向文欣

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017）

1 概 述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)，簡稱VR，又被稱為靈境技術(shù)或幻真技術(shù)。它是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。它結(jié)合計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，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，通過引擎軟件將虛擬與現(xiàn)實(shí)有效結(jié)合，使用VR設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互，使用戶實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)[1]。

1.2 研究背景

我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展中，VR技術(shù)作為近年發(fā)展突飛猛進(jìn)的新興產(chǎn)業(yè)之一，擁有著龐大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域及巨大的市場前景。VR已廣泛地應(yīng)用于教育、地產(chǎn)、工業(yè)仿真、醫(yī)療、旅游、電力、消防、軍事等各行各業(yè)中。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們更加注重對精神文化的追求。美術(shù)館、博物館、紀(jì)念館等已經(jīng)成為人們生活、旅游、訪問、學(xué)習(xí)的熱點(diǎn)。這些展館對提高人們的藝術(shù)欣賞，豐富人民文化生活，促進(jìn)人類文明進(jìn)步等發(fā)揮越來越重要的作用。但是，一方面由于地域分散、出行費(fèi)用昂貴，造成很多人不能在世界各地的各種展廳參觀游玩。另一方面，由于缺乏資金、場地、人手等不利因素，導(dǎo)致實(shí)體展館難以建設(shè)。

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院是一所信息類工科院校，數(shù)字化、信息化是學(xué)校的辦學(xué)特色，但是在校園文化建設(shè)上人文藝術(shù)氛圍不夠濃郁。由于受經(jīng)費(fèi)、地理位置等因素限制，學(xué)院一直沒能建立一座美術(shù)館。雖然師生的作品也在學(xué)校的官網(wǎng)上展示，但主要是圖片和文字介紹，不能讓訪客有身臨其境的真實(shí)感，大大降低了瀏覽者的興趣。數(shù)字藝術(shù)系受辦公教學(xué)場地限制，大量的師生藝術(shù)作品無法得當(dāng)充分的展示和宣傳。

綜上所述，尋求一種新的展示方式已成為迫切需要。

1.3 虛擬美術(shù)館產(chǎn)生的意義

首先，虛擬美術(shù)館的建設(shè)為我校的師生、家長和其他訪客提供了更加便捷，高效的游覽方式，為推廣我校師生的藝術(shù)作品提供了更加開放的展示平臺。其次，虛擬美術(shù)館的建設(shè)開創(chuàng)了新的對外展示宣傳學(xué)院的途徑和模式，進(jìn)一步凸顯學(xué)院的辦學(xué)特色。再次，充分向社會展示了學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)和教學(xué)成果，促進(jìn)了數(shù)字藝術(shù)系的快速發(fā)展和教師隊(duì)伍的快速成長。最后，為學(xué)校下一步建設(shè)虛擬校史館奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2 三維技術(shù)在虛擬美術(shù)館中的應(yīng)用

2.1 虛擬美術(shù)館概念設(shè)計(jì)

虛擬美術(shù)館由于不受時間、空間的限制，使設(shè)計(jì)者能夠更加靈活、便捷的在三維虛擬環(huán)境中操縱并擺放展出作品。同時可以及時、準(zhǔn)確的調(diào)整設(shè)計(jì)方案和參觀路線，最大化的提升用戶體驗(yàn)和滿意度[2]。

虛擬美術(shù)館主要使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)視覺上的仿真功能。通常以真實(shí)美術(shù)館為藍(lán)本，按照一定比例縮放建模，借助相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化展示。但是，四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院由于沒有實(shí)體展館為依托，無法通過1:1三維建模來建設(shè)虛擬展館。需要收集大量資料、參考文獻(xiàn)，了解國內(nèi)外美術(shù)館的發(fā)展歷史、建筑特點(diǎn)、展覽特點(diǎn)。經(jīng)多次調(diào)研考察，項(xiàng)目組決定以成都文軒美術(shù)館為參考模型，結(jié)合四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的特色，制定虛擬美術(shù)館的設(shè)計(jì)方案，制作具有“川信特色”的虛擬展館原型圖。在美術(shù)館里設(shè)置了幾個典型的空間進(jìn)行作品展示，包含了美術(shù)作品展示區(qū)、攝影作品展示區(qū)、雕塑展品區(qū)、新媒體藝術(shù)展示區(qū)、休息討論區(qū)等幾個區(qū)域。

2.2 虛擬美術(shù)館三維設(shè)計(jì)制作

三維建模是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述一個物體空間形狀的技術(shù)，具有可視化、多角度、超便捷的特點(diǎn)，在游戲美術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、虛擬仿真等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（1）設(shè)計(jì)并繪制虛擬美術(shù)館的CAD平面圖。根據(jù)虛擬美術(shù)館的設(shè)計(jì)方案，將美術(shù)館進(jìn)行合理分區(qū)，在CAD中繪制平面布局圖，為后期三維場景的制作打下基礎(chǔ)。

（2）建立和優(yōu)化三維場景模型。將設(shè)計(jì)好的CAD平面布局圖導(dǎo)入3ds Max 軟件，在3Dmax中建立場景模型。模型是整個虛擬美術(shù)館建立的基礎(chǔ)，模型質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到整個虛擬系統(tǒng)的成敗。模型和場景逼真精細(xì)，用戶對真實(shí)環(huán)境的感知體驗(yàn)度高，但龐大的數(shù)據(jù)量往往導(dǎo)致計(jì)算機(jī)硬件無法承受，開發(fā)引擎無法流暢運(yùn)行。所以，對三維模型的優(yōu)化顯得尤其重要。由于虛擬場景復(fù)雜煩瑣，任何虛擬場景的三維模型建立，都涉及上千個多邊形。一方面，在保證必需的模型質(zhì)量情況下盡可能控制模型的數(shù)量。另一方面，可以將基于幾何的三維對象建模技術(shù)與基于圖像的建模技術(shù)有機(jī)結(jié)合，最大限度的發(fā)揮這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在保證實(shí)時交互的前提下，給用戶帶來身臨其境的沉浸感。

（3）建立其他物件模型。對在雕塑展品區(qū)和休息討論區(qū)出現(xiàn)的其他物件進(jìn)行三維模型的建立。

（4）給模型賦材質(zhì)和貼圖。對場景模型和物件模型賦予材質(zhì)貼圖。材質(zhì)和貼圖主要用于描述對象表面的物質(zhì)狀態(tài)，構(gòu)造真實(shí)世界中自然物質(zhì)表面的視覺表象。它可以增強(qiáng)模型的真實(shí)感和感染力。如果說，建模的好壞決定了物體的形狀，材質(zhì)和貼圖則決定了物體的質(zhì)感。

（5）渲染和烘焙。通過場景烘焙為虛擬場景增添表面光影關(guān)系，使其與真實(shí)物體相符合，增加虛擬美術(shù)館的真實(shí)感和體驗(yàn)感。

（6）合并場景。將分開處理的場景模型進(jìn)行合并。

（7）根據(jù)分區(qū)合理規(guī)劃物件模型。在場景內(nèi)合理規(guī)劃和擺放物件模型，方便瀏覽和展示。

3 二維展品展陳方式

虛擬美術(shù)館展覽的作品主要分為書法、繪畫、平面設(shè)計(jì)、攝影、雕塑等幾類。雕塑作品通過三維建模的方式展示，但其他作品均為二維展品，其展示方式與三維作品不同。二維展品，我們主要使用拍攝照片的方式放入畫框，并掛在墻上的展示方式。畫框只需要創(chuàng)建樣條，設(shè)置要顯示為集合實(shí)體的對象的長度和寬度，然后將面皮模型添加到框架模型，再添加需要展示的照片，以貼圖的方式放在面片模型之上即可[3]。

二維展品的拍攝使用現(xiàn)有的超高清影像設(shè)備即可完成。2016年，谷歌推出了10億像素級的相機(jī)Art Camera。同時谷歌和莫瑞泰斯皇家美術(shù)館最先合作，利用Art Camera掃描上千幅藝術(shù)畫作，并將掃描后的數(shù)據(jù)傳回Google的服務(wù)器上并制成10億像素的圖片保存和展出。目前，市面上用于拍攝超高清影像的設(shè)備很多，以佳能5D Mark IV(單機(jī))為例，全手動操作，有效像素達(dá)3 040萬，4K超高清視頻。這些超高清影像設(shè)備完全能夠滿足虛擬美術(shù)館的作品拍攝。

4 UE4在虛擬美術(shù)館中的應(yīng)用

4.1 UE4簡介

UE（Unreal Engine）是目前世界最知名、授權(quán)最廣的頂尖游戲引擎，占有全球商用游戲引擎80%的市場份額。UE4誕生于1998年，是美國Epic游戲公司研發(fā)的一款3A級次世代游戲引擎，采用PBR物理材質(zhì)系統(tǒng)，實(shí)時渲染效果強(qiáng)大，成為開發(fā)者最喜愛的虛幻引擎之一。2020年5月13日虛幻引擎官方發(fā)布了虛幻5引擎。

4.2 導(dǎo)入模型

第一，在導(dǎo)入模型前先將世界坐標(biāo)歸零，確定物體的世界位置，導(dǎo)入后物體不會移位，和在3Dmax顯示一樣，通過相對位置一起移動和改變場景。

第二，需要注意比例單位的問題。3Dmax和UE4 引擎默認(rèn)的比例單位不一樣，3dmax 中是默認(rèn)的比例單位是 1 米，而 UE4 里默認(rèn)的單位是 1 厘米。所以，在 3dmax 導(dǎo)出為FBX 格式的時候先將單位調(diào)為厘米，再將模型導(dǎo)入 UE4 引擎中。

第三，避免將碰撞體一起導(dǎo)入UE4。物件模型導(dǎo)入UE4后，在UE4中添加碰撞體，可以避免貼合物體不緊密的碰撞體與鄰近物體發(fā)生碰撞，或者是交叉，導(dǎo)致相鄰的物體一起抖動。

4.3 設(shè)置物理碰撞

設(shè)置物理碰撞是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中必不可少的內(nèi)容，為了避免違反現(xiàn)實(shí)生活規(guī)律，避免用戶在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)時，發(fā)生“穿透墻體”“穿透物體”等現(xiàn)象，我們必須設(shè)置物理碰撞。設(shè)置物理碰撞，還可以增強(qiáng)用戶的真實(shí)體驗(yàn)感。在虛擬美術(shù)館中，我們針對墻體、門床、隔板、雕塑等物件均添加了物理碰撞。

5 結(jié)語

我院三維虛擬美術(shù)館的設(shè)計(jì)與研究能夠?yàn)閹熒髌诽峁┱故酒脚_，改變展陳方式，開創(chuàng)了新的對外展示宣傳學(xué)院的途徑和模式。但受技術(shù)水平限制，還有很多不完善的地方，需要深入研究。進(jìn)一步提高模型精度和完善場景細(xì)節(jié)，交互設(shè)計(jì)方面提高用戶體驗(yàn)等。