网络虚拟展馆的设计实现与发展趋势

2020-08-13惠阳

艺术科技 2020年16期

摘要：传统展馆业受天气、交通、费用的影响正逐步走向衰落，随着计算机技术、网络技术及虚拟现实技术的发展，网络虚拟展馆应运而生。本文分析网络虚拟展馆与传统展馆的异同，提出构建网络虚拟展馆的关键技术及实现方式，经过几何建模、碰撞检测与交互设计搭建完整的虚拟展馆，最后从注意力传播的角度探讨网络虚拟展馆未来的发展趋势。

关键词：网络虚拟展馆;虚拟现实;交互设计;碰撞检测;注意力传播

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2020）16-00-04

0 引言

传统展会需要参展商将展品带到现场，策展、布展会花费大量的物力、财力。然而，受天气、交通、时间等因素的限制，展馆受众十分有限。随着web3.0（第三代互联网）、计算机技术、虚拟现实技术的普及，网络虚拟展馆打破了这些限制，受众可自由选择时间、环境在线观看各种各样的展览。虚拟现实技术为受众提供了真实的虚拟展览环境与虚拟展品，受众可以通过鼠标、数据头盔等设备漫游其中，多角度观看展品，并与虚拟展品进行交互，获得与真实观展环境相似的虚拟展馆漫游体验。

1 网络虚拟展馆的特点与分类

随着虚拟现实技术的不断成熟，虚拟展馆应运而生。网络虚拟展馆不受时空的限制，能够随时随地让受众观赏展品，实现展馆的信息化。2010年上海世博会的网络布展使网络虚拟展馆走进大众的视野，随后，出现了诸多虚拟博物馆、数字博物馆、非物质文化遗产网络博物馆等网络虚拟展馆。

虚拟展馆不是实体展馆的刻板复刻，而是对虚拟网络环境及观赏模式的拓展和补充。与传统展馆相比，虚拟展馆更具自主性、便利性及互动性。在自主性方面，受众可以根据自己的时间选择感兴趣的网络虚拟展馆进行观展;在便利性方面，虚拟展馆打破了天气、交通等限制，受众足不出户便可漫游虚拟展馆;在互动性方面，受众可以通过数字化文字、图片、视频甚至多感官通道全方位了解展品情况，感受观览乐趣。网络虚拟展馆还将“共享”理念融入其中，受众来自世界各地，可以共享信息，相互交流，也解决了传统展馆客流量受限的问题和安全问题。因此，网络虚拟展馆与传统展馆相比，具有从静态到动态，从单个到多个，从被动到交互以及从离线到在线的巨大技术优势[1]。

虚拟展馆架设技术成熟，国内外已相继建立多個虚拟展馆。从表现形式上可分为二维图文展览式与三维虚拟仿真式。

二维图文展览式就是用图片和文字的形式传达展品信息，加上简单的游戏互动实现与受众的交流，成本低、信息量大。例如，中科院计算机网络中心旗下的中国科普博览网站就收录了70多个虚拟展馆，这是中国最早搭建的虚拟展馆群。但二维图文展览式展馆最大的缺点就是视觉效果差，虽然信息量庞大，但趣味性弱。因此三维虚拟仿真式展馆更受人们欢迎，成为虚拟展馆发展的主流[2]。

三维虚拟展馆即以三维的形式搭建场景空间，采用虚拟现实技术让受众可以在展馆中漫游，与展品形成互动，给受众带来身临其境的感受与强烈的视觉冲击。中国第一个通过互联网展现历史文化景点的虚拟场馆“虚拟紫禁城”自2008年正式推出后就受到了全社会的广泛好评，网友坐在家中，连接互联网，即可足不出户游览故宫博物院，并与展馆、展品进行互动交流。

随着虚拟展馆技术的发展与成熟，其商业价值也得到了开发商的认可与关注，各种大型展会在互联网上开展。疫情期间，虚拟博物馆的漫游及互动体验更是为足不出户的受众提供了丰富的精神文化食粮。

2 构建网络虚拟展馆的关键技术

2.1 虚拟现实技术

虚拟现实是20世纪末出现的计算机交互技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器等多项技术指标，为用户搭建逼真的多感官虚拟世界，使用户与虚拟世界实时互动，给用户带来身临其境的感受。虚拟现实是信息技术全新的研究方向和领域，随着5G时代的到来，通过人机交互方式实现数据交换，模仿虚拟的三维世界成为可能[3-4]。随着相关产业的发展，截至2020年3月，中国网民数量已突破9亿，这为在线展馆的建设提供了有力的后盾[5]。

虚拟现实具有“3I”特性，即沉浸性、交互性与想象性，它们在虚拟展馆中可充分展示给受众。沉浸性是受众在观览过程中沉浸在计算机搭建的虚拟环境中，感受到与真实观展一致的视、听、触、嗅觉信息，产生的身临其境之感。交互性是虚拟现实产生沉浸感知的必要因素，是受众进入虚拟展馆开始与计算机或与计算机中的产品产生信息输入并获得反馈的感知。想象性是指漫游的场景不是真实存在的，需要依靠大脑的构想创建一个虚拟的仿真环境。

2.2 VRML概述

VRML（Virtual Reality Modelin Language，虚拟现实建模语言），它提供交互式3D图形，完整的编程功能以及网络访问权限[6]。VRML是建立虚拟现实系统最常用的建模语言，它可以通过计算机浏览架构好的虚拟三维模型，同时部署到具有开放接口的VR设备上[7]。VRML语言的运用把三维模型带入互联网，用户通过浏览器与互联网即可访问虚拟场景，并与场景内的物体进行交互。因此，VRML为虚拟环境的互联网展示提供了非常有力的支持。

VRML语言创建的环境以浏览器为平台，可以为受众提供多重节点，分层建模减少网络效能、压缩文件大小，并具备强大的交互功能与多语言接口，便于后续开发。提供了外部编辑口，从而可以在外部直接操作、控制、修改虚拟世界中的场景。虽然在模型搭建上，VRML不如专业三维软件精细，但由于其生成文件容量较小，操作更加流畅。

3 网络虚拟展馆的设计与实现

搭建网络虚拟展馆首先需要完成整体构架，其次细分功能，最终通过人机交互实现受众在虚拟环境中的漫游。

3.1 创建几何模型

对虚拟环境、虚拟物件进行几何建模是构建虚拟现实系统的基础[8]，场景的真实度与建模的精细程度息息相关，因此一般采用专业的三维建模工具进行贴图与建模，其强大的兼容性可以使虚拟现实技术简单地实现。

首先，明确模型层次。对具体建模场景及需求进行分析，明确模型层次与区块，将建模场景划分为粗模型与精细模型。其次，创建几何模型。需要精细建模的模型尽量使用精确的几何形体创建模型细节，要粗建模的模型要尽量使用面数较少的几何体构建，这时创建的模型还只是一个未加任何修饰的模型。这个过程完成了几何建模的工作，但是并没有层次感和立体感[9]。再次，简化模型。去除模型中多余的多边形，减少数据量，利用最少的多边形创造真实的环境。第四，贴图。对精细度要求比较低的造型，可以用简单的贴图代替建模，减少面数，优化性能。

3.2 网络虚拟展馆交互技术的实现

网络虚拟展馆能使受众身临其境地感受周围的虚拟环境并与之产生互动。在建模过程中，需要运用视点绑定与跟踪技术、造型与信息交互技术等。

3.2.1 视点绑定与跟踪技术

受众通过浏览器进入虚拟环境，应将受众视角作为第一视角，为了准确定位场景和造型，需要设置造型视点（Viewpoint），受众在浏览器中通过视点切换到理想的视点。在多视点环境中，需要采用视点绑定技术快速定位，当受众通过单击鼠标等方式与已设置视点的场景中的特殊位置或造型接触时，视点就被切换到当前位置。VRML提供了一种实现这种机制的技术就是视点绑定技术[10]。

在架设网络虚拟展馆时，一般存在多路径、多方式浏览，在架设系统时可以设置最优游览路径。再解释一下插值标定或传感器标定。插值标定是利用VRML插值器创建导览路线，通过鼠标点击特定视点标定位置，在预设主路线上漫游;传感器标定是接近传感器获取受众位置，在虚拟环境中感知受众从进入到退出的行为，确定长方体区域动作，模拟受众的视角。

3.2.2 造型与信息交互技术

造型交互技术，即受众的操作与虚拟造型模型之间的反应操作，当浏览器感知到受众的行为后，场景中的各种造型模型会对用户的行为产生回应。VRML可以采用两种方法实现虚拟环境与受众之间的互动，即检测器+插值器或监测器+Script节点实现最终的人机交互。

受众在虚拟环境中漫游时，可以通过虚拟展品获取设计中的隐含信息。例如，受众在观看一个虚拟展品的时候，可以360°旋转观看，还可以调取与展品相关的视频、图片信息等。VRML同时提供音源文件的引入，利用Sound（声音）节点设置音源位置与播放方式，AudioClip（用于播放音频剪辑的简单抽象）和MovieTexture（电影纹理）节点即可。

3.3 网络虚拟展馆的碰撞检测

虚拟环境的流畅度与沉浸感在很大程度上受碰撞检测机制的影响，完善的碰撞检测可以避免很多问题，让受众的浏览更加流畅。在碰撞检测扎起测试过程中，一般需要对检测及响应进行测试与判断。检测需要发现在虚拟环境中是否存在人与物、物与物之间的交叉碰撞，并对其定位，碰撞响应则是在碰撞发生以后的响应机制[11]。

碰撞检测主要检测的是几何模型之间相交产生的碰撞，一般采用层次包围盒算法或空间分解法。不论采用那种碰撞检测办法，目的都是尽可能地减少相对应的几何元素对。层次包围盒算法得到广泛使用，是因为它的基本思想与碰撞检测的模式完全一致。选用一些比被测集合对象略大，但仍可以还原事物本身的集合体进行层次建模，然后用几何体将其包围起来，用包围盒不断逼近需进行碰撞检测的对象来测试两者之间是否相交，从而进一步简化和剔除并未产生碰撞的几何体边缘，并且对碰撞相交的部分进行检测，可以加快检测的效率，提升系统运行的速度，压缩文件。

4 网络虚拟展馆的发展趋势

展馆是收藏、展出、保护展品的重要场所，虽然它并不是一项大众传播媒介，但仍然具有信息传播的功能。随着网络虚拟展馆技术的成熟，虚拟展馆的传播模式将会从原本的展品展览模式向注意力模式转变。注意力传播模式认为：“信息源（传播者）不是设法传递信息或信念，而是对传播效果不加理会，只想抓住观众的注意力。它意味着，既没有意义的传递，也没有意义的分享，更没有在传播者与接受者之间加深联系。受众消磨在媒介上的时间，是衡量注意力的主要标准……”[12]随着互联网的普及，在大量信息数据的冲击下，受众很难有效地获取需要的信息。信息的泛滥已经超过了受众注意力可以承受的范围，受众的注意力很难长期集中在一個地方，这种现象使注意力成为一种稀缺资源[13]。虚拟展馆的出现，给受众带来了强烈的信息冲击，不同以往的展览，采用沉浸、交互的方式展出，可以让展品以类真实的状态展现在受众眼前。虚拟展馆的发展日趋成熟，在网络、虚拟现实、交互设备等软硬件条件的支持下，未来的网络虚拟展馆将会进一步强调沉浸感，实现多感官感知模式的发展，让受众实时感知海量数据，获得完全身临其境的体验。通过游戏、交互等途径，吸引受众的注意，实现信息的传播是未来网络虚拟展馆的发展方向。

5 结语

虚拟现实技术的快速发展为社会的发展、人们多通道感知世界提供了更广阔的空间。随着科学技术的不断发展，虚拟现实相关技术的硬件性能也在不断上升，开发难度逐渐变小。作为文化传播的新形式，网络虚拟展馆的便利性会随着科技的发展进一步得到凸显。研究信息传播到注意力传播的转变过程，我们有理由相信，网络虚拟展馆将会给未来的传播模式带来巨大的变革。

参考文献：

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[4] DOUG A . BOWMAN，LARRY F . HODGES. 形式化的设计、评估和交互设计在沉浸式虚拟环境中的应用[J].视觉语言与计算杂志，1999（10）：5-7.

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[11] 冯少云.基于web的虚拟展馆的设计与实现[D].北方工业大学，2012.