蔡勁

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由多種技術(shù)共同組建成的虛擬世界并使用戶能夠感受其仿真性的系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建一種虛擬環(huán)境，讓人能夠在其中獲得視覺與聽覺上的感知，從而達(dá)到逼近真實(shí)世界的效果，讓人有一種沉浸式的感受。博物館作為文化的傳承體現(xiàn)，其中的文物價(jià)值不可估量，它對文明的延續(xù)具有相當(dāng)重要的作用，然而現(xiàn)階段由于各方面的技術(shù)不夠成熟，使得博物館的局限性頗高，因此本文將要介紹的是一種借助Unity3d平臺將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與博物館相結(jié)合所產(chǎn)生的虛擬博物館技術(shù)。首先對該技術(shù)進(jìn)行具體地分析，然后對這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)的概述，最終對其結(jié)果進(jìn)行深入的評價(jià)，以此來直觀地體現(xiàn)虛擬博物館技術(shù)的優(yōu)劣性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);博物館;Unity3d

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0194-04

引言

盡管博物館文化一直在積極發(fā)展，但是其局限性始終處于較為顯眼的狀態(tài)，包括：1）博物館由于其地理位置原因，對于距離較遠(yuǎn)的游客十分不便;2）盡管博物館對于文物的保護(hù)已經(jīng)是十分仔細(xì)細(xì)心，但是難以保證文物的侵蝕完全停止;3）由于對文物的保護(hù)，游客難以近距離觀看展柜中的文物，游覽視角十分有限且交互性不足。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)都或多或少都能與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一項(xiàng)新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它在對文物的展示中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，用戶可以通過這種沉浸式的體驗(yàn)得到最逼真的感受。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與博物館相結(jié)合，用戶便可以打破空間的限制，隨時(shí)隨地的觀賞游玩，能夠近距離地觀察每一個(gè)文物，并不會受其展柜的限制，甚至可以拿在手中仔細(xì)揣摩，有效地解決了真實(shí)博物館所具有的局限性。

本課題所要研究的是在Unity3d平臺下所構(gòu)建的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的博物館游覽系統(tǒng)。具體研究內(nèi)容如下：1）選擇合適的軟件平臺進(jìn)行虛擬博物館的搭建，其中Unity3d平臺是一個(gè)可以進(jìn)行可視化游戲編輯、2D與3D游戲的開發(fā)以及虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等多類型的綜合型游戲開發(fā)工具，它可以由用戶自己創(chuàng)建模型，添加動(dòng)畫與音頻，并由代碼控制實(shí)現(xiàn)模型的功能變換。對于現(xiàn)階段的虛擬博物館建立而言，專業(yè)的游戲引擎所具有的優(yōu)勢是難以替代的，因此本課題要建立的虛擬博物館選擇在Unity3d平臺上進(jìn)行設(shè)計(jì)。2）使用合適的硬件設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是本課題實(shí)現(xiàn)虛擬博物館的重要手段，它簡單來說有三個(gè)層次，分別是3D建模層、VR層與驅(qū)動(dòng)層，這三個(gè)層次相互作用使得用戶可以得到沉浸式的真實(shí)感受。本課題中將直接使用已有的HTC虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行虛擬博物館的實(shí)現(xiàn)。

1 虛擬博物館的設(shè)計(jì)方案

1.1 Unreal Engine與Unity3d平臺對比

Unreal Engine平臺擁有更好的畫面渲染技術(shù)，所制作出來的成品的畫面效果可堪比電影CG級別，但同時(shí)對于設(shè)備的要求較高，并且對使用者的編程能力和美工能力有一定的要求。

Unity3d平臺相比較于UE更簡易一些，盡管最終成品的畫面效果不如UE平臺所開發(fā)，但是開發(fā)效率要比UE高很多，沒有UE那么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，開發(fā)者可以使用多種插件進(jìn)行更為簡便的設(shè)計(jì)，同時(shí)在進(jìn)行開發(fā)時(shí)，UE需要涉及引擎的定制，C++級的難度相較于Unity3d的mono開發(fā)難度要更加高。因此，本課題更傾向于使用Unity3d平臺進(jìn)行開發(fā)。

1.2 虛擬博物館框架設(shè)計(jì)方案

由于難以到真實(shí)的博物館中去掃描實(shí)際文物來進(jìn)行真實(shí)的建模，因此本課題中的文物模型大多是由現(xiàn)存的文物圖片來直接建模。博物館整體結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)為九個(gè)展臺，其中七個(gè)展臺依次排序環(huán)繞博物館墻壁，每個(gè)展臺分為兩層，其上有不同的文物模型，剩余兩個(gè)展臺位于博物館中央，是360度可觀測的全景展臺，此外，還會在空余的一面墻上掛上敦煌壁畫，以此來豐富博物館內(nèi)的館藏種類。虛擬博物館展臺擺放圖如圖1所示。

因此對于虛擬博物館的整體框架來說，首先要進(jìn)行建模，這里可以用已有的文物形狀的模型，然后將建好的模型導(dǎo)入至Unity3d平臺，利用現(xiàn)存的文物館藏圖片添加材質(zhì)，再建立博物館模型，包括墻壁、天花板與展臺，之后把建好的文物館藏模型放置于展臺之上，對博物館整體進(jìn)行布局。當(dāng)博物館的虛擬環(huán)境搭建成功后就進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境的搭建，使用SteamVR包將虛擬環(huán)境建立成為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，然后進(jìn)行編程，包括用戶的漫游功能，交互功能以及其他功能的編寫。連接HTC設(shè)備，調(diào)試好后便可以進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)已經(jīng)編寫好的所有功能并對博物館中的館藏進(jìn)行仔細(xì)地觀察，達(dá)到本課題的目的。

1.3 虛擬博物館功能設(shè)計(jì)方案

在虛擬博物館中，如果只有展示功能的話，便凸顯不出虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下對已有事物所能體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此要對虛擬博物館進(jìn)行添加一系列現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的功能。本課題中計(jì)劃實(shí)現(xiàn)文物的拾取功能、視頻功能以及拼接功能，還有用戶的漫游功能。首先由于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的空間限制，如果只是依靠人的雙腳移動(dòng)的話，在虛擬環(huán)境中很難達(dá)到每一個(gè)地方。需要依靠手柄進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可以令其在我們按下手柄按鍵的時(shí)候，發(fā)射出一道射線，射線的終點(diǎn)就是用戶將要移動(dòng)的終點(diǎn)。移動(dòng)功能流程圖如圖2所示。

其次現(xiàn)實(shí)中文物的珍貴性與易損毀性導(dǎo)致游客無法更清楚更近距離地觀察文物，更不用說拿在手中端詳，因此在虛擬環(huán)境中，這一點(diǎn)就可以被實(shí)現(xiàn)。利用HTC硬件設(shè)備中的手柄，可以對其進(jìn)行編程，使其當(dāng)與文物在一定距離內(nèi)時(shí)，文物可以被選中，從而將文物能夠掛在手柄上，也就能夠給用戶一種拿在手中的感覺，讓用戶可以近距離的仔細(xì)地觀察文物，且不用擔(dān)心文物的保護(hù)。拾取功能流程圖如圖3所示。

還可以進(jìn)行更多的功能設(shè)計(jì)，視頻功能將會采用點(diǎn)擊播放的形式，將視頻與墻壁上的壁畫進(jìn)行連接，當(dāng)用戶使用手柄與壁畫處于一定距離內(nèi)時(shí)，壁畫也成為選中形式，此時(shí)扣動(dòng)手柄扳機(jī)，視頻將會在這面墻上出現(xiàn)，播放完成后可以再次扣動(dòng)扳機(jī)使視頻播放器消失，再次將壁畫顯現(xiàn)出來。最后還有拼接功能，這一功能充分滿足了多數(shù)博物館愛好者的需求，在日常生活中，大多數(shù)人根本無法接觸到文物的拼接修復(fù)工作，在博物館內(nèi)也很難體驗(yàn)到這一點(diǎn)，因此本課題決定將這一功能也實(shí)現(xiàn)在該博物館內(nèi)，計(jì)劃將博物館的某一展臺設(shè)計(jì)成為專門進(jìn)行文物拼接的區(qū)域，將模型的碎塊擺放在展臺的第一層，第二層放置模型的虛影，供用戶進(jìn)行拼接使用。當(dāng)手柄靠近碎塊的時(shí)候可以將碎塊拿起，移動(dòng)碎塊至第二層的虛影上的相同模型附近，松開扳機(jī)便可以將碎塊模型放入虛影中，當(dāng)全部的碎塊都放置進(jìn)去后虛影就變成了一個(gè)完整的拼接好的模型。拼接功能流程圖如圖4所示。

本課題將會把以上所敘述的四個(gè)功能進(jìn)行全面地實(shí)現(xiàn)，使得最終形成的虛擬博物館不僅可以進(jìn)行文物的展示，還可以有諸多的交互功能，增加趣味性的同時(shí)也體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠帶來的不同于真實(shí)環(huán)境的優(yōu)勢。

2 虛擬博物館實(shí)現(xiàn)步驟

2.1 導(dǎo)入模型并搭建框架

實(shí)驗(yàn)開始后把在互聯(lián)網(wǎng)上找到的文物圖片和相似的文物模型導(dǎo)入到Unity3d中的Assets文件夾中，把對應(yīng)文物模型的圖片一一導(dǎo)入到模型的材質(zhì)中，形成了完整的文物模型。創(chuàng)建好設(shè)計(jì)思路中的博物館形狀，使用六塊CUBE模型組成了博物館的墻壁和地面，再次創(chuàng)建多個(gè)CUBE模型，組成具有兩層結(jié)構(gòu)的展臺，這樣的展臺一共需要七個(gè)，將這七個(gè)展臺放置在貼靠墻壁的位置并依次排列，再次創(chuàng)建三個(gè)CUBE模型作為博物館中心區(qū)域的全景展臺，用以放置較大的模型，最后在一面沒有展臺的墻上放置壁畫模型，至此，博物館的框架基本搭建完成。虛擬博物館框架如圖5所示。

2.2 實(shí)現(xiàn)漫游功能

在虛擬環(huán)境中，只有模型供欣賞是絕對不夠的，作為最基礎(chǔ)的真實(shí)感，能夠在虛擬環(huán)境中移動(dòng)是十分重要的，因此第一個(gè)需要實(shí)現(xiàn)的就是漫游功能。在本課題中，漫游功能是依靠手柄控制器來進(jìn)行的，所以實(shí)現(xiàn)漫游功能的基本思想就是使用手柄確定移動(dòng)方向，當(dāng)按下按鍵的時(shí)候手柄可以發(fā)射射線，射線所碰觸到的地方就是用戶將要移動(dòng)到的地方。在這一部分中，避免用戶會移動(dòng)至博物館以外的位置，需要將地面設(shè)置出單獨(dú)的標(biāo)簽“floor”，只有當(dāng)射線接觸到具有“floor”標(biāo)簽的物體時(shí)，才會讓用戶移動(dòng)至該位置。

2.3 實(shí)現(xiàn)拾取功能

拾取功能也是建立在手柄控制器之上的，因?yàn)樵谔摂M環(huán)境中，手柄控制器充當(dāng)?shù)氖怯脩舻碾p手，所以在實(shí)現(xiàn)拾取功能時(shí)，依舊是用手柄來操作?；舅枷刖褪切枰嚯x的判定以及動(dòng)作的判定，在本課題中，當(dāng)手柄與文物模型的距離小于等于0.5f的時(shí)候，判定成功，此時(shí)手柄輪廓會高亮，告知用戶可以進(jìn)行拾取操作，當(dāng)扳機(jī)按下時(shí)，文物模型則會被手柄拾取，這里是進(jìn)行了動(dòng)作的判定，對手柄扳機(jī)的按下進(jìn)行了判定，判定成功時(shí)，將手柄的實(shí)時(shí)位置賦給文物模型，這樣模型就會一直跟隨手柄，二者隨時(shí)處于同一位置。當(dāng)扳機(jī)松開時(shí)，要讓文物模型回歸原位，因此在按下扳機(jī)之前，要將文物模型的原位置和歐拉角進(jìn)行保存，這里可以用一個(gè)空物體來保存原有的位置和歐拉角，松開扳機(jī)時(shí)對這一動(dòng)作再次進(jìn)行判定，判定成功后再將之前保存好的位置和歐拉角賦給文物模型，也就是將此時(shí)的空物體的位置和歐拉角賦給了所拾取的文物模型。

為了保證左手柄和右手柄都可以實(shí)現(xiàn)這一功能，還需要對左右手柄進(jìn)行判定，先對二者的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行保存，然后比較二者的大小，將這個(gè)比較值保存為布爾量，設(shè)定當(dāng)右手柄的位置大于左手柄時(shí)，布爾量為真，此時(shí)再對布爾量進(jìn)行判定，值為真時(shí)，只有右手柄可以拿起文物模型，值為假時(shí)，只有左手柄可以拿起文物模型。

2.4 實(shí)現(xiàn)視頻功能

視頻功能與之前的兩個(gè)功能一樣，都需要手柄來進(jìn)行控制，本課題中，視頻功能被設(shè)計(jì)到了墻壁的壁畫上，這一面墻上一共有五張壁畫，再次對這五張壁畫與手柄的距離進(jìn)行判定，當(dāng)二者的距離小于等于0.5f時(shí)，手柄再次實(shí)現(xiàn)高亮，此時(shí)意味著可以進(jìn)行按下扳機(jī)的操作來實(shí)現(xiàn)視頻的播放，與拾取功能類似，要對扳機(jī)進(jìn)行判定，按下并松開后，敦煌壁畫的視頻則開始播放。

視頻的播放被設(shè)置到了“movie plane”標(biāo)簽的plane上，將這個(gè)plane的位置移動(dòng)至設(shè)有壁畫的墻面上，這時(shí)視頻在播放的時(shí)候就會出現(xiàn)在這面墻上。

當(dāng)視頻播放完畢后，需要再把plane刪除掉，否則會影響到壁畫的展示，本課題設(shè)計(jì)扣動(dòng)扳機(jī)兩次后，自動(dòng)刪除plane，不影響到壁畫的展示，如果需要再一次進(jìn)行視頻的播放，可以再次對壁畫扣動(dòng)扳機(jī)。這一部分的主題思想是把扳機(jī)的扣動(dòng)次數(shù)進(jìn)行保存，當(dāng)扣動(dòng)次數(shù)達(dá)到兩次時(shí)，進(jìn)行一次判定，判定成功則刪除plane。

2.5 實(shí)現(xiàn)拼接功能

拼接功能與拾取功能較為類似。本課題中拼接功能的實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)囟ǖ揭粋€(gè)單獨(dú)的展臺上，在這個(gè)展臺上則是兩部分，展臺的第一層放置的是分成碎塊的文物模型，第二層放置的是完整的文物模型虛影。首先將完整的文物碎塊模型順序打亂放在展臺第一層，作為拼接時(shí)候的素材，第二層放置該文物模型的完整體，調(diào)整shader著色器，使其為透明狀態(tài)并將材質(zhì)顏色變?yōu)榘咨?，這樣最終顯示出來的就會是一個(gè)供拼接使用的虛影。

拼接功能的主要思想是使用手柄控制器拿起文物模型的碎塊，然后將其放置在虛影中與碎塊相同的地方，這一部分與拾取功能較為類似，同樣，當(dāng)手柄與碎塊模型的距離小于0.2f時(shí)，手柄高亮，表示可以拿起模型，然后扣動(dòng)扳機(jī)拿起碎塊模型，將其靠近虛影中相同的部分，這里再一次進(jìn)行距離判定，當(dāng)距離小于等于0.3f時(shí)，松開扳機(jī)，將虛影中相同部分的模型的位置和歐拉角賦給碎塊模型，此時(shí)碎塊模型移動(dòng)至虛影中相同部分的位置，全部的碎塊都移動(dòng)至虛影中時(shí)，即拼接過程完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

搭建環(huán)境總共有兩個(gè)部分，分別是軟件環(huán)境和硬件環(huán)境。對于軟件環(huán)境來說，首先要建立Unity3d平臺?？梢缘卿沀nity3d官網(wǎng)unity.com下載Unity3d個(gè)人版，安裝完成后Unity3d平臺即搭建完畢。然后下載SteamVR軟件，將硬件設(shè)備連接至Unity3d平臺，打開SteamVR檢查所有硬件部分是否都連接成功，全部連接成功后則軟件環(huán)境搭建完畢。軟件環(huán)境如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

最終共建立或找到49件文物館藏模型與五張敦煌壁畫模型，對其進(jìn)行貼圖后擺放至各展臺來進(jìn)行展示。通過對這些文物模型進(jìn)行上文中所提及的各種功能設(shè)計(jì)，首先可以使用手柄通過按鍵實(shí)現(xiàn)漫游，即第一人稱的移動(dòng)，手柄所發(fā)射出的射線終端所接觸到的地面便是可以到達(dá)的地方，但是在這里射線的終端必須接觸到的是帶有標(biāo)簽“floor”的地面才可以進(jìn)行漫游，也就是說，只有當(dāng)手柄所發(fā)出的射線終端接觸的是博物館的地面時(shí)，才能夠進(jìn)行移動(dòng)。經(jīng)過試驗(yàn)，可以使用手柄到達(dá)博物館內(nèi)的任意一個(gè)位置。漫游功能實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

當(dāng)手柄接觸到這些文物模型時(shí)，二者之間的距離小于等于上文中所規(guī)定的距離0.5f，這時(shí)可以將擺放在展臺上的任意一件文物模型拿起仔細(xì)觀察。這樣一個(gè)判定的距離，剛好能夠避免手柄會同時(shí)判定到兩個(gè)模型中從而出現(xiàn)BUG。當(dāng)“拿起”這些文物模型的時(shí)候，這些模型不僅是位置會跟隨手柄移動(dòng)，其歐拉角也會根據(jù)手柄的角度變換而變換，進(jìn)一步增強(qiáng)了本課題所實(shí)現(xiàn)的虛擬博物館的真實(shí)性。當(dāng)放下文物時(shí)，文物會自行回歸到原來的位置，空物體保存文物的原有位置和歐拉角，不會影響視覺感官并且不會受其他模型的影響，能夠直接將位置和角度重新賦給模型。拾取功能實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

在博物館內(nèi)的拼接區(qū)，兩層結(jié)構(gòu)的展臺上，第一層放置的是一個(gè)被拆開的文物瓷器，第二層是該瓷器完整的虛影，為第一層文物碎塊所要進(jìn)行拼接的參考模型以及拼接區(qū)域。當(dāng)手柄與第一層的模型距離小于0.2f時(shí)，可以拿起這些模型，然后再將其放置于第二層參考模型的0.3f距離內(nèi)，松開扳機(jī)后模型組成到虛影上，所有第一層的模型皆可以放置到第二層進(jìn)行拼接。在這一功能的實(shí)現(xiàn)中，拿起碎塊模型的距離為0.2f，而拼接時(shí)的距離為0.3f，前者小于后者0.1f，是因?yàn)橐苊庠诜胖盟閴K模型時(shí)，手柄會判定到之前已經(jīng)拼接上的碎塊模型，進(jìn)而會出現(xiàn)BUG，因此后者距離大于前者可以有效地避免這一情況的發(fā)生。拼接功能實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

最后的一面墻上懸掛的是五幅敦煌壁畫，同時(shí)視頻功能也被設(shè)計(jì)在這一區(qū)域中。同樣是通過手柄進(jìn)行控制，當(dāng)手柄與壁畫的距離小于等于0.5f時(shí)，壁畫處于可被激活狀態(tài)，扣動(dòng)扳機(jī)后視頻開始播放。視頻的播放是處于另一個(gè)新的plane上，這個(gè)plane事先不會放置在場景中，而是通過“召喚”的形式出現(xiàn)，這樣可以避免plane影響到壁畫的展示。在這里與前兩部分功能不相同的是，這個(gè)0.5f的距離判定的是一個(gè)事件的發(fā)生，而不是一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)連續(xù)扣動(dòng)兩下扳機(jī)后，進(jìn)行動(dòng)作刪除plane，這時(shí)可以看到這面墻壁上的plane被刪除，視頻也停止播放，再次激活視頻功能后可以再次進(jìn)行刪除操作。視頻功能實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

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