摘 要：本課題是基于當(dāng)前主流的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式眼鏡的背景，針對(duì)虛擬美術(shù)館沉浸式漫游體驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)研究。從用戶體驗(yàn)的角度來講，虛擬現(xiàn)實(shí)最重要的其實(shí)就是所謂的在場性，也就是注重在現(xiàn)場觀看的感覺。這個(gè)對(duì)于整個(gè)之前的概念和模式都有了很大革新，不僅僅只是在技術(shù)層面存在不同，它對(duì)過去的屏幕體驗(yàn)的改變是顛覆性的。本文主要論述了基于3DS Max及Unity3D等制作VR系統(tǒng)的應(yīng)用情況，描述了場景設(shè)計(jì)、模型創(chuàng)建、程序開發(fā)的實(shí)現(xiàn)流程，針對(duì)虛擬美術(shù)館設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)的制作過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；VR眼鏡；沉浸式體驗(yàn)；虛擬美術(shù)館

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）05-0099-03

Development and Research of Immersive Experience in Virtual Art Museum

LIU Jinming，YAO Zijie，MOU Wenhu

（Sichuan Conservatory of Music，Chengdu 610000，China）

Abstract：This topic is based on the current mainstream virtual reality headwear background，aiming at the virtual gallery’s immersive roaming experience. From the perspective of user experience，the most important fact of virtual reality is the so-called presence，that is，the importance of watching the scene. This has made great innovations in the concept and pattern of the whole before，not only at the technical level，but also subversive to the change in the past screen experience. This paper mainly discusses the application of VR system based on 3DS Max and Unity3D，and describes the process of scene design，model creation and program development，and expounds the process of making the key technology in the virtual art museum.

Keywords：VR；VR glasses；immersive experience；virtual museum

1 概 述

1.1 什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡稱VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)三維軟件制作出一種模擬真實(shí)世界的虛擬環(huán)境，基于引擎軟件將多種來源的信息進(jìn)行融合，使交互式的方式和實(shí)體行為的方式結(jié)合在一起，將虛擬與現(xiàn)實(shí)兩者進(jìn)行結(jié)合，讓用戶從真正意義上沉浸到該環(huán)境中。

虛擬美術(shù)館是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)結(jié)合目前熱門的VR頭戴式眼鏡，將現(xiàn)實(shí)存在或需全新設(shè)計(jì)的美術(shù)館功能，以沉浸式方式呈現(xiàn)出來。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早開展研究的是美國，其源頭可以追溯到20世紀(jì)50年代。美國在虛擬現(xiàn)實(shí)方面的研究和應(yīng)用一直處于世界領(lǐng)先地位，研究的重點(diǎn)主要體現(xiàn)在用戶感知、用戶界面、后臺(tái)軟件及硬件等方面，目前涉及的研究領(lǐng)域極其全面。

英國和日本，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的部分領(lǐng)域的研究也處于世界領(lǐng)先地位。比如英國在醫(yī)療方面出現(xiàn)了全球首例的虛擬現(xiàn)實(shí)直播手術(shù)；而在日本，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓其電子制造業(yè)煥發(fā)出新的活力。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國的研究起步并不算早，與美英日等國家的差距還是比較大。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技的術(shù)不斷發(fā)展，特別是高端技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)也制定了大量的虛擬現(xiàn)實(shí)研究項(xiàng)目，一些大型科技公司開始涉足該領(lǐng)域。比如當(dāng)初HTC進(jìn)軍VR行業(yè)，誰都未能想到它的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件HTC VIVE會(huì)如此的高端大氣，也正因?yàn)橛辛舜笃髽I(yè)的牽頭，讓國內(nèi)很多廠商看到了該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新希望。正是基于這樣的背景下，我們開始了本課題的研究。

1.3 研究意義

在VR眼鏡面世前，曾經(jīng)有一些產(chǎn)品是可以為人們創(chuàng)造出身臨其境的感覺的，比如CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)，但其售價(jià)高昂，無法普及。

以往很多虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品都是針對(duì)于軍事、大型工程項(xiàng)目，針對(duì)普通消費(fèi)者的產(chǎn)品非常匱乏。所以，本課題研究的意義也在于，讓消費(fèi)者能夠便捷、低成本擁有一個(gè)完全不同的觀看交互體驗(yàn)，它所帶來的體驗(yàn)是以往任何一種方式都無法比擬的。

虛擬美術(shù)館，最重要的一點(diǎn)是能解決場地問題，也給異地訪問者提供了一種全新的、友好的訪問方式，讓他們通過便捷的方式，關(guān)注和了解到他們感興趣的各種美術(shù)作品，達(dá)到美術(shù)館所追求的公眾普及的目標(biāo)。

虛擬美術(shù)館還有另一項(xiàng)很重要的作用，就是方便美術(shù)館設(shè)計(jì)者或策展者在低成本的情況下，更加自由地?cái)[放美術(shù)館中的每一件作品。同時(shí)還能對(duì)美術(shù)館的瀏覽路線、作品數(shù)量、展廳的燈光、材質(zhì)、顏色等隨意更換，從而達(dá)到一個(gè)最理想的展示狀態(tài)。使得很多設(shè)計(jì)方案得以呈現(xiàn)，更加廣泛的跨界與融合在此得到淋漓盡致的展現(xiàn)。

2 三維技術(shù)在虛擬美術(shù)館中的應(yīng)用

本次課題研究項(xiàng)目分成了兩個(gè)部分，第一個(gè)是以現(xiàn)實(shí)當(dāng)中存在的一個(gè)美術(shù)館進(jìn)行720度全景拍攝制作，另一個(gè)完全是虛擬制作完成。從美術(shù)館的布局、設(shè)計(jì)、風(fēng)格等全方位進(jìn)行重構(gòu)。而本文主要針對(duì)完全虛擬制作的美術(shù)館進(jìn)行分析研究。

2.1 虛擬美術(shù)館概念設(shè)計(jì)

虛擬美術(shù)館為美術(shù)館策展人提供了VR沉浸式體驗(yàn)，策展人可隨時(shí)、方便地在三維虛擬環(huán)境中操縱并擺放展出作品，并改變或修改空間布局的各種形式，也可以在虛擬空間中對(duì)作品觀看流線進(jìn)行體驗(yàn)，其目的是獲得足夠多的有關(guān)作品展示和擺放位置的信息，從而達(dá)到滿意的效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在美術(shù)館作品陳列設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使策展人的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念表達(dá)得更加清晰、形象、逼真，讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受。這樣的策展成本大大減少了風(fēng)險(xiǎn)性，保證作品擺放及流線一次性成功?？臻g設(shè)計(jì)時(shí)可以針對(duì)不同用戶及愛好者的需求，在不同的虛擬環(huán)境中，讓他們親自體驗(yàn)修改三維模型的感受，充分體驗(yàn)自己所喜愛的作品在虛擬環(huán)境中的“真實(shí)”情況。

目前虛擬美術(shù)館是基于美術(shù)院校的小型美術(shù)館來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在美術(shù)館里設(shè)置了幾個(gè)典型的空間進(jìn)行作品展示，包含了雕塑展品區(qū)、攝影作品展示區(qū)、全息產(chǎn)品展示區(qū)、架上藝術(shù)展示區(qū)、新媒體藝術(shù)展示區(qū)、休息討論區(qū)等幾個(gè)區(qū)域。

2.2 虛擬美術(shù)館三維設(shè)計(jì)制作

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬美術(shù)館，三維建模是一項(xiàng)極其重要的工作，它占據(jù)的工作量達(dá)到了總體工作量的60%～70%。三維建模就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)可視化、多角度、超便捷的虛擬環(huán)境，是虛擬美術(shù)館中的一個(gè)很重要的部分。

通過虛擬美術(shù)館的CAD平面圖、布局圖得到三維場景制作的大致工作量。在三維制作的過程中，盡可能控制模型的數(shù)量，這樣才能有效地保證其在開發(fā)引擎中流暢地運(yùn)行。模型的貼圖對(duì)于增加虛擬美術(shù)館的真實(shí)感有著至關(guān)重要的作用，貼圖數(shù)據(jù)來源于實(shí)地拍攝的數(shù)碼照片，通過法線貼圖等技術(shù)手段使得低面數(shù)模型呈現(xiàn)出高精度的貼圖效果，其整體的制作流程如下。

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)好的平面布局圖進(jìn)行場景建模，根據(jù)后期需要進(jìn)行獨(dú)立展示等要求進(jìn)行局部拆分，劃分出若干區(qū)域，并對(duì)每個(gè)區(qū)域的模型命名，并確定其相關(guān)特征。本課題主要使用的是Autodesk 3ds Max軟件，該軟件在虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)中是一個(gè)非常普及的應(yīng)用軟件，也是目前市場上占有率非常高的一款綜合型三維軟件。

（2）對(duì)各個(gè)區(qū)域中需要出現(xiàn)的物體、雕塑作品、全息作品、特殊的場景建立三維模型，重復(fù)出現(xiàn)的物體先制作好一個(gè)，然后在引擎里進(jìn)行復(fù)制排列。

（3）模型的貼圖處理，主要是給場景內(nèi)的物件貼上合適的紋理和材質(zhì)，使其與真實(shí)物體相符，包括墻面、地面、天花板、植物、作品等等，大量的物體存在不僅使虛擬美術(shù)館變得豐富，更會(huì)讓在VR中漫游的美術(shù)館具有強(qiáng)烈的層次感和真實(shí)感，貼圖紋理包括不透明貼圖、透明貼圖及法線貼圖等。

（4）區(qū)域模型的優(yōu)化。按照CAD平面布局圖的整體結(jié)構(gòu)，依次拆分并合理規(guī)劃好每個(gè)展區(qū)的物件及作品等，讓其在引擎里進(jìn)行合理、方便的擺放展示，包括但不限于對(duì)尺寸、模型命名、貼圖命名等通用型相關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)。

3 虛擬美術(shù)館沉浸式程序開發(fā)

本課題是基于Unity3D引擎進(jìn)行開發(fā)制作的。Unity3D最早其實(shí)是一款典型的游戲引擎，它是一款可以非常便捷地發(fā)布多平臺(tái)產(chǎn)品的綜合型開發(fā)工具，具有典型的游戲化特點(diǎn)。在長時(shí)間的使用過程中我們發(fā)現(xiàn)，Unity3D這一款軟件還可以完美地應(yīng)用在虛擬交互上，并且還有著十分明顯的效果。比如虛擬美術(shù)館的開發(fā)就是其中一個(gè)特別合適的產(chǎn)品。

該課題項(xiàng)目整體的制作流程：當(dāng)我們把美術(shù)館的模型和貼圖制作完成后，需要導(dǎo)出為FBX格式再導(dǎo)入到Unity引擎中；緊接著要做的就是單位的調(diào)整、位置的設(shè)定、層級(jí)關(guān)系的處理等等；為了使虛擬美術(shù)館具有更加逼真的效果，可以再對(duì)模型的材質(zhì)做一些細(xì)微的調(diào)整，比如：調(diào)整法線貼圖的參數(shù)等。

3.1 環(huán)境設(shè)置

（1）燈光和烘培。在真實(shí)的美術(shù)館中，一般每件作品的陳列都會(huì)有一到兩個(gè)射燈進(jìn)行照明，美術(shù)館屋頂還會(huì)有日常的照明燈光，加上窗戶外直射進(jìn)入屋內(nèi)的太陽光、各種光線漫反射產(chǎn)生的環(huán)境光；若想接近真實(shí)效果，一個(gè)虛擬場景中就要設(shè)置上百個(gè)燈光。為了節(jié)省引擎資源、提高計(jì)算效率，我們把Unity中除太陽光以外的燈光全部設(shè)置為靜態(tài)燈光，然后進(jìn)行烘培。

（2）體積光。在真實(shí)環(huán)境中，強(qiáng)烈的太陽光透過玻璃照射進(jìn)屋內(nèi)，我們用肉眼可以看到透過玻璃形成的光柱；并在光柱中看到漂浮在空中的細(xì)小灰塵。利用Unity資源商店中的光照插件“Volumetric Lighting”，我們可以快速實(shí)現(xiàn)體積光的效果，使整個(gè)虛擬場景擁有更加華麗的氣氛，更加接近真實(shí)的效果。

3.2 視頻、聲音設(shè)置

（1）背景音樂。首先在場景中創(chuàng)建一個(gè)虛擬物體：GameObject，然后在GameObject上添加AudioSource組件，把音頻文件導(dǎo)入到資源庫中并指定給AudioClip參數(shù)。根據(jù)需要調(diào)整Volume參數(shù)的大小，勾選Loop選項(xiàng)，我們就可以在虛擬美術(shù)館中聽到優(yōu)美的背景音樂了。

（2）講解音效。同添加背景音樂的方法一樣，我們可以添加一段美術(shù)館的介紹音頻。與背景音樂不同的是，講解音效只需要播放一次，所以這里我們不勾選Loop選項(xiàng)；另外，我們將SpatialBlend參數(shù)設(shè)置成3D音效，并設(shè)置好合適的音效播放范圍，就可以模擬音箱的播放效果。當(dāng)我們走近音源的時(shí)候，可以聽到正常的講解音量，當(dāng)我們遠(yuǎn)離音源的時(shí)候，講解的音量會(huì)慢慢變小。

（3）視頻及音樂。在3D模型中，我們創(chuàng)建了一個(gè)曲面屏幕，用來在虛擬美術(shù)館中播放視頻短片作品。首先在屏幕上添加一個(gè)VideoPlayer組件，把視頻文件導(dǎo)入到資源庫中并設(shè)置VideoClip參數(shù)，然后再添加一個(gè)AudioSource組件，將AudioSource組件賦予給VideoPlayer組件中的AudioCource參數(shù)。這樣，在程序運(yùn)行的時(shí)候，我們就可以在曲面屏幕上觀看視頻作品了。為了使視頻的聲音不影響整個(gè)美術(shù)館的背景音樂，我們同樣可以將AudioSource組件的SpatialBlend參數(shù)設(shè)置為3D音效，并設(shè)置好音效播放的范圍。

3.3 控制系統(tǒng)

（1）第一人稱視角控制。通過導(dǎo)入U(xiǎn)nity中自帶的資源“Characters”，就可以快速實(shí)現(xiàn)第一人稱視角觀看。當(dāng)沒有其他外部設(shè)備的情況下，我們可以直接使用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行控制。

（2）HTC VIVE頭盔控制。首先我們需要導(dǎo)入Steam VR的官方插件，讓Unity可以識(shí)別到HTC VIVE硬件設(shè)備；然后通過VRTK插件，設(shè)置手柄控制攝像機(jī)的移動(dòng)。帶上VIVE頭盔，我們就可以沉浸在整個(gè)虛擬美術(shù)館中。

（3）全息作品控制。創(chuàng)建C#腳本，通過Update函數(shù)就可以使物體每幀沿Y軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的效果。

4 結(jié) 論

在今后數(shù)字化交互產(chǎn)品的發(fā)展過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還將會(huì)得到更加廣泛地研究與應(yīng)用，利用先進(jìn)的技術(shù)廣泛傳播文化信息，為資源共享又增添了一條非常重要的途徑。

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作者簡介：劉錦明（1983.04-），男，漢族，河北保定人，教師，學(xué)士。研究方向：藝術(shù)與科技；姚子杰（1985.06-），男，侗族，湖南懷化人，教師，講師，碩士。研究方向：藝術(shù)與科技；牟文虎（1968.10-），男，漢族，四川富順人，副院長，研究員。研究方向：雕塑藝術(shù)。