基于Unity3d的虚拟博物馆设计与关键技术研究

李昂轩 蒲鑫 陶光辉 陈创

关键词：虚拟博物馆；Unity引擎；3D建模；A Star算法；互动体验；LOOP细分算法

0 引言

随着数字技术的快速发展，虚拟博物馆作为新兴形式正崭露头角。传统博物馆受限于时间和空间，无法满足沉浸式、自主探索的需求。因此，基于虚拟现实的博物馆体验成为当今数字时代的迫切需求[1]。Unity作为跨平台游戏引擎和开发工具，能创造高品质2D/3D游戏、虚拟现实和增强现实应用[2]。本文以Unity引擎为基础，致力于打造逼真、互动、沉浸式的虚拟博物馆。通过Unity 的实时编辑器和交互式工具，展示藏品、提供互动功能。本研究探讨虚拟博物馆设计与实现的方法和技术，满足参观者对数字化文化体验的需求，促进数字文化遗产的保护和传承。通过新动力和创新思路，推动数字文化的发展。

1 场景设计与开发

1.1 架构图

此虚拟博物馆是基于Unity3d进行开发，模拟真实世界中的博物馆的构造与布局，包含登录和注册模块、漫游、展品检索、建议提交等功能[3]。系统架构图如图1所示。

1.2 建立博物馆和展品的相关模型

在确定好相应博物馆后，通过对博物馆进行多方面收集资料采集数据，包括历史文物资料、文物照片、平面布置图等，得到了博物馆的基本资料。利用3dsMax等软件对前期调查的博物馆进行建模与整个虚拟展示设计场景的构建。

1.3 材质贴图

在设计虚拟博物馆时，对真实世界环境的理解和分析以及相关知识的艺术素养具有十分重要的意义。材质贴图在设计中是必不可少的一環，需要使用3dsMax软件进行贴图。本设计中采用位图贴图，通过精细调整，让虚拟场景具有一定真实感。对于特殊图案纹理的制作，需要将相应模型的UV坐标导出，然后利用Photoshop软件编辑制作成贴图，再贴回模型上，使物体的纹理比例和场景大小更加真实且美观。同时，需要规范材质球、材质和模型的命名，以便在后续修改时方便快捷，避免出错。贴图的效果直接关系到后续场景烘焙的效果和整体场景的逼真性[4]。

1.4 灯光布置

灯光在虚拟场景设计中起着重要作用，产生反射和阴影效果，增强真实感。虚拟场景中，材质、模型和贴图的表现依赖于灯光。不同类型的灯光可呈现不同效果，因此在实现逼真虚拟场景时，需要考虑多个因素的协调，如模型、材质、贴图和灯光等。

本设计采用了室内灯光效果，通过巧妙设置不同位置的灯光来营造明暗层次和真实感。仔细调整灯光可使场景更真实吸引人，提升虚拟博物馆展示效果。

1.5 烘焙

烘焙贴图是将场景中的材质、贴图和灯光等信息转换为二维贴图的过程，以减少内存占用并提升展示效果。3ds Max中的两种烘焙方式分别是Lightingmap 和Completemap[5]。渲染效果图前需检查灯光效果，确保理想结果。重命名模型避免后期设置困难，检查模型是否存在破面和重面问题。烘焙贴图能有效减少内存占用，并提升展示效果。

2 虚拟博物馆的功能实现

2.1 数据库设计

虚拟场馆将与后台数据库进行数据对接，用户通过虚拟展馆前端页面搜索入口，可以遍历检索平台大数据内容，并按要求格式与规则排序呈现所有搜索内容[6]。基于这个条件下，为数字展览厅系统设计支撑的数据表，如图2所示。根据网站、后台管理、数字展厅三大模块的信息抽象，为整个系统设计数据表，包括但不限于：公告表、评论表、图片资源表、语音资源表、视频资源表、管理员表、操作权限表、权限表、角色表、投票人气表、解说词资源表、展览通知表等。

2.2 登录模块设计

登录模块设计包含登录和注册功能。用户可以注册新账户并提供个人信息和登录凭证。已注册用户可以使用登录功能输入用户名和密码进行身份验证。模块包括输入字段、登录按钮、注册链接和密码重置选项。登录功能会验证用户凭证，确保安全性和身份验证的准确性，并提供错误提示和良好用户体验。

2.3 主页设计

虚拟博物馆主页设计包括场馆介绍、漫游模块、信息检索和心得提交四个选项。主页循环播放文物图片，吸引用户注意。场馆介绍提供背景、历史和特色概述。漫游模块允许用户探索博物馆区域和展品。信息检索模块让用户快速搜索感兴趣的文物信息。心得提交鼓励用户分享观展感受。主页设计方便用户获取信息、参观展品并与其他用户交流体验。

2.4 场馆相关介绍模块

场馆相关信息介绍模块包含场馆概要介绍和详细信息。概要介绍提供地理位置、开放时间等基本信息。详细信息部分包括场馆现状、历史沿革、展览概况和展品介绍。信息统计部分展示展品分类、地理分布等图表数据。通过该模块，用户可以全面了解博物馆的背景和特色，并深入了解展览和展品信息。

2.5 漫游模块

漫游模块包括主动漫游和自动漫游。主动漫游允许用户自由移动，点击物品查看详细信息。自动漫游通过相机动画导览，带领用户自动游览博物馆。用户可根据兴趣自主探索或选择自动导览。漫游模块提供便利参观体验，让用户轻松欣赏博物馆的内容。在漫游模块中添加语音播报等媒体，用户可以深入了解博物馆的文化和展品。漫游场景如图3所示。

在漫游模式中，对于路径的选择至关重要，通过采用寻路算法可以快速高效地完成漫游和寻路功能，本系统使用A*算法作为虚拟场馆漫游的寻路算法。A*算法融合了广度优先遍历和深度优先遍历的优势，通过不断计算找到匆匆起点到目标的最短路径A*算法通过综合代价选择节点，计算公式如式（1） 所示：

其中f（n）是节点n 的综合代价，表示从起点到目标经过节点n 的总代价的估计。A*算法会选择具有最小f（n）值的节点，因为它们被认为是最有希望的节点；g（n）是从起点到节点n 的实际代价，通常是通过已知路径计算的；h（n）是启发式函数，它估计从节点n 到目标节点的剩余代价。A*算法搜索流程图如图4所示。

为了将该算法适用于虚拟场馆漫游中，本系统对传统的A*算法进行改进，使其更加方便集成到本文的虚拟场景中，可以准确寻找到最优的路线同时又减少了工作量。使用Matlab 对改进的A*算法进行测试，如图5所示，分别对简单场景和复杂场景分别进行了测试，可以看出本文通过改进的A*算法能够很好地应用到智能漫游模式之中。在场景较为简单时，为了节省系统的运算能力，该算法在满足避障的前提下，对其他区域简化处理，从而能够快速计算出一条相对最优路径，同时也节省了大量的运算时间；在场景较为复杂时，该算法在规避障碍物的同时，计算出的路径更为准确，从而满足任务的需求。

2.6 检索模块设计

检索模块设计允许用户通过文字搜索查找文物信息，并提供时间、地点、文物类型分类等多种方式来查找相关的文物。用户可以在搜索框中输入关键词进行文物的文字检索，系统将返回相关的展品信息。此外，用户还可以根据特定的时间范围、地点或文物类型进行分类检索，以获取更具体和精准的结果。通过检索模块，用户可以快速定位和浏览感兴趣的文物，提供了便捷的检索方式，帮助用户在庞大的文物数据库中迅速找到所需信息，提升了用户的参观体验和研究效率。

2.7 展品展示

在虚拟博物馆的展品展示功能中，用户可以通过点击场景中的物体或在检索界面中点击按钮，展示展品的细节信息。这包括展品的模型展示，用户可以自由旋转、缩放和观察展品的三维模型；文字介绍提供了展品的相关背景、历史和文化信息；图片展示呈现了展品的高清图片，展现其细节和美感。

2.8 用户心得提交

用户心得提交功能允许用户输入个人信息和心得建议，提交至管理后台。反馈用于博物馆改进和提升。收集用户需求，优化展览和服务。促进用户与管理层互动，提升用户体验。

3 系统优化

场景采用AB包加载资源信息，通过Loop网格细分技术可以增加模型的细节并提高渲染质量，这些场景优化技术的应用可以提升虚拟博物馆的表现力和流畅性，提供更好的用户体验，并确保博物馆的展示内容在不同的设备和平台上都能够良好运行[7]。

3.1 Asset Bundle 资源打包的使用

使用AB包加载展品详细模型可提升虚拟博物馆性能和资源管理效率。独立打包展品模型为AB包实现按需加载，减少内存占用和加载时间。用户查看展品时，动态加载对应AB包，提供高质量模型展示。减轻加载压力，提升交互体验，展示效果和性能表现优化。

3.2 Loop 细分技术

Loop细分是一种针对低多边形模型的技术，通过在原始模型的边、顶点和面上插入新的几何元素来提升模型的细节和平滑度[8]。在现有的相关技术和研究现状的基础上，本文对传统的Loop细分算法进行了改进和优化，以适用于本系统的设计与开发。经过实际测试验证，新的改进算法证明了其在提高模型细节的可行性。

在實际场景中，采用低多边形模型可以有效减轻加载压力，降低模型的多边形数量和内存占用。用户在详细查看展品时，可以对已加载的模型进行网格细分，从而增加细节和真实感。这使得用户能够在展品的详细查看过程中获得更高质量的细节展示和更逼真的模型呈现，同时仍然保持了相对较低的场景加载压力。这一改进的Loop细分算法为系统的设计与开发增添了更多的实用性和性能优势。

将图7所示模型进行细分结果如表1所示。

如图7所示为模型网格细分对比图，模型经过一到两次细分已经达到了较高的精细度，而多次细分耗时较长，因此采用一次或者两次细分最佳。

4 场景发布

开发、测试、修复、打包和发布虚拟博物馆场景。检查加载速度、模型显示等问题。修复和调整以满足要求。打包为独立应用程序供虚拟现实设备使用。选择适合平台的打包格式，并进行配置和优化，提供最佳体验。

5 总结

本论文全面介绍了虚拟博物馆的建设和功能实现。通过借鉴先进技术，确保了系统成果更为完善和逻辑清晰。重点包括：博物馆和展品模型建立，采用先进建模工具确保场景真实性；贴图烘焙与光照信息，关注提升视觉效果和真实感；登录模块和主页设计，提供用户友好的进入方式；多功能场馆介绍与漫游，支持虚拟环境中的自由漫游；检索和用户心得提交功能，方便用户浏览展品和互动；性能优化，确保加载速度和流畅度；AB包和Loop细分技术应用，提高展示效果。最终，通过场景发布成功实现了一个完整的虚拟现实系统，为数字文化遗产的传承与传播提供了新途径。这项研究为虚拟博物馆的搭建和功能实现提供了深刻的指导，旨在推动数字文化的传播。