基于虚拟现实技术的数字博物馆的开发与应用
2023-06-25王利丽李永驰
王利丽 李永驰
摘 要：中国传统文化博大精深，数字博物馆是推动传统文化传播的媒介和载体。通过数字交互技术，使用Unity 3D软件开发和制作数字博物馆，展示具有代表性的传统文化物品，通过与传统文化物品的交互，使人们在体验过程中认识和熟悉传统文化，交互馆中的人机交互方式和文化主题的游戏可以增加对传统文化的兴趣，从而在一定程度上起到弘扬中国优秀传统文化的作用，也是交互媒体在传统文化中的有益尝试。
关键词：传统文化；数字交互；Unity 3D；交互媒体；数字交互馆；数字博物馆
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0022-07
Development and Application of Digital Museum Based on Virtual Reality Technology
WANG Lili， LI Yongchi
（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China）
Abstract： Chinese traditional culture is broad and profound， and digital museums are the media and carriers to promote the spread of traditional culture. Through digital interaction technology， the digital museums are developed and produced by using Unity 3D software to display representative traditional cultural objects. Through interaction with traditional cultural objects， people can know and get familiar with traditional culture in the experience process. The human-computer interaction mode and cultural theme games in the interactive museum can increase their interest in traditional culture， thus playing a role in promoting Chinese excellent traditional culture to some extent. It is also a beneficial attempt of interactive media in traditional culture.
Keywords： traditional culture; digital interaction; Unity 3D; interactive media; digital interactive museum; digital museum
0 引 言
在信息技術飞速发展的今天，交互媒体应运而生。在技术层面，交互技术是一种通过计算机输入、输出设备，使人与计算机进行有效交流的一种技术。目前，传统展厅的交互媒体作品都以“介绍性”为主，即以很多的实物照片辅以文字，灌输式地向观者呈现出大量的传统文化实物。而这种传统的交互媒体作品往往会削弱互动的效果，不能为观者提供更好的互动体验。因此，基于数字交互媒体的创新性需求，以弘扬中国优秀传统文化为主题，使用Unity 3D等软件开发和设计数字博物馆。
1 虚拟现实技术的内涵和发展现状
1.1 虚拟现实技术的基本概念
虚拟现实（VR）技术是系列高新技术的交叉和融合，主要含计算机技术、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机交互理论、人体工程学等相关的多种重要技术。2021年三月中旬，具有“Metaverse（元宇宙）第一股”之称的罗布乐思在美国纽约证券交易所上市，以虚拟现实技术为核心的元宇宙概念热度高涨，脸书、微软、英伟达、高通、腾讯、字节跳动、华为等国内外巨头持续发力虚拟现实产业。而且已基本建立了从硬件、软件、内容、应用和服务的全产业链生态系统。
1.2 虚拟现实技术发展现状
1.2.1 发达国家虚拟现实技术发展现状
2021年10月28日，脸书首席执行官扎克伯格宣布将FACEBOOK正式改名为Meta，旨在全力打造“元宇宙”，其实早在2015年他们在虚拟现实（VR）实验室团队下成立元宇宙产品团队，持续在虚拟现实和增强现实及其他元宇宙相关领域进行产品服务研发；在2021年上半年，微软获得美国军队增强现实设备订单，价值大约有219亿美元，为美国军队提供了高达12万套军用设备；英伟达创建了Omniverse虚拟工作平台，已在建筑、娱乐、游戏等领域得以实现和应用，并在全球有大约2万的用户体验版。罗布乐思和Epic等美国游戏公司逐步加大对虚拟现实技术的资金投入，使全球虚拟现实头盔显示市场将保持强劲增长，据根据IDC的预测，2022年头盔显示出货量将同比增长大约30%，五年后，将会达到大约3 000万台，复合增长率约为41.4%。
1.2.2 我国虚拟现实技术发展现状
2018年，工业和信息化部发布了《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》推动了我国虚拟现实（VR）产业的飞速发展，持续突破重点核心技术，产品供给日益完善，应用创新生态逐步强盛，初步形成完整的虚拟现实产业链条雏形。同时国家政策红利、5G商用化“非接触式”经济的新需求等利好地客观因素也极大地推动我国虚拟现实行业应用加速落地。
在硬件优化和性能方面，逐步向轻薄化、超清化加速演进。近几年，虚拟现实终端市场急剧扩张，给虚拟现实产业的发展提供了较为有利的增长空间。虚拟现实设备的常见的显示分辨率、帧率、自由度、延时、交互性能、重量、眩晕感等性能指标日趋优化，用户体验感稳步提升。我国歌尔声学代工生产了全球大部分高端虚拟现实的头戴设备。华为发布了轻薄型的VRGlass，采用分体式设计，其佩戴部分的重量仅有166克，机身厚度仅26.6毫米。小米研发了单目光波导AR智能眼镜探索版，通过Micro LED光波导显像技术，可以实现信息显示，通话，导航和翻译等功能，而整机重量只有50克。小鸟看看公司也推出PicoNeo3VR一体机，具有6DOF的自由度，但头盔部分重量还不到400克。
2 数字博物馆的发展现状
2.1 国内研究现状及发展趋势
2022年3月份《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布，文物工作内容篇幅明显提升，两次提到“博物馆数字化”，数字化内容从第六篇提前到第五篇，明确提到“推动景区、博物馆等发展线上数字化体验产品，建设景区监测设施和大数据平台，发展沉浸式体验、虚拟展厅、高清直播等新型文旅服务。” 这些规划中的布局调整昭示着：文博数字化大发展的机遇已经到来，国家政策的倾斜和资金的支持会使我国数字化博物馆产业迎来崭新的、更为广阔的发展。
2.2 国外研究现状及发展趋势
随着计算机与虚拟现实技术的不断发展，简单的图片加文字的展示方式已经完全无法满足观众对数字化博物馆的参观需求，新的三维交互技术表现形式逐渐出现在观众的面前。以世界四大博物馆之首——卢浮宫博物馆为例，2019年是达·芬奇逝世500周年，卢浮宫便推出了一项《蒙娜丽莎：越界视野》的VR体验，以此来纪念这位优秀的人类巨匠。现场参观者可在虚拟空间里与这幅画作进行互动，观众将突破玻璃保护罩的限制，以一种全新的、革命性的方式近距离地欣赏这幅迷人的肖像作品，并完全沉浸于这副世界名画当中，获得独一无二的体验。人们也可以在线上平台的虚拟世界里，游一游卢浮宫博物馆，走进建筑大师贝聿铭所设计的玻璃金字塔入口，看一看意大利绘画区的大画廊，感受更多达·芬奇的作品和卢浮宫的其他珍藏。
在欧洲博物馆行业联盟发布的《未来的博物馆：来自10家国际博物馆的见解和思考》报告中指出，21世纪的博物馆与20世纪的博物馆不同，它不再是封闭的系统，而是科学、文化和区域关系中更广阔系统的一部分。未来的博物馆将会是集体性创作的产物，否则它将难以生存。数字创新提供了许多便利，促进博物馆与其所在社区之间的交流，提升可及性以及公众参与，使“遗产的数字化”对藏品信息的获取变得更加快捷，不断增加博物馆藏品的可及性。
3 虚拟现实技术在数字博物馆的开发与应用
3.1 场景的设计与布局
3.1.1 场景布局建模
本次设計的场景在3ds Max软件中制作完成，不同于其他的数字化博物馆，此设计的场景为一个书房，需要观者自己探索交互方式，此设计包揽了乐器、名画、民间艺术等八类传统文化的设计。利用3ds Max软件中的多边形（Polygon）建模将场景的结构制作出来，如图1所示，并通过可编辑多边形修改器进行建模。
3.1.2 场景优化
在保持场景轮廓不变的情况下，使用挤出、布尔、软选择、插入循环边等命令完善模型的细节，对模型的点、线、面进行调整。在完成模型的初步细化之后，对模型的布线再次调整，利用焊接顶点工具合并顶点，并将看不到的面剔除，以此来减少资源冗余。在优化后，利用清理工具对场景中大于四边的非法平面进行清理。在网上下载一些贴图素材，将贴图素材赋给建好的材质再将材质赋给模型，如图2所示。
3.1.3 Unity 3D搭建场景
Unity 3D支持多种标准和专有模型文件格式，Unity 3D内部使用FBX文件格式作为其导入链。故在3ds Max软件中完成场景的建立后，需要导出FBX格式，再将FBX格式的模型导入进Unity。接下来需要完善Unity场景，在Unity里添加环境和灯光，同时将在资源商店下载的一些小模型摆放到场景，使场景更真实。
3.2 界面UI设计
3.2.1 确定主题配色
中国古典配色，低调而有节制，高雅而不庸俗。在古人眼中，四季、节气、天地、生活处处都有动人的色彩，中国的传统色彩很多，本次设计作品中多采用了这种黄色系，黄色是中国传统五色中的一种，是帝王之色，在中国的传统文化中，黄色还有另外的意思，黄道吉日，寓意吉祥、万事如意，更增添了一种古典的魅力，故这种色系在传统文化的宣传设计中被广泛应用。
3.2.2 字体的选择和设置
在UI设计里，字体的选择不容忽视，一个页面里字体种类尽量不要超过3种，字体种类太多会使信息层级混乱，缺少主次；界面文字也要尽量少点，可以使界面更为整洁美观。
本次设计主要使用了3种字体，如图3所示，分别为方正FW筑紫明朝简体，属于旧式风格的宋体（明朝体），其特点是起笔顿落、收敛提勾，中宫的收紧使文字能超越图形形态，体现出文字自身的气质，衬托出汉字的丰富神态和浓郁的魅力；方正苏新诗柳楷秉承柳体，笔力雄浑，字迹娟秀，符合当代书法的设计法则，非常适合用于传统文化类的宣传设计，在充满古典韵味的乐器篇和名画篇均使用了这种字体；以及方正心海龙体，这种颜体楷书用笔以中锋为主，有含忍之力，起笔收笔以隐锋居多，形成了一种外刚内柔、苍劲有力的独特风格，用笔随意，不刻意顿挫，笔法自然流畅，精神内敛，却又能傲视古今，这也正是中华民族的民族精神所在。
3.2.3 界面排版
排版是界面设计中非常重要的一个环节，个人认为也是最难的环节，它按照内容呈现在界面上的方式不同，分为纯文本排版，图形文排版，图片文本排版等。一个好的排版不但可以把重要的信息有效传达给用户，而且还能在本次作品中提高用户的互动体验。
本次设计的交互界面基本都是图文排版，研究表明，人们通过图片获取信息的速度比通过阅读文字获取信息的速度要快很多。在Photoshop软件中导入自己制作的UI元素和网上下载的图片，再进行排版，再将排版好的背景图导入到Unity，从Unity里将那些UI元素再按照Photoshop中设计的排版进行摆放，如图4所示。
3.3 交互效果的实现
3.3.1 选择交互方式
中国优秀传统文化博大精深，仅用一个作品包揽所有的传统文化是不可能实现的，所以本次设计选择了几个具有代表性的传统文化，观者通过点击主场景的物体，可以进入到围棋篇、名人篇、文学篇、工艺品篇、乐器篇、民间艺术篇、名画篇、农历篇和书法篇这几个交互界面。
在围棋篇，放了一段关于围棋的小动画，可以使观者在短时间内了解围棋；在名人篇，以第一人称对山东各个城市的历史文化名人进行了介绍；在文学篇，列出了一些文学经典；在工艺品篇，观者点击一个展示品就可以720°全方位立体展示当前工艺品；在乐器篇，展示了中国十大传统乐器，观者通过点击不同的乐器，就可以听到不同乐器发出的声音；在民艺篇，展示了中国十大民间艺术，还制作了一个卡牌小游戏使交互过程更为娱乐化，提升交互体验感和趣味性；在名画篇，展示了中国十大名画，其中《唐宫仕女图》里包括5幅，所以十大名画其实有14幅，观者通过滑动屏幕可以选择和浏览喜欢的名画；在节气篇，设计了24节气排序的程序，增加了趣味性和益智性。
3.3.2 滑动列表的实现
3.3.2.1 控制列表按照页数滑动
构建Level Button Scroll Rect类来监测列表滑动开始和结束；调用IbeginDragHandler（拖拽開始）和IendDragHandler（拖拽结束）两个接口，这种拖拽相关事件需要提前引用命名空间EventSystems；
页面滑动通过使用Unity中的ScrollRect组件，最主要的属性是HorizontalNormalizedPosition（页面在水平方向滑动的值）和VerticalNormalizedPosition（页面在垂直方向滑动的值），根据此次项目需求，选用水平滑动组件；
定义pageArray数组来存储每一页的位置，滑动列表时，使用for循环判断到当前滑动的界面离数组里哪个页面最近，就直接显示到哪个页面。为了增加用户体验，在脚本上开放一个Float数据类型数值来控制页面滑动时的平滑度，命名为Smooth，使滑动效果不僵硬，更为平缓自然。
3.3.2.2 利用单选按钮控制列表滑动
创建ToggleGroup来存放单选按钮，如图5所示，因为本次作品中有十大民间艺术，所以有十个Toggle，分别定义按钮点击触发事件方法，将方法赋给Toggle。
此时已经实现了利用单选按钮实现页面跳转，但是鼠标拖拽页面切换的Toggle并不与之相通，因此还需定义Toggle数组来访问isOn属性，最后再给Toggle数组赋值。最终控制列表滑动功能完美实现，不仅可以鼠标拖拽，还可以利用按钮跳转，如图6所示。
3.3.2.3 “民艺”翻翻乐游戏的实现
翻翻乐游戏界面，该游戏的元素为中国民间艺术，如图7所示。游戏规则为随意翻转两张牌，一样的图案则记配对成功一对；图案不一样，则两张都恢复初始未翻牌状态，当所有纸牌配对成功后，则会自动洗牌，游戏重新开始，如图8所示。
玩家进入游戏后，界面上会显示系统自动初始化出的一组未翻开的民艺纸牌；点击纸牌将纸牌翻开，系统自动检测当前翻开的纸牌数，当翻开的纸牌数为2时会自动判断，若图案相同则算配对成功一对，若不同则两张纸牌在0.8秒后均恢复为未翻牌状态；重新翻牌直到全部配对成功，系统重新洗牌。
当有两张纸牌同时处于翻开状态时，则需要等待0.8秒的时间再点击其他纸牌，而在0.8秒之内，所有的纸牌点击都会失效，并且已匹配的纸牌无法再次翻转。首先，搭建翻翻乐游戏界面，卡牌池使用自动布局（Grid Layout Group和Content Size Fitter组件），4×4排列组合；其次，构建Card类，卡牌会有三种显示情况：未翻牌状态，已翻牌状态，配对成功状态。这三种状态用不同的图片来区分，均为Sprite类型；构建GameManager类，设计比对卡牌的清单、卡牌种类清单和已配对的卡牌数量，以比对成功后卡牌数量，判断是否重新洗牌；配置卡牌列表，随机排列卡牌（List
游戏开始会自动生成卡牌作为卡牌子物体，翻牌添加到数组（List
3.3.2.4 节气排序的实现
二十四节气是中华传统文化中不可或缺的一部分，它是农历历法中二十四个特定的节令，本次设计也为此设计了一个节气排序的程序。
当用户进入到节气排序界面后，会看到界面下方有24个待拖拽的节气图标，节气图标的顺序是被打乱的，图11为该程序流程图，依次拖拽节气图标至对应季节的正确位置，当图标接近正确位置时，底色会呈高亮显示，松开鼠标即可精准入位，否则将图标归回下方原位，图标全部精准入位后，弹出成功提示，可以选择再来一次。
节气排序功能增强了本次设计作品的互动性和趣味性，开发过程中需要将每个节气UI的目标位置精准记录，如图12所示；拖拽松放时判断UI位置，如图13所示，接近目标区时底色成高亮显示，松开将UI精准入位；同时制作设计成功提示和再来一次功能。
3.3.2.5 工艺品交互的实现
传统的物品展示交互界面多为平面式的图文编排，本次设计中的工艺品交互界面参考了国内著名博物院的官方网站，打破了展览橱窗的禁锢，采用三维式的展示，观者可以720°全方位欣赏工艺品，可放大观看工艺品的刻画细节，这种展示方式更为直观和方便。图14为交互编辑器逻辑图，开发过程如下：
（1）使用绕物相机实现用鼠标控制物体的旋转和缩放；
（2）控制物体的自动旋转和暂停；
（3）使用图片浏览器功能欣赏更多同类工艺品；
（4）控制文字介绍的显示隐藏和语音介绍的播放暂停。
3.3.2.6 名人篇交互的实现
山东，古为齐鲁之地，有着悠久的历史，在中华文明的发祥与发展过程中，做出了许多重大的贡献，山东省历史上名人辈出，不胜枚举。本次作品以对话的形式，用第一人称讲述了各个城市的历史文化名人的经历，图15为名人说交互示例。
3.3.2.7 文学篇动效导航的实现
图16为文学篇的导航界面，背景和UI均为动态效果，背景的设计为孔子站在一幅展开的画卷上，有“读万卷书，行万里路”之意，上下跳动的UI还可以吸引观者的注意。Unity自身不支持GIF图片的播放，通过编写C#脚本把GIF序列逐张播放达到动态图的效果，如图17所示。
4 结 论
展望未来的博物馆发展趋势，沉浸式交互技术的应用将是数字化博物馆发展的必然方向，也是数字化展示与传播方面的探索和延展，有益于传统文化的历久弥新，及其在当下时代中的播撒、共享与弘扬。
通过查阅有关弘扬传统文化与交互技术的文献，认真阅读后分析了优秀案例中交互技术的实现方法，梳理了自己开发博物馆的思路。其创作大体分为三个过程，一是使用3ds Max软件进行场景的制作；二是使用Photoshop软件进行交互界面的设计；三是使用Unity 3D軟件，通过编写C#脚本等方式实现交互效果。
参考文献：
[1] 李辉.建设数字博物馆展示杭州宋韵文化 [J].杭州，2022（4）：48-49.
[2] 刘欣.漫谈数字博物馆文物云展示 [J].华人时刊，2022（2）：67-69.
[3] 曲蕴慧，白新国.基于Unity3D的虚拟天文实验室交互式系统的设计与实现 [J].电子设计工程，2022，30（2）：11-15.
[4] LIU Ming. The UI Design of the Picture Logo of the Terminal Human-Computer Interaction Interface [J/OL].Journal of Physics：Conference Series，2021，2074（1）[2022-09-13].https：//iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2074/1/012025.
[5] 汪浩文.基于数字虚拟技术的江苏古建筑保护研究 [M].江苏：南京东南大学出版社，2020：153.
[6] 吴美松.中国优秀传统文化与虚拟现实相结合的初探 [J].作家天地，2021（22）：96-97.
[7] 金翔.非遗保护视野下虚拟现实技术在传统节日文化传承中的应用 [J].安徽科技学院学报，2021，35（3）：121-124.
[8] 余泽晋.浅析传统绘画艺术中数字化拓展的交互应用 [J].明日风尚，2021（9）：78-79.
[9] 袁晨阳.数字博物馆中VR互动设计 [D].江苏：南京师范大学，2021.
[10] 朱爽蕾.中国传统文化元素在交互界面设计中的应用研究 [J].大众文艺，2021（4）：57-58.
[11] 潘舒洁.基于Unity3D的虚拟现实交互系统的设计与实现[J].数码世界，2020（12）：250-251.
[12] 韩洁.浅谈数字化交互技术在文化遗产保护中的应用 [J].科技风，2020（9）：25.
[13] 刘婴婴，彭波.交互设计在博物馆视觉体验中的应用研究——以上海博物馆为例[J].明日风尚，2020（6）：44+46.
[14] 张秋妍.数字信息化时代下的交互与仿生设计 [C]//辽宁：第二届国际仿生设计与科技学术研讨会论文集，2021：305-308.
[15] 曾怡.基于Unity3D的楚系古琴交互设计与实现 [D].武汉：武汉纺织大学，2020.
[16] 胡绮.博物馆中数字展陈的交互设计研究 [D].武汉：武汉理工大学，2020.
[17] 田启俊.“和合之窗”数字化文物多宝阁虚拟展示系统设计 [D].长沙：湖南大学，2020.
[18] LIU TAO ，ZHENG HAIHAO. A Study of Digital Interactive Technology and Design Mode Promoting the Learners Metacognitive Experience in Smart Education [J]. International Journal of Information and Education Technology，2021，11（10）：493-497.
[19] 王丹，丁晓雅，张春娆.文化名人馆的数字展示交互设计研究——以王雪涛纪念馆为例[J].艺术教育，2022（4）：247-250.
作者简介：王利丽（1990—），女，汉族，山东济宁人，讲师，硕士研究生，研究方向：游戏设计、虚拟现实技术；李永驰（2000—），女，汉族，山东济宁人，教师，本科，研究方向：虚拟现实技术、数字媒体技术。
收稿日期：2022-10-12
基金项目：中华优秀传统文化融入虚拟现实（VR）课程的理论与实践研究
