基于虚拟现实技术的博物馆游览系统设计

2023-11-16余云灿

广东水利电力职业技术学院学报 2023年4期

余云灿

（广州工商学院，广州 510850）

随着电脑技术的迅速发展，各行业开始与其紧密结合。虚拟现实技术是一种新型的电脑技术，在文物陈列方面有着独特优势，用户可在其中获得最真实的体验。通过将虚拟现实技术与博物馆进行融合，用户可在任何地方自由欣赏展品，而不受展台限制，甚至可在手里把玩，实现博物馆的真正意义。虚拟博物馆的实现和发展，是当今世界科技和文化建设有机融合的良好例证。

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是计算机应用技术和科学工程领域的一门新兴交叉学科，它综合了计算机图形学、多媒体、人机接口、传感器等多种技术手段，实现人与计算机的相互感知、交互控制和实时通信，使用户沉浸在一个逼真的三维空间环境中，并进行各种活动。该技术在计算机上利用一定的设备和环境共同模拟创造出一种身临其境的感觉。用户可通过鼠标、键盘等输入设备操纵虚拟世界中的对象，并与之进行交互，实现“沉浸式”的三维体验。[1]虚拟现实技术的结构如图1 所示。

图1 虚拟现实技术的结构

1.2 虚拟现实技术特点

虚拟现实技术具有多感知性、交互性和沉浸性的特点，使用户沉浸到虚拟环境中。其特点包括逼真、开放、交互、安全及感知能力等。其中，逼真是指用户在虚拟环境中所看到的物体和行为是真实发生的，不是基于计算机生成的图像或视频。[2]开放和交互是指虚拟环境是开放的，用户可与虚拟环境中的物体进行交互。安全是指虚拟环境中的物体在真实环境中存在潜在危险时，虚拟环境会自动发出警告。感知能力是指用户可感知虚拟环境中的物体，如距离、速度、方向等，并可在其中移动。这四个特点是在虚拟现实系统中实现交互的基本原则，也是技术核心。

2 虚拟博物馆的设计方案

2.1 Unreal Engine 与Unity3d 平台对比

Unreal Engine 是由EpicGames 公司开发的一款三维图形技术平台，它可以模拟现实世界中的一切，如建筑、桥梁、汽车等，具有强大的渲染性能和丰富的游戏功能。在 Unity 平台上开发出来的游戏，玩家可多角度欣赏游戏画面。Unity3d 是一款开放源代码的3D 虚拟现实平台，集成了各种3D 引擎和开发工具，功能强大、运行流畅、开发简便，被广泛应用于游戏、影视等多个领域。

2.2 设计方案

项目框架由三个主要部分组成：博物馆、虚拟现实、Unity3d。虚拟现实技术将通过现有的HTC VIVE VR 设备来实现，Unity3d 是项目的一个平台，负责开发功能。因为在现实博物馆中很难对实物进行扫描，所以大部分文物模型均通过现有的实物图像来进行建模。博物馆的总体布局是九个展台，七个展台沿着博物馆的墙壁排列，且均有自己的展品，其余两个展台则在展厅正中间，可360°观察展厅全景。因此，在虚拟博物馆的总体结构中，首先需构建一个模型，把现存文物模型移植到Unity3d 平台，然后将其添加到Unity3d数据库中，再在墙壁、天花板和展台上建造新模型。博物馆虚拟场景制作完成后，着手构建虚拟现实技术，通过 SteamVR 将虚拟场景转化为一个真实的虚拟环境，然后进行漫游、互动等操作。

2.3 虚拟博物馆功能设计方案

在虚拟博物馆里，仅靠一个展览难以全面展现现有文物，因此须增加现实中难有的功能。该项目将完成对文物的拾取、视频、拼接、漫游等功能。首先因虚拟现实设备空间有限，光靠人腿难以在虚拟世界走动，因此在虚拟世界里玩家可通过网络进行漫游。该功能需要一个控制器来完成，当按下按钮，它就会发出一束光，光尽头就是用户要去的地方。

其次，现实世界中的文物既珍贵且易损坏，游客很难仔细看清，更别说用手触摸，而在虚拟世界里就可实现。利用HTC 硬件设备，根据程序进行设置，在与文物保持一段距离后，可将其挂在手柄上，给人拿在手中的感觉，并能近距离观察，而不用担忧文物的安全性。

此外，虚拟博物馆有类似录像的功能。只要点击一下就可将影像和墙上的壁画连在一起；和壁画保持一定的距离，就会被选中；按下按钮，就会出现在墙上；等播放完毕，再按下，就会自动消失。视频功能概念如图2 所示。

图2 视频功能概念示意

将虚拟现实技术运用到博物馆中，可将展厅改造成可装配艺术品的场所，并在二层放置一个虚拟投影，方便用户进行拼接。当用户把手伸到残片附近时，可将其拾起，移动到与二楼黑影同样的位置，再扣下扳机，将其插入到虚幻空间中，再重新装好，即可完成一个完整模型。

3 虚拟博物馆实现步骤

根据设计理念，项目主要包括漫游、拾取、视频、拼接四个功能。

3.1 导入模型并搭建框架

将网上收集的文物照片和类似的文物模型输入Unity3d 的Assets 档案，将相应的文物模型图像逐一输至材料中即可构建完整的文物模型。

3.2 实现漫游功能

漫游功能的实现主要是通过3DMax 等建模软件建立场景模型，再将模型导入到Unity 引擎中进行渲染。Unity 是一款开源的3D 引擎，它具有3DMAX 同样的功能，并且能模拟出丰富的交互效果。在Unity 中可以对模型进行调整、碰撞检测、添加纹理等操作，还可实现灯光、纹理贴图、背景音乐等效果。制作漫游场景时需考虑两个问题：一是场景的贴图质量，它决定了整个场景的真实感；二是模型之间的碰撞检测。由于模型之间碰撞检测需通过三维编辑工具进行，所以在建模过程中就需对模型进行适当修改，以避免不必要的碰撞。

3.3 实现拾取功能

拾取功能同样以手柄控制器为基础，在虚拟环境下，操纵杆就相当于用户的手。其原理是判定目标距离以及运动判定。在游戏中，把手的形状会变成光亮，提示用户可以拿起，而当按下扳机时，则会被控制；当触碰时，会自动将其固定在原地。在扣动扳机的同时，要将文物模型恢复到原本状态，因此在扣动扳机时，须将文物的方位和奥拉角保存好，同时也要对所拾回的物品进行判定，从而获得该空间的坐标以及欧拉的视角。

3.4 实现视频功能

视图与前面功能一样，均由操纵杆进行操作。将视频作用运用到墙上，墙上共五张图片，其间隔超0.5 f，当距离小于0.5 f 就会再次亮起，亦即按动按钮就可完成整过程。视频播放被设定在“movieplane”的plane 中，把plane 移到墙壁上，当视频播放时，它就会在墙壁上显示。视频结束后须重新删除，否则会影响壁画效果。因此完成二次射击后将自动删除视频，要重放可对墙壁开枪。

3.5 实现拼接功能

拼接和拾取的作用相似。当手柄与碎片距离小于0.2 f 时，把手会变明亮，说明可举起模型，再扣动扳机，将碎片靠近虚影中同一部位，再次进行距离判断。当距离小于0.3 f 时，扣动扳机，将该模型位置和欧拉角度分配到碎片模型上。当碎片移动到投影中同一部位时，所有碎片会被转移到投影中。

4实验结果与分析

4.1 实验环境

主要包括软件和硬件两部分。从软件开发观点看，Unity3d 是首要步骤。用户可登录其网址，下载一个个性化的Unity3d。再下载 SteamVR，将其与Unity3d 进行连接，再启动 SteamVR，查看所有硬件组件是否已连接，若全部连接，则该软件环境已建立。[4]软件环境如图3 所示。

图3 软件环境

在建立硬件环境时，先将两台光学定位器置于预先确定的有效区域两侧，并在系统中设置一个包含地表、移动区域、电脑屏幕等的虚拟区域。接着进行硬件环境搭建。硬件环境如图4 所示。

图4 硬件环境

4.2 实验结果与分析

最后建成或发现了49 个文物标本和5 个敦煌壁画的标本，将它们粘贴在各个展位上进行陈列。按照上面所述的不同特性，可使用鼠标的按键进行漫游，即第一人称的操作，光束的末端可以触摸到“floor”，即当光束的末端与博物馆地面接触时，它才能进行漫游。经过试验，可以在博物馆内任意位置使用。

当把手与文物模型接触时，两者距离不超过0.5 f，这时就可把展品中的任一标本拿起仔细观察。该距离可让操纵者在两个模型之间，不会有任何的BUG。“拿起”文物模型，不但会随着手柄移动而移动，还会随手柄的摆动而改变其欧拉角，从而使该项目的虚拟博物馆更加逼真。当物品被放置后，会自动归位，而空白物体会保持原来的位置以及欧拉的角度，不会影响人的视觉，也不会被其他模型所干扰，可以直接将物体的位置和角度分配到模型中。

在博物馆拼接区有两层展厅，一楼摆放着一件被拆卸的瓷器，二楼则是一件完整的瓷器。一楼是一件文物碎片的投影，用来组装一件艺术品。在把手与一楼模型间的距离不超过0.2 f 时，可将模型从二楼移至0.3 f，再松开扳机，将模型组合在二楼。在该功能实施中，将碎片模型捡起距离是0.2 f，而拼接时碎片的间距是0.3 f，这是为了防止碎片模型被处理时手柄会判断出碎片位置，从而导致BUG 产生。

在最后这面墙上悬挂着五幅敦煌壁画，壁画还具有摄像功能。当手柄与壁画间距不超0.5 f 时，壁画将会被激活，按下按钮后将开始播放。视频是在另外一个新平面上进行，未预先放在场景中，而是用“召唤”的方式显示出来，这样可防止plane 对壁画的显示造成影响。与前面两部分不同的是，0.5 f 的范围决定了事件的发生，而非行为。在连续两次扣动扳机后，点击“移除”按钮，可看到墙上的“plane”消失，“视频”也会消失，重新启动“删除”按钮。

上述设计均能很好实现，并且在场景设计、灯光、色彩等方面与真实博物馆有很大相似之处。在该“博物馆”里，人们可实现观赏和交流。