基于三维技术的虚拟展厅的设计与应用

唐翠兰 陶 欣 陈泰东

（韶关学院教育技术系，广东 韶关 512005）

1 引言

虚拟展厅是基于三维技术的一种高互动3D虚拟现实环境，可以让使用的人体验到一种足不出户便如同亲临现场的感觉。虚拟展厅运用三维建模的技术，通过运用照相机对现有场景进行各种不同角度的拍摄，根据照片参考建立基本模型，再利用后期程序技术加工渲染，最后得到360度任意浏览的立体虚拟实景。现如今网络发展迅速，越来越多人在选择传统展厅之外，会有机会接触虚拟展厅。而随着科学技术的发展，三维技术的运用也越来越成熟，加上高真实度的虚拟漫游系统和极致体验感的交互环节，虚拟展厅将越来越快地进入大众的视野，被大众所接受。

2 研究背景

2.1 传统实体展厅的不足

进入大数据信息高速时代，传统实体展厅的不足逐渐显现。传统实体展厅的主要形式为实体、静态形式。参观者需要亲身实地移动到展厅所处的地理位置，然后进行实地的参观浏览。在这个过程中，参观者需要移动自身的位置，并且在路程上也要花费时间金钱，最后再进入实体展厅参观。

传统实体展厅在没有导游的情况下，参观者只能通过展厅的固定静态文字信息以及图片，再结合摆放好的实体物品自行参观研究。对于已经陈列摆放好的物品或景物，若无法对其进行人为移动，则难以进行全方位全角度的参观欣赏。

对于传统实体展厅所展示的信息，只有具体规模上已展示出来的文字或者图片，无法再即时进行拓展，内容十分有限。若参观者想要更快更全面地了解自己想要研究的相关信息和资料，则无法快速地进一步浏览和查询。

在便捷程度上，传统的实体展厅可能还需要提前预约，在路上的时间也将有所消耗。若人流量较大的情况下，参观者也无法随心所欲地根据自己的节奏计划进行详细的研究欣赏。

综上所述，传统实体展厅可能已经无法满足部分新兴企业以及新时代网络用户的需求，另外，对于不具有充足时间、缺乏足够精力，以及金钱预算不充裕的参观者来说，受限于时间和地理环境的不可抗力因素，也是传统实体展厅的不足。

2.2 虚拟展厅的优势

首先，相比传统的实体展厅，虚拟展厅的优势在于不需要在固定的时间与固定的地点进行。因此大大缩小了虚拟展厅在时间地点上的限制。只要使用者拥有相应的设备，就可以在任意时间地点进行虚拟展厅的参观，且不限时长。

其次，不同的虚拟展厅可以展现完全不一样的功能，这些功能甚至可以一键切换，快速移动、翻阅、转移等。根据设计者制作的虚拟展厅，可以自动播放相关信息、历史资料等等，提供智能导游功能。参观者可以得到全方位详细的关于展厅的介绍。而且虚拟展厅还可以更好地进行内容传播，可以被不同的企业或行业所运用，能够以较低的消费门槛进入观众的视野，从而达到宣传、普及教育知识的目的。

再次，建立在三维模型基础上的虚拟展厅，可以对物品以及展览品进行全方位的解读和展示。使用者可以通过操纵软件使得展览品360度翻转，可以看到静态实体物品所看不到的背面或底面细节等等，通过缩放功能也可以使三维物品进行放大缩小，观察细节或者是全景。这对于需要用不同的方式研究观察物体的使用者来说，是非常大的优势。

虚拟展厅独有的强大交互性能，也能为使用者增强使用感受。因为虚拟展厅是虚拟信息和物品的展现，且能够进入大数据互联网，所以当使用者想要了解关于某个产品的更具体信息和来源时，只需要轻轻一点，就可以对物品的各种详细信息一览无余。使用者也可以通过不同链接看到更多关于产品的信息。若升级体验效果，还可以伴有人声解读，或者是身临其境般的效果音和影片展示等等。

3 三维虚拟漫游实现的可行性

3.1 三维建模技术的实现

在实际建模之前，我们将要对建模对象和环境进行拍照采样等操作（图1）。首先去到实地考察并确定虚拟展厅的大致地形，对地理面貌进行全方位观察并汇总，直至可以达到作为建模参考的标准（图2）。对于全方位广角地理环境与地形的观察理解，可以采用无人机技术或者是使用卫星所拍摄的高清晰图。对于花草树木等自然景观，无法做到完全一致的，尽量选择贴近原貌并且无违和感的进行三维创作。

图1 三维建模虚拟展厅流程逻辑图

图2 地形建模

在基本的三维建模技术中，可以采用虚幻引擎。虚幻引擎是游戏公司EPIC开发的一款有助于三维建模设计的专业软件，是一个面向游戏机以及个人电脑的完整游戏开发平台，此软件提供了游戏开发者所需要的大量核心技术、数据生成工具和基础支持等。虚幻引擎提供了软件3D Studio Max以及Maya将模型传入虚幻引擎中，而其中拥有的贴图坐标、网格拓扑信息、材质名称、平滑组、骨骼结构和骨骼动画数据等也能置入其中。虚拟引擎所具有的可视化地形编辑器，还能够实时展现地形的变化，这是非常强大且实用的一项功能。

所有在现代数据编辑工具中使用的基本功能，虚幻引擎都具备，如：多层撤销/重复功能，拖拽，拷贝粘贴，自定义快捷键和颜色配置，视图管理等等。

在虚幻引擎中建模的大多数角色都是由两个网格模型建立的：一个是具有几千多边形的实时网格，一个是有数百万多边形的细节网格。在这里虚拟引擎提供了一个分布式计算的程序，它可以对细节网格进行光线跟踪，并且从高多边形几何结构中生成一张法线贴图，在游戏中赋予其实时网格。这种技术所带来的成效是在游戏中的网格即便带有高多边形网格的所有光影细节信息，也依然可以十分容易地实时渲染。例如，使用法线贴图实现的超过1亿个三角形的效果，最后实际上只有50万个三角形。虚幻引擎还包含了案例过程部分和100%的源代码，其中就包括引擎本身、编辑器、Max/Maya导出插件和所有该公司内部开发的游戏代码。

因此在虚拟展厅的三维建模上运用到虚拟引擎技术，将会大大提高建模的速度和效果。且运用该技术时，将不用过多考虑三维模型的面数限制，这也全面提高了建模的自由度。

之后，在对应拥有相关建筑的地方建立简单基础的模型，确定其比例和位置。然后再将做好的整张地图包括建筑一起，导入到常用的三维建模软件如3D Max或Maya中。对主要的房子建筑、装饰等模型，继续进行细化的修饰建模。在建模的步骤完成后，就继续展UV，然后画贴图。在多人进行的合作工程中，三维建模的模型部分可以分工合作，可以大大加快工程进度。当最重要且基础的三维模型和贴图都完成以后，便可以进行打光操作，烘焙光照贴图，进一步提升环境氛围。上述的虚幻引擎技术可以实现动态全局光照，此项功能优化了我们的使用体验，但是仍存在光源溢出屏幕就不会发光之类的问题，因此打光之后还要进行烘焙光照贴图，然后再叠加使用lumen（动态全局光照技术）。

综上所述，三维建模技术可以完全适合运用到虚拟展厅的制作中。

3.2 虚拟漫游系统的实现

VR（Virtual Reality）即虚拟现实，是美国VPL公司创始人拉尼尔所提出的，是一种在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。而虚拟漫游系统主要是指在虚拟的环境下，用户进行简单操作，便可以实现一种模拟移动、漫游的效果。在不同场景的接入点置入移动触发点，便可以使用户在不同的场景间移动，实现转场效果。对于三维模型和墙体等等，需要设置为不可穿越，只留出可供用户移动穿梭的场地，便形成了漫游环境的通道。

3.3 交互环节的实现

交互是指计算机或多媒体程序可以通过编程人员或者使用者，通过编写好的程序以及发出指令控制程序与计算机的运行。程序在接受使用者的指令而后做出反应的这一过程及行为，称之为交互。利用虚幻引擎里的蓝图功能，可以更方便简单地实现一些基本的交互效果，甚至可以免除很多代码的输入设置操作。

以自动开关的门为例。创建蓝图后，打开蓝图的编辑页面，首先确认互动目标这个蓝图在世界场景（虚拟展厅）中的坐标原点，需要一个SceneComponent作为Root，也可以根据个人的习惯使用引擎默认的根组件，方法多样。之后需要一个StaticMesh放置建立的模型，这个模型拥有不同分工组件，需要在组件中添加相应的StaticMeshComponent并命名。根据门打开的方式来设置开门的速度和时间，创建对应的TimeLine组件。为了让使用者在远离门的时候不产生开门的状况，要加入BoxCollision组件，这个组件可以确认距离并作出对应程序反应。

虚拟漫游展厅一旦面向网络开放，则会有许多未接触过此项目的用户使用。为了让这些使用者更直观方便地使用三维虚拟展厅，应用程序的设置中最好加入基本的文字指引与操作提示，让使用者知道可以通过什么按键进行何种操作。因此我们在蓝图的制作时，可以添加相应的TextRender组件，以提供文字提示。最后总结一下对交互的要求，便可以对蓝图进行逻辑编写了。

虚拟漫游展厅的交互功能可以通过手柄控制，也可以使用VR眼镜设备的视觉停留点。如果所用的浏览设备是电脑端或者手机端，还可以用键盘或者点击来实现。

在制作虚拟展厅时，可以安排以下的交互效果：选择物品进行详细的信息罗列显示、放大缩小图片、弹出相关名词的解释或链接、提供地点快速转移的方式，以及各种依据用户操作而产生反应的效果。

4 三维虚拟展厅的应用

4.1 建模与漫游系统的结合应用

建模与漫游系统结合，即是利用三维建模这种方式构筑漫游的系统场景。以三维模型作为主要物体和背景，建立起可以供用户“漫游”的场所。三维展厅就是利用这种方式，构建出了一个可以让用户自行移动参观浏览的虚拟展厅。当模型场景完成之后，可利用后续的流程软件，搭建其内部的漫游系统。

在以建模为基础开展的虚拟漫游中，需要有以下几种特性：（1）仿真性

句中“爪牙之利，筋骨之强”，能翻译成“爪子和牙齿的锋利，筋骨的强健”吗？显然太别扭。倒过来，“利”和“强”分别作“爪牙”“筋骨”的定语，意思为“锋利的爪子和牙齿，强壮的筋骨”。

作为供用户游玩参观的展厅，其三维建模必须要达到一定的仿真性，要像现实那样可以看清图片，房屋材质，比例正确，不然则会像玩游戏一般脱离虚拟现实展厅的效果。

（2）可动性

用户在虚拟展厅中漫游时必须感觉到自己是真实可动的。在有道路的地方如若不能行走，则会显得十分突兀。当用户从一个场景位移到另一个场景时，如果衔接转换的效果不够流畅、过于拖沓，则大大降低了漫游的体验感。

（3）操作性

漫游展厅时对于展厅内部的模型部件可否操作、灯光按钮以及图片文字可否翻阅，也是影响展厅漫游效果的因素。更强的交互会带来更好的体验感，但过于虚拟非现实的设计如虚幻弹窗等等，又会使展厅脱离现实，显得过于魔幻。所以操作性的安排和设计，也是会影响三维建模展厅漫游种类和体验的特性之一，需要努力找到其中的平衡点。

建模与漫游系统的结合越自然流畅，整个三维虚拟展厅质量越高，带来的用户体验效果就越好。因此这两者的结合是十分重要且需要提升的关键。

4.2 配合VR设备后的实际应用

佩戴VR设备以后，用户将会仿佛置身于一个虚拟的现实环境中，四周360度都会是建好的模型场景。这种全景可视度不只是水平方向上的360度，而且竖直方向上的垂直360度都可以根据用户的头部转动而观测到。用户既能在展厅内抬头看见天花板和灯，也能低头看见地板。因此佩戴VR设备以后，配合头盔上的陀螺仪传感器，画面就会随着用户头部的转动而改变不同方向的画面，设置调整得越好，真实感越强。这样便能营造出虚拟环境里的“沉浸感”。

在虚拟展厅中，可以通过操作展示，让用户实现超越现实的体验操作，比如在文物上端浮空展现对应图片和文字信息，或者插入一段环境音效，让用户回归当时的气氛环境，这样会使整个参观过程更加具有震慑力和氛围感染力。

4.3 更多可应用情况

三维虚拟展厅建成以后，可运用到的范围很多。除了普通的作为某个展馆的线上参观方式以外，还可以起到宣传作用。三维虚拟展馆可以作为一种科普手段，让人们更加了解其中的知识，也可以作为一种有趣的游戏学习形式，让新时代的孩子更感兴趣更快接受，从而培养他们对于参观展厅和文物历史的兴趣。对于专业人士，虚拟展厅的资料和图片信息也更容易收集整理，可以全方位加上细节显示展品，起到了很好的辅助参考用途。

5 技术难点

基于三维技术的虚拟展厅，在制作过程中的难点如下：首先是建模的部分，建模作为一切的基础，同时也是虚拟展厅质量最直观的表现。要把模型建造地真实还原、符合现实原样，这是第一个完全依赖于技术的难点。其次是一开始对于虚拟展厅的设计，如确定布局、室外的地形高度、建筑分布距离等等，都是前期比较困难的地方（图3）。

图3 建筑高度与布局的确认

在材质方面，要收集每件文物或者建筑的材质图片，但是在铺建地形贴图时，追求良好效果的路线则会遇到一些技术难点，那就是地形材质用一张贴图在巨大地形上不断重复，会造成很明显的重复感。因为地形材质的映射方式为Z轴映射，所以在斜率高的面上贴图拉伸严重。解决方法是用几张不同大小的噪波叠加，然后控制地表材质亮度在0.5～1cd/m2内随机且不重复，这样就能获得不同的纹理变化，同时使用voronoi噪波（噪波类型）来消除重复效果（图4）。

图4 地面材质纹理置换

之后便是编程代码，交互和漫游系统的设置会出现难点，每样物体的可接触点、交互的效果、持续时间、漫游的范围控制与转场效果等等都要有详细的设定。最后所有的环节结合在一起，成为完整的虚拟漫游空间。

6 结语

三维虚拟展厅是基于三维建模技术和虚拟现实技术所建立的产品。在分析传统展厅的不足、虚拟展厅的优势的基础上，探讨了三维虚拟漫游实现的可行性，包括以下三种技术的实现方式，首先是三维建模技术的实现，建模的好坏是直观体现整个展厅质量的基础；然后是虚拟漫游系统的实现，虚拟漫游与VR结合，两者共同影响着用户的沉浸代入体验感；最后是交互环节的实现，交互环节的设置决定了用户可以操作的范围，也代表了一小部分可玩性，增强物体和图片文字的操作性，会让三维虚拟展厅的实用性更强。

对于三维虚拟展厅的应用，也作出了一定范围的讨论，探讨了建模与漫游系统的结合应用，以及配合VR设备后的实际应用。三维虚拟展厅的可应用范围很广，实用性强，便捷性也很大。三维虚拟展厅的设计与应用融合了多种技术，作为时代前沿的新兴品，三维虚拟展厅在未来的发展空间还会继续扩大。