基于VR技术的虚拟博物馆设计与开发

王经田 梁晓琳 王志飞

摘  要：VR技术是新一代信息技术不断发展的产物，将VR技术应用于博物馆能够打破传统博物馆的局限性，给博物馆的发展带来新的生机。虚拟博物馆作为新时代博物馆的补充和延伸，可以有效地完善文物的展示效果，给予观者更为丰富的视觉体验，极大地增强了观者的沉浸感和参与感。文章基于VR技术，深入研究博物馆的新功能，完善虚拟博物馆的建设与开发，最大限度地满足宽领域、多层次的社会需求，对文物保护和文化传播也具有十分重要的意义。

关键词：虚拟现实；虚拟博物馆；文化传承

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）15-0029-06

Design and Development of Virtual Museum Based on VR Technology

WANG Jingtian， LIANG Xiaolin， WANG Zhifei

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： VR technology is a product of the continuous development of the new generation of information technology. Applying VR technology to museums can break the limitations of traditional museums and bring new vitality to their development. As a supplement and extension of the new era museum， the virtual museum can effectively improve the display effect of cultural relics， give visitors a richer visual experience， and greatly enhance the sense of immersion and participation of visitors. Based on VR technology， this paper deeply studies the new functions of museums， improves the construction and development of virtual museum， and meets the needs of a wide range and multi-level society to the greatest extent. It is also of great significance to the protection of cultural relics and cultural dissemination.

Keywords： virtual reality; virtual museum; cultural heritage

0  引  言

中華文化博大精深，源远流长，承载了五千年的中华文明。而博物馆是一个国家民族发展的最好见证，在弘扬文化、宣传教育中也起着十分重要的作用。但博物馆中的文物大多历史悠久、易碎易毁，为了能够留存久远，让更多的人看到，我们利用虚拟现实技术设计开发虚拟博物馆，实现跨时空的文物观赏。同时通过数字化的方式将有形的文物转化成无形的数据文件，尽量以虚拟数字化的形式保留文物信息。虚拟数字博物馆可以走向千家万户，让游客足不出户即可实现信息交互资源共享，提升了游客的参与感和互动感，激发了他们深入了解文物历史渊源的兴趣，弥补了现实博物馆的不足，为文化传播提供一种新的方式，让历史文化得到很好的传承。

1  虚拟博物馆的分析

1.1  虚拟博物馆的概念

虚拟博物馆是指采用现代信息技术对传统博物馆进行数字化处理，通过增加交互性、真实性、个性化等特性来丰富传统博物馆的内容，可进一步提升游客对博物馆的体验感。虚拟博物馆是传统博物馆的补充和延伸，不仅包括数据系统建设、文物种类等内容，还包括将VR技术应用于视觉软件设计和历史文物数字化处理等多方面的内容。VR技术的支持使我们摆脱了传统博物馆的限制，您只需拥有一台智能手机/电脑和网络即可实现对博物馆藏品的浏览，实现随时随地身临其境般参观虚拟博物馆的目标，提供一种全新的展示方式和思路。

1.2  虚拟博物馆的种类

虚拟博物馆可分为复刻型虚拟博物馆和全新型虚拟博物馆。复刻型虚拟博物馆的建设是以传统博物馆为基石，通过VR和AR技术对传统博物馆（包括展馆布局和历史文物）进行数字化展示，利用传统博物馆的文物进行数字化设计，以照片、视频、全景图等形式展现在三维数字化空间中，由此构建出沉浸式的氛围感。当前，复刻型虚拟博物馆是国内虚拟博物馆建设的主流，而全新型虚拟博物馆的建设则是以VR技术为核心，对传统博物馆中的文物进行数字化设计，然后依托展馆设计营造一个崭新的虚拟空间，使展馆更富有创造性和新颖性，在空间上也一并摆脱了展馆本身的限制。但这也会导致所建设的虚拟场景真实性较差，观看者可能无法获得身临其境的感觉。全新型虚拟博物馆的建设，需要设计者具有极强的空间感和想象力才能完成设计，否则将无法实现文化传承等功能。所以，全新型虚拟博物馆大多以公益和创新实验为主。

1.3  虚拟博物馆的特点

虚拟博物馆具有交互性强、沉浸感好、无时空限制的特点。VR和AR技术的采用能够最大限度地改变传统的视觉展示形式，通过数字化技术搭建观看者与文物之间的互动联系，这种交互性体验能够有效提升观看者的沉浸感和参与感，激发观看者的探索性和积极性，使得观看者能够自由地查找和学习博物馆的相关信息。更重要的是，通过将现实世界与虚拟世界联系起来，可以提高观看者的体验感，而VR和AR技术可以及时提供观者所需的服务，这样就能够与观者访问后阶段的服务和需求建立有机的联系。在虚拟博物馆的建设中，可以通过使用VR和AR技术将静态画面转变成实时动态场景，这样既可以提高观看者的沉浸感，又可以实现不同场景间的交互。在虚拟博物馆中，观看者以第一人称的视角进行参观，增加了3D音效和立体视觉效果，极大地增强了观看者的沉浸感和氛围感。虚拟博物馆摆脱了时空限制，无论何时何地，只要是连上网络通过手机和电脑就可以轻松实现对虚拟博物馆的观看，非常的便捷。

1.4  虚拟博物馆的发展

近年来，随着国潮的兴起和人民思想意识的提高，我国非常注重对文物的保护，拍摄了许多文物保护方面的纪录片，得到许多人的好评，这对传统博物馆的建设与发展提出了更高的要求，需要对传统博物馆进行转型升级，迫切需要进一步加强对虚拟博物馆的研究与开发。在新一代信息技术的支持下，我国研发了以传统博物馆为基石的虚拟博物馆，具有线上参观、展览、介绍等多种功能，为故宫博物院、地方博物馆等地的文物保护提供了新的生存道路。但是与一些发达国家相比，我国的虚拟博物馆建设仍处于初级发展阶段，还应继续加强研究学习，国家应该给予政策支持，以推动虚拟博物馆全方位、深层次的发展。在对虚拟博物馆进行建设与开发的时候，我们应该积极探索如何充分地把各种科学技术手段应用于虚拟博物馆带给观者的视觉体验上，如何将中国传统文化融入虚拟博物馆展览中，如何提高与优化VR与AR。

2  虚拟博物馆的设计与制作

2.1  模型设计

模型的设计分为场馆的模型搭建和历史文物的模型搭建。在前期准备阶段，需要收集大量的文献资料对文物有一个基本的了解，以便进行讲解的设计，仔细观看文物的照片，以便进行素材采集等工作，我们在制作贴图的过程中，尽量去还原真实的历史文物，有利于观者在观看虚拟博物馆的过程中获得较高的沉浸感与美感。在制作过程中，首先构建展馆的三维模型，在3D MAX中先用立方体构建出展馆的大体模型。构建出展馆的轮廓后再通过多边形建模对模型的点线面进行细化，通过挤出、切割等操作继续构建模型的细节，最后对模型布线，通过焊接等工具简化模型的顶点。建设完展馆后便开始搭建历史文物模型，通过对文物图片的考量以及到博物馆实地考察确定选题，在网络上搜集相关信息，对比图片建模。由于陶瓷文物弧面较多，在建模过程中不宜将轮廓拉得过大，多利用网格平滑等工具增加文物面，使弧面看起来更加立体自然。

文物模型设计图如图1所示。

2.2  贴图与灯光

在设计完模型之后，对模型进行展UV贴图。将模型展开删除不需要的面，然后给文物一个材质，将提前制作好的贴图图片导入，利用UV编辑器调节模型顶点对接贴图，慢慢调整使贴图和各部分吻合，实现模型的真实效果。完成贴图后，开始给文物模型添加灯光效果。大部分历史文物的轮廓和线条都很明显，为历史文物赋予灯光使高光和阴影的层次感渲染得更加真实，效果更佳逼真，氛围感更强，使观看者在观看的过程中获得更高的沉浸感和体验感。渲染灯光图如图2所示。

2.3  界面跳转与退出

在3D MAX中处理好模型之后，就可以导入Unity软件中，切记在导入模型之前先行导入贴图文件，并且选择使用外部贴图，然后再导入模型。导入模型之后，就可以增设界面跳转和退出命令。首先在Unity软件的博物馆场景中给需要跳转的文物模型创建一个Button命令，添加一个c#脚本TransDataScene，并将场景保存为01；再新建一个跳转后的场景，同时在场景中继续创建一个Button命令，并将场景保存为02，完成后对创建按钮的位置、大小、颜色进行修改，根据需要做好调整后，完成虚拟博物馆的界面跳转，本作品的其他跳转功能均以此方式实现并完成。界面跳转图如图3所示，退出程序图如图4所示。部分代码为：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

using UnityEngine.SceneManagement;

public class C ： MonoBehaviour

{

// Start is called before the first frame update

void Start（）

{

}

// Update is called once per frame

void Update（）

{

}

public void jinru（）

{neManager.LoadScene（13）;

}

public void caozuo（）

{

SceneManager.LoadScene（2）;

}

public void tuihui（）

{

SceneManager.LoadScene（0）;

}

public void shuanglianhu（）

{

SceneManager.LoadScene（4）;

}

public void Tuichu（）

{

#if UNITY_EDITOR

UnityEditor.EditorApplication.isPlaying=false;

#else

Application.Quit（）;

#endif

}

}

2.4  文本設计

观看者在对虚拟博物馆中的藏品进行观看浏览时，完全是观看者自己活动的过程，没有导游为观看者进行文物的介绍，这时候就需要提供一些文物讲解的文字，去代替导游的角色功能。所以在虚拟博物馆的建设过程中完全不能忽略文本内容。利用image工具进行文本的创作，添加适当的纹理走向，将之前设计完成的材质保存到不同的文件夹中，这样可实现在创作的过程中直接使用，把PS设计的图片与image设计的文本相结合进行设计与制作。同时在材质的选择方面，需要使用透明模式，这样有利于保证除了文本以外的界面是透明的，能够把文物全面地展现出来，复制之前设置好纹理Texture走向，再去调整图像的Size与Position，借此确定文物的具体位置。虚拟博物馆的文字介绍设计图如图5所示。

2.5  場景漫游的设计

实现场景漫游就是实现交互功能，第一是实现第一人称视角的漫游。我们可以通过鼠标和键盘来控制漫游的形式，通过鼠标晃动控制视角的方向，也可以实现视角切换。利用键盘控制漫游是比较复杂的，观看者既可以通过按键改变视角的方向，也可以进行场馆内的移动。W键可以控制视角进行向前的移动，利用XYZ轴来说，主要是实现Z轴方向向后的移动。S键可以控制视角进行向后的移动，利用XYZ轴来说，主要是实现Z轴方向向前的移动。A键可以控制视角进行向左的移动，利用XYZ轴来说，主要是实现X轴方向向后的移动，D键可以控制视角进行向右的移动，利用XYZ轴来说，主要是实现X轴方向向前的移动，场景漫游主要是通过在Unity3D中添加代码来实现。部分代码为：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

using UnityEngine.SceneManagement;

public class SceneChanger ： MonoBehaviour

{

// Start is called before the first frame update

public string sceneName;

void Start（）

{

}

{

Debug.Log（sceneName）;

}

private void OnMouseDown（）

{

SceneManager.LoadScene（sceneName）;

}   // Update is called once per frame

void Update（）

{

}

}

代码初始图、结束图、场景漫游图分别如图6、图7、图8所示。

2.6  碰撞检测

实现交互功能的第二项就是碰撞检测。完成场景漫游制作之后，由于观看者要在场景之中观看，难免会发生碰撞。为防止观看者在观看过程中发生穿膜的事件，保证观者观看过程中的体验感和真实感，在Unity软件中向文物展示柜等场景中加入碰撞命令。在“Hierarchy”面板中点击右键，选择3D Object，点击Plane新建一个平面，然后右键选择3D Object，选择capsule命令，新建一个球体，选中球体，在inspector面板中，双击“add component”，在弹出的面板中输入rigidbody。同理，新建一个正方形，调整正方形的大小位置，在inspector面板中，添加BOX collider组件，完成所有文物和场馆边的碰撞设计，如图9所示。

2.7  添加音乐

在虚拟博物馆的建设中，还应该添加一些背景音乐和对展馆及历史文物的介绍解说。背景音乐的使用往往可以调节环境气氛，在虚拟博物馆的制作过程中，加入合适的背景音乐，利用Wave Player播放音乐，可以提高情感的表达，让观看者获得更好的沉浸式体验，丰富观众的情感内容，使其获得身临其境的感觉，增强观看者对虚拟博物馆的体会与感受。展馆和历史文物的介绍解说，能够帮助观看者更好地了解博物馆的历史背景和所展示历史文物的背景文化，借助这种方式表达，能让观看者通过漫游虚拟博物馆了解到更多的文化知识，在聆听的过程中去深刻感受虚拟博物馆的文化氛围。

3  结  论

将VR技术应用于虚拟博物馆的设计与开发，为我们提供了新的发展思路。虚拟博物馆是传统博物馆在文化传承和现代信息技术共同作用下的产物，传统博物馆受时间和空间的限制，博物馆内的藏品大多易碎易毁，占用空间大，而虚拟博物馆的先天优势有利于帮助传统博物馆减少文物损坏；减轻藏品展示空间上的部分压力。虚拟博物馆的兴起和发展不会让传统博物馆走向消亡，相反还可以推动传统博物馆的转型升级，两者实质上是相互促进、共同发展的关系。虚拟博物馆的设计与开发是一项完整、系统、有意义的工程，虚拟博物馆一定可以将VR技术与文化传承巧妙地融合，增强观赏者的沉浸感和交互感，也会令传统博物馆焕然一新，保证文化的多样性，更加有力地促进文化产业深层次、高质量的发展。

参考文献：

[1] 罗方超.浅谈VR和AR在虚拟博物馆展览中的应用 [J].中国民族博览，2022，222（2）：198-201.

[2] 陈天仑.AR和VR技术在数字博物馆的应用研究 [J].数字通信世界，2022，208（4）：81-83.

[3] 刘欣.博物馆陈列展览数字化中应用VR全景技术的实践研究 [J].文物鉴定与鉴赏，2021，206（11）：139-141.

[4] 晏茗.虚拟现实AR技术在智慧博物馆中的应用 [J].电子技术，2021，50（9）：194-195.

[5] 陈金坤.江宁织造虚拟博物馆场景漫游创作研究 [D].南京：南京信息工程大学，2021.

[6] 史亚妮.基于VR技术的虚拟博物馆系统的设计与实现 [D].西安：陕西师范大学，2020.