模过程中应当分别建模，针对同一模型尽量分解为不同的部位分别建模，方便后期为模型添加材质灯光效果过程中的各项操作。以得到逼真的模型效果。

2.3 无缝拼接技术

Pano2VR全景制作软件可以将3DS MAX中输出的场景文件进行无缝拼接，将数张有重叠部分的图像拼成一幅大型的无缝高分辨率图像。打开Pano2VR将3DS MAX输出的图像拖入其中，并且将其转化为立方体片面，设置工程文件的平移、俯仰、视场的角分别为0.0、0.0、70.00，进入交互热点控制面板，选择多边形交互热区，绘制出需要添加的热区面积，并且设置标题栏（$ut=user data：title）、URL（$hu=hotspot URL）。选择输出格式为.html，点击输出拼接完成的图像文件。

2.4 网络优化技术

文件的大小通常是由场景规模的大小决定的。场景越复杂导致文件越大，以至于在网络上加载所耗费的时间就越长。在相同的页面中，如果场景加载所花费的时间过长，那么场景制作的再逼真，通过网络访问博物馆的游客必然会失去耐心从而放弃对它的访问。因此，虚拟场景文件应在确保浏览质量的前提下，尽量减小场景文件的小以便控制场景加载所用的时间。针对塔里木大学西域数字文化博物馆场景文件进行优化时，应进行多重分辨率渐进浏览增加层级数量的设置，输出后的.swf文件较之3DS MAX文件大小有了极大的改进，从而降低了客户端的加载负担及增大了网络传输效率，可在访问者进行访问时实现局部到整体的浏览。

3 系统实现

塔里木大学西域数字博物馆系统主要由三部分组成：西域文化研究所网站、信息管理系统和虚拟展示平台。

西域文化研究所信息管理信息系统以数据库系统为核心，提供了针对博物馆相关多媒体信息以及主要文物信息的录入、查询、修改和删除等功能，为博物馆网站和虚拟平台的搭建提供了数据支持。

博物馆虚拟展示平台是系统核心，利用在博物馆数字化过程取得的所有模型的数据，通过虚拟现实技术和人机交互技术，对外提供对更加人性化的展示方式，对博物馆环境和文物藏品的保障得到了进一步的提升。

博物馆网站（http：//www.xywhyj.net/）是该系统的主要展示平台，游客可以通过终端设备对数字博物馆进行访问。博物馆网站以数据库为后台驱动，虚拟展示为手段，一方面可以查看博物馆相关文物的资料，另一方面可以通过动画演示和三维模型进行文物的全方面展示。

4 结论

本文概述了塔里木大学西域数字博物馆的设计和实现的基本过程和关键技术。系统采用JSP动态网站开发平台、SQL Server2005数据库开发平台、3DS MAX三维建模软件和Pano2VR全景制作软件实现，并使用了多种设计模式，减少了数据冗余，增加了三维模型的真实感，进行了图像之间的无缝拼接，实现了网络优化，为数字博物馆的设计和实现提供了一条新的思路。目前，已完成的塔里木大学西域数字博物馆系统已经投入使用，获得了良好的效果。

目前本系统采用的是鼠标交互式漫游，用户可以通过鼠标的移动在网页上进行博物馆的浏览。多通道的人机界面技术[5]是采用头盔显示器、立体眼镜、三维鼠标和数据手套等虚拟现实设备，利用手势、语音、感觉反馈等新的交互技术与计算机进行交互，旨在提高人机交互的自然性和高效性。如何利用多通道交互技术加强沉浸感要在接下来的工作中进行研究和实现。

【参考文献】

[1]Alonzo C Addison. Emerging Trends in Virtual Heritage[J].IEEE Multimedia， 2000，7（2）：22-25.

[2]Yong-Moo Kwon， Ig-Jae Kim， Sang Chul Ahn， Heedong Ko， Hyoung-Gon Kin. Networked 3D Virtual Museum System[J].Journal of System Simulation， 2003，15（3）： 301-305.

[3]石庆秘.武陵地区文化遗产数字化保护的方法探析[J].前沿，2010，272（18）：177-180.

[4]刘广涛，吴升.基于X3D的场景交互技术在虚拟生物博物馆中的应用[J].系统仿真学报，2008，9（20）：348-351.

[5]董士海，王坚，戴国忠，等.人机交互和多通道用户界面[M].北京科学出版社，1999.

[责任编辑：王楠]