元宇宙背景下博物馆漫游系统设计

2024-11-11刘岸琦柴孟强胡帅田莉张涵

科技创新与应用 2024年32期

摘" 要：随着元宇宙时代的到来，博物馆展示方式正经历前所未有的革新。针对线上博物馆存在的交互不足、沉浸体验欠佳等突出问题，为用户提供更为便捷、丰富、沉浸式的博物馆参观体验，提出一种全新的博物馆漫游系统设计方法。系统采用B/S架构，集角色自定义、多人在线、导览讲解、展品展示和火灾演练等多功能于一体，依托Web3D技术，实现在任意智能终端上即开即用。详细阐述实验系统的功能设计和架构设计，并对博物馆三维漫游系统中模型建模及优化、漫游操控、人物自定义和素材动态替换等关键技术进行详细论述。经测试应用，实验系统能够在常用智能终端上每秒60帧流畅运行，沉浸体验效果比全景漫游系统有较大提升，能够满足博物馆线上展览、宣教等沉浸式体验需求。

关键词：三维漫游；智慧博物馆；元宇宙；5G；Web3D

中图分类号：TP311.5" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0010-05

Abstract： With the arrival of the Metaverse era， museum display methods are undergoing unprecedented innovations. In view of the outstanding problems such as insufficient interaction and poor immersive experience in online museums， in order to provide users with a more convenient， rich and immersive museum visiting experience， a new museum roaming system design method is proposed. The system adopts B/S architecture and integrates multiple functions such as role customization， multi-person online， guided explanation， exhibit display， and fire drills. Relying on Web3D technology， it can be used immediately on any smart terminal. The functional design and architecture design of the experimental system are elaborated， and key technologies such as model modeling and optimization， roaming control， character customization， and dynamic material replacement in the museum's 3D roaming system are discussed in detail. After testing and application， the experimental system can run smoothly at 60 frames per second on commonly used smart terminals. The immersive experience effect is greatly improved compared with the panoramic roaming system， and can meet the museum's immersive experience needs for online exhibitions， missions and other immersive experience needs.

Keywords： 3D roaming; smart museum; Metaverse; 5G; Web3D

在当今文化数字化战略[1]和科技发展的时代背景下，元宇宙已成为人们瞩目的焦点，为现实世界和虚拟世界的融合、互动提供了新的可能性。博物馆作为传统文化机构，在展示和宣教等领域，也面临着数字化转型与发展的挑战。如何将传统博物馆展示方式与现代科技相结合，为观众提供更丰富、更具互动性和沉浸感的展览体验，成为了当下亟待解决的问题。通过对元宇宙与虚拟漫游的全面介绍，以及对线上博物馆存在的问题和痛点的分析，探讨了如何借助先进的技术手段，重新定义博物馆展示的形式和内容。基于当前线上博物馆存在的动态交互弱、沉浸体验感不足、形式大于内容等问题，提出了一种全新的智慧场馆漫游系统设计。深入探讨了关键技术实现，包括模型建模及优化、漫游操控、人物自定义及素材动态替换等方面，旨在为博物馆漫游系统的实际开发提供指导和启示。

随着科技的不断进步和社会需求的不断变化，博物馆三维漫游系统的发展将呈现出更加多样化和创新化的趋势，为人们带来前所未有的文化体验和互动交流。通过研究与探讨，期望能为博物馆在元宇宙时代的发展探索新的可能性，为博物馆展览的数字化转型和沉浸式体验提供有益的借鉴和参考。

1" 研究背景

1.1" 元宇宙与虚拟漫游概述

元宇宙的概念由来已久，近年来重新受到重视。元宇宙是对5G、物联网、云计算、人工智能、区块链、数字货币和人机交互等各类新兴技术的有效整合。元宇宙是人类运用数字技术构建的，由现实世界映射或超越现实世界，可与现实世界交互的虚拟世界[2]。线上博物馆是一个虚拟的展览展示空间，承载着博物馆的展示、宣教等特色功能，是一个特色的元宇宙应用场景。虚拟现实具有3I属性：沉浸性（Immersion）、构想性（Imagination）、交互性（Interaction）[3]，这与博物馆的展览宣教工作的理念有较多重合，从技术层面来看，虚拟现实技术符合博物馆展示、宣教的应用需求。

虚拟现实技术（VR）通过借助计算机和其他设备生成一个虚拟的三维场景，以电脑影像、动画等形式呈现，依靠人机交互接口互动，让用户产生视觉、听觉等交互反馈，可模拟感受物体的纹理、颜色、线条和空间等，从而产生身临其境的感觉[4-5]。线上博物馆的虚拟漫游系统是元宇宙的重要形式之一，是虚拟现实技术的一种重要应用。博物馆元宇宙通过三维漫游等形式，能突破博物馆内时间和空间限制，让有形和无形的文化遗产通过数字化形式进行创新呈现，让死板的展示陈列通过动画、游戏体验等方式进行交互，提升了文化体验，让沉寂的历史文化产生更大的魅力。

VR可分为本地VR和WebVR，随着5G网络技术的发展和应用网络化[6]趋势已经深入人心，观众渴望能随时随地打开体验线上博物馆，目前大众可体验的线上博物馆的虚拟漫游系统多基于可在浏览器端运行的WebVR技术进行开发。

1.2" 线上博物馆存在的问题和痛点

展示、宣教是博物馆的重要工作内容，受限于空间和地域，特别是受新冠疫情影响，各地的线上博物馆如雨后春笋般诞生在公众视野中。目前，国内的线上博物馆大多是基于全景漫游系统构建的。全景漫游作为WebVR的一个重要应用方向，其本质就是指通过交互技术浏览由全景图像构建的三维全景空间里的各个场景[7]。该技术通过导入多种格式图像，拼接生成特定格式的全景图来模拟三维漫游场景，并能进行热点交互，无须对三维场景进行实时渲染，却能模拟三维场景效果，大大降低了漫游场景的制作难度[8]。采用此技术的全景漫游系统，有VR全景大运河[9]、国家博物馆云展厅[10]等。

但是，全景漫游并非真实的三维漫游，与真正的三维漫游系统相比，仍然存在一些不足。

1.2.1" 场景缺乏动态交互

基于照片的全景漫游系统通常适用于静态场景，用户只能在固定点位上旋转视角来查看静态的场景照片，缺乏动态交互和实时变化的能力，无法解决时序变化问题，无法实现复杂的动画效果和特效，这在某些场景中可能限制了用户体验的丰富性和吸引力。

1.2.2" 场景沉浸体验感不足

尽管全景漫游能够通过照片还原场景的真实细节，但二维照片缺乏空间真实感和深度感，因为照片无法表达与三维建模相似的逼真效果。用户操作方面，存在视野移动过快、视野拉伸变形较大等问题，容易导致眩晕、失焦等。

1.2.3" 技术形式大于文化内容

基于全景漫游的线上展厅，重点表达的是场景空间，而非场景中的展品细节，从展厅的全景漫游中查看藏品，效率低下。线上展厅复刻的是某次展览在特定时间下的布展形态，对布展留痕、布展设计研究等具有意义，但对藏品的展示、搜索、检索等，功能性较弱。部分博物馆过于追求技术形式，没有抓住文化传播展示的核心。

1.3" 博物馆三维漫游系统

博物馆三维漫游系统是指通过构建博物馆展示场景的三维空间模型，对三维场景进行实时渲染，用户通过步行、飞行等不同角度，能够自由地探索博物馆内的陈列场景。基于WebVR的三维漫游系统多基于Unity3D[11-12]（团结引擎）或Three.js、Babylon.js等开源WebGL库进行创建。但随着移动互联网和5G等技术发展，Web3D技术越来越受到关注。基于Web3D的三维漫游系统可流畅运行在各类智能终端的浏览器上，能够实现跨平台使用，借助5G网络，能够让用户随时随地打开使用，满足了虚拟现实的3I属性需求。

2" 系统功能设计

线上博物馆三维漫游系统通过优化5G网络下三维资产加载方式，减轻负载，实现角色五官、服饰等自定义系统，通过参数化控制，实现三维场景漫游、交互。博物馆三维漫游系统聚焦当前线上博物馆面临的问题和痛点，将打造一个集角色自定义、多人在线、导览讲解、展品展示和火灾演练等多功能于一体的线上博物馆漫游体验新形态，如图1所示。核心功能分为前端体验和后台管理2部分。

2.1" 前端体验设计

前端体验部分是用户直接与系统交互的内容，是三维漫游系统的核心组成。当用户注册登录后，会进行外貌特征的自定义设置，通过角色自定义功能，用户可对数字分身的性别、五官、体型和服饰等进行参数化调整，让用户能够体验到多元化的个性设置，并能有效减少人物三维模型加载时的网络负载和前端渲染压力。同时，系统支持多人同时登录，通过多人在线功能，用户可实现与亲朋好友共同游览线上博物馆，并实时进行对话聊天交流，满足社交需求。当用户进入博物馆虚拟场景中时，可使用导览讲解功能，能够通过内置的数字人进行语音讲解，并可对接大模型、AIGC（生成式人工智能）等平台功能，为数字讲解员赋能，除了听取讲解外，用户也可跟随系统设置的自动漫游视角，进行动画漫游。三维数字展品可进行全方位展示，让用户可免除文物保护的限制，从各个角度，近距离观察藏品的各处细节，并配合信息卡片，进行动态解说。火灾演练功能，能让用户在未到达博物馆之前，身临其境般地事先了解博物馆内的消防逃生线路。

2.2" 后台管理设计

后台管理部分重点提供用户、角色、权限、菜单、字典、展品、漫游、视频和商品等管理功能。主要是针对三维漫游系统中的用户登录识别、展品的动态更新、漫游线路的设置和外部的接口等进行动态管理，以增强系统的灵活性和可扩展性。

3" 智慧场馆漫游系统架构设计

3.1" Web客户端架构

依靠Web应用跨平台、易用、易传播等特性，采用HTML5+JavaScript+CSS3组合开发博物馆漫游系统的客户端。系统在UI方面遵循一致性、反馈、效率和可控等原则，同时保证在UI展示和UI扩展方面的能力。在三维渲染方面，采用Babylon.js库作为开发工具，能够方便快捷地使用WebGL、WebGPU等对三维模型进行高效渲染，并能扩展三维UI等功能。三维模型、三维动画、三维骨骼等，采用.glb作为统一中间文件进行转换，通过WebRTC API进行文字、音视频通话功能，通过Colyseus JS API实现多人状态的在线同步。

3.2" Web服务端架构

实验系统的服务端具有易改造、易维护、易升级和易操作等特性。系统的后台管理部分开发语言为Java，使用Spring Cloud作为微服务解决方案，中间件选择REDIS、ES等，可保证服务的高可用及系统不间断运行，如图2所示。数据库使用MySQL关系型数据库。网络架构方面，本系统采用内外网分离的部署方式，从网络层次方面保护系统安全，通过采用冗余负载，从而提高业务管理水平，保证服务质量。此外，音视频通话通过WebRTC服务器、多人在线功能依靠Colyseus服务器提供相关服务。

系统基于微服务架构，可部署在K8S、PaaS等容器化平台，平台支持软硬件自动扩展，以此来使用未来扩张的流量和请求。系统专门有接口相关服务，提供开放型的应用接口，提供标准的接口接入和数据格式返回服务，可扩展性灵活，可以满足各类博物馆线上展览宣教的业务需要。

4" 关键技术实现

4.1" 模型建模及优化

三维模型是三维漫游系统的重要载体，模型可通过人工建模和数字化扫描等方式获得。人工建模是指通过Blender、SketchUp、3ds Max等建模软件，借助照片、图纸等，进行手动建模的过程，人工建模在制作建筑模型、家具模型和一些规则的标准物件时具有优势。而数字化扫描建模，是指通过激光、结构光等对建模物体进行扫描，获得实体模型的一种方法，适合构建不规则的场地空间、精细的文物藏品等不规则物体，能够获得较高的精度和细节。

三维模型在使用之前，仍需要进行优化处理。一个在线博物馆的三维场景涉及展厅模型、展示柜/台模型、藏品模型和讲解数字人模型等部分组成，因WebVR项目需要将所需的三维模型资产事先下载到客户端，才能进行实时渲染，因此对三维模型的文件大小和轻量化有较高要求。采用模型精简、压缩等方式来提高三维模型资产的快速获取，减轻5G网络下载压力，保障了“即开即用”的场馆元宇宙平台构建，同时给用户带来更为逼真的使用体验。

所有三维模型优化的处置步骤和流程如图3所示。

模型精简，主要是对三维网格进行精简。三维网格是三维模型的重要组成部分，由一系列的顶点和连接这些顶点的边、面组成，通过特定数据结构来表示三维物体的表面形状。这些顶点的数量和面片的类型影响了网格的精度和复杂度。博物馆中的三维模型，多由实体经过数字化扫描得到，扫描精度可达微米级，精度较高，模型文件较大，无法直接在WebVR项目中使用。通过精简后，能够减少不必要的顶点和面数，减少三维网格的复杂度。

模型压缩，主要是针对贴图文件和模型文件进行压缩。贴图文件压缩主要是对分辨率的压缩和文件格式的转换，通过分辨率调整和文件格式转换，能较大程度地减少贴图文件大小。对模型文件的压缩可采用draco[13]算法，整体压缩比例可达到80%左右。

通过以上操作，不同的模型，因材质贴图数量、模型网格细节等不同，经过预处理后所得到的精简数据也不尽相同。综合来看，各类模型通过一系列精简和压缩处理操作后，模型文件可缩减70%～90%。

4.2" 漫游操控

操纵漫游系统中的人物在三维场景空间中进行漫步行走，是三维漫游系统的最基础操作，也是保障三维漫游系统流畅体验的重要关键。漫游系统的操控涉及2个方面：一是在PC端浏览器，可使用键盘、鼠标进行操控；二是在手机端浏览器，通过触控和拖拽屏幕进行操作。当系统检测到当前运行环境为移动端浏览器时，会自动添加虚拟操控按键，供用户进行触屏操作，如图4所示。

系统将逻辑执行和控制器操控相分离，通过变量来记录用户的移动方向，根据时间间隔来计算移动速度，不管是采用何种控制器操作用户移动，系统根据移动方向和移动速度，都可以对用户执行相应的移动操作。当用户按下前进按钮时，系统记录当前用户的朝向和向前的动作指令，在场景的渲染事件中，根据相关指令，对人物进行移动。

核心代码如下：

4.3" 人物自定义

元宇宙追求“千人千面”，虚拟世界中的用户都希望拥有独特的身份、外貌、特征，让每个人都能够在元宇宙中展现出多样性和个性化。因此，用户的虚拟数字分身不能由统一的三维人物模型进行驱动。特别是当有多人在线共同游览线上博物馆时，没有较高辨识度的人物模型，将会造成人物识别困难，使得用户体验不佳。

当前其他漫游系统的做法是提供不同样式的低面数模型，用于人物替换使用，但受资源数量限制，用户可进行的自定义环节较少。同时，在系统运行时需要将所有的三维模型同时下载到本地，因此人物模型都做了极大的简化处理，人物模型多以卡通风格进行呈现，以掩盖三维网格面数不足的缺陷。

而实验系统中的人物角色自定义功能可通过13个自定义参数来控制人物三维模型中的骨骼系统进行缩放，通过骨骼权重影响，对蒙皮进行相应调整。对比其他漫游系统中用不同人物模型替代的方法，该技术能够进一步减少三维模型资产的下载量，能够提供更多个性化的自定义选项，在同一个脸模下，也可以衍生出无数个独一无二的外貌特征。通过该技术，减少了不必要的人物模型重复加载，可以使得人物模型更加精细，即使在Web3D渲染环境下，也可做到发丝、睫毛等清晰可见。

4.4" 素材动态替换

为了增加三维漫游场景的复用性，能够更好地为场馆的运营、宣传服务，实验系统将所有展示品与场馆模型进行了分离，所有展品通过后台管理系统进行动态上传，文字描述内容，可通过后台管理系统进行动态编辑调整，一是展位上的三维展品可以动态替换调整，二是部分宣传展示素材可动态替换调整，如视频素材、图片素材等，通过动态替换相关材质的贴图文件内容，可实现相关内容的动态调整，从而让三维漫游系统能够常用常新，不断为用户提供新的内容。

5" 结束语

通过对博物馆三维漫游系统进行设计和对三维漫游系统中关键技术进行论述，并经过实验系统运行测试，系统能够在各类常见智能终端上以每秒60帧流畅运行，通过模型优化技术，让5G网络下的三维资产加载变得轻松便捷，使得用户能够随时随地打开系统进行漫游体验，增强了博物馆的文化宣传推广力度；通过漫游操控和人物自定义功能，满足了不同终端、不同用户的个性化需求，提高了系统的灵活性和扩展性，通过三维资产的动态管理，实现了系统的高效复用，提高了博物馆元宇宙的利用价值。

随着国家文化数字化战略的实施推动，博物馆在展览展示和宣传教育方面寻求更新的数字化呈现方式。通过实验系统的构建和完善，期望能够为博物馆展示、宣教工作带来新的借鉴参考，为广大用户提供更为精彩、立体的博物馆漫游体验。

参考文献：

[1] 中共中央办公厅国务院办公厅印发《关于推进实施国家文化数字化战略的意见》[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/2022-05/22/content_5691759.htm.

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[10] 中国国家博物馆数字展厅[EB/OL].https：//www.chnmuseum.cn/Portals/0/web/vr/.