侯利霞，王紅波

（南昌工學院，江西 南昌 330108）

當前，國內外很多知名博物館將VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術與展品結合，以增強參觀者的互動體驗感，從而激發(fā)觀眾學習興趣。虛擬現實、增強現實技術特有的交互性、沉浸感特征，改變了傳統博物館單一的展陳方式，促使博物館展陳手段與方式的變革，展示方式開始從“以物為中心”轉向“以人為中心”，從而能更好地提升公眾的參觀體驗，實現信息接收與傳遞的雙向交流[1]。

國內VR博物館技術的研究大多聚焦于數字展示的理論研究，而缺乏數字博物館實際應用技術的總結歸納。因此，本研究在項目實踐基礎上，通過整理與分析VR博物館的實證研究成果，對VR技術在博物館展覽展示的研究進行梳理，詳細總結VR數字博物館開發(fā)流程、技術、經驗。

1 VR技術概念

虛擬現實是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環(huán)境的感受和體驗[2]。

虛擬現實技術的沉浸性、交互性、多感知性、構想性等特征，給各產業(yè)提供了新的可能，虛擬現實技術在醫(yī)學、軍事航天、室內設計、文物古跡保護等領域都有廣泛的應用，它不僅改變人們生活的方方面面，同時通過“VR+”也預告新世紀各個產業(yè)的革新。

基于VR技術的博物館展覽展示分為三維虛擬展廳和展品展示。三維虛擬展廳是以現實中博物館場景為素材進行虛擬建模。通過手柄、鼠標等輸入設備，以第一人稱視角瀏覽、漫游。包含預定路線導覽模式和自由瀏覽模式，讓不在現場的用戶體驗到類似于身處場館內瀏覽的參觀感受。

VR+展品以展品為展覽展示對象，針對不同展館、展品的文化特征、工藝特性、價值屬性等內容進行設計，從傳播和教育出發(fā)，以游戲和娛樂作為手段，以VR交互技術為載體，進行三維模型制作、動畫制作、植入聲音等。相對于傳統的靜態(tài)展示，VR+展品展示可以將文物旋轉、切分、拆卸、放大或縮小，可以展示模型的內部結構、工作原理等，有助于觀眾對模型進行多角度的觀察和了解，有很好的可視化效果。

2 VR技術在博物館中的應用

目前己有較多研究者通過實證研究，從理論上探索了VR技術在博物館展覽中的應用。王碩等[3]從傳統博物館時空特點分析，指出VR技術拓展了博物館空間多維性、延伸性和融合性，能較好地解決博物館展品設計缺乏互動性和趣味性的問題。王秀麗[4]指出VR技術引發(fā)從“呈現文化”向“模仿文化”、從“靜態(tài)展臺”到“交互觀展”、從“人在館中”到“人館分離”的傳播場域，從而改進了傳統博物館固有的參觀方式和展覽條件。

蘇怡[5]結合故宮博物院近年來VR技術應用研究實踐，從保護實體建筑環(huán)境、擴展展陳空間、豐富參觀體驗、完善觀眾服務等方面探討如何利用“虛擬”技術拓展博物館“實體”空間。呂屏等[6]以虛擬現實理論為基礎，歸納分析國內外的虛擬博物館展示中交互設計的特征與原則，探索出新穎的、符合用戶體驗的沉浸式虛擬博物館展示中的交互設計。

將VR技術應用于博物館不僅在理論上發(fā)展迅速，而且也有很多引人注目的建設項目值得推廣。例如：①模仿現實世界中已經存在的環(huán)境的虛擬漫游多點互動項目，包括對館藏文物的虛擬展示、實體展廳的網絡在線展示。2016年四川省文物考古研究院虛擬考古體驗館將廣元窯遺址搬進VR設備，觀眾利用頭顯設備可進入考古發(fā)掘現場，煙道、窯前室火門、火膛、窯床……這些區(qū)域都以真實再現的方式呈現在公眾眼前。②構建現實中不存在的、由人主觀構造的環(huán)境。博物館虛擬的古代遺址復原展示很大程度上是根據歷史遺跡和文史資料等片段信息構成，既有真實存在的，又有虛構的。2018世界VR產業(yè)大會“神奇海昏”展館，該展館由南昌漢代海昏侯國遺址管理局精心打造，運用VR、AR等現代科技，展現海昏侯國燦爛的歷史文化。

通過對現有文獻資料整理和建設項目分析，VR+博物館方式突破傳統陳列式展示模式的時空維度限制，讓人們快速地接受并主動認識、記憶展覽所要傳達的情感和知識，彌補了傳統博物館展示對觀眾情感的忽視，使個人情感在交互式的多感官沉浸式體驗中得到了滿足和關注。

3 中國工藝美術大師虛擬現實博物館開發(fā)

中國工藝美術大師博物館位于南昌市南昌工學院，是中國迄今唯一一座為532位由政府評定的中國工藝美術大師專門建造的博物館。

3.1 博物館展覽展示虛擬現實結構功能設計

虛擬博物館在遠程終端是以網站形式呈現的，其結構功能設計主要包括頁面設計、導航模塊、虛擬展廳、虛擬展品等模塊設計與開發(fā)。

導航模塊：在進入中國工藝美術大師虛擬現實博物館之前，會進入導航部分，指導用戶選擇進入不同的展館區(qū)域（序廳、陶瓷工藝展館、漆器工藝展館），用戶可以使用VR手柄進行控制。

虛擬展廳：中國工藝美術大師虛擬現實博物虛擬展廳依據現實場景進行數字化建模，展示博物館的內部主體建筑樣貌。

虛擬展品：依據現實博物館的展品進行模型制作，用戶可以從各個方位觀看展品的每處細節(jié)。

3.2 博物館展覽展示虛擬現實系統構架

數字博物館項目系統的實現需要硬件系統和軟件開發(fā)2個部分。硬件設備主要是高性能計算機和虛擬現實VR頭部顯示設備，軟件部分包含UI交互設計、模型制作、程序開發(fā)。

硬件：高性能計算機、連接PC機/游戲機使用的VR頭盔，如HTC Vive、Oculus Rift。HTC Vive可以在15 in×15 in（1 in≈2.54 cm）的范圍追蹤用戶的物理位置，被稱為“真正可以走動的VR”。開發(fā)過程中可以使用鍵鼠進行模擬，使用的開發(fā)包包括Steam VR1.2.3 SDK、VRTK SDK、Dotween Pro插件。Steam VR SDK為驅動HTC VIVE硬件設備的關鍵開發(fā)包，需要搭配Steam VR軟件一起使用。Oculus Rift是消費級頭盔，產品包含顯示器主題和2款游戲。

軟件：UI設計分為交互設計、用戶研究、界面設計3個部分。在整個博物館空間展示的過程中，模擬鼠標手勢可以點擊的按鈕和鏈接應該從鼠標手勢變?yōu)槭中?。使用矢量圖形軟件Illustrator，此軟件主要負責界面圖標的設計，可以管理非常復雜的圖形布局。Photoshop位圖軟件專門從事圖像處理，功能全面，可填充界面文本、圖標和圖形等內容。

建模：模型制作包含場景和展品單體。美術建模使用3Dmax創(chuàng)建中、低模，zbrush雕刻高模，TopoGun 2拓撲模型，Unfold3D分UV，Substance Painter繪制紋理貼圖。復雜模型使用照片建模方法，首先測量工藝美術大師博物館展廳、展品實際尺寸；然后利用單反相機對展廳外觀、貼圖、展品進行360°照片采集，再利用手持掃描儀掃描展品（小型）；最后將采集的照片在PhotoScan軟件生成三維點云數據，提取貼圖和法線貼圖。

程序開發(fā)：程序開發(fā)使用Unity3d，引擎包含在Unity3d集成平臺，用C#語言編寫的引擎大量腳本，能夠實現所需的交互功能。

3.3 博物館展覽展示虛擬現實開發(fā)流程

博物館展覽展示虛擬現實開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程

4 博物館展覽展示系統技術實現

項目主要有瀏覽模式和VR模式。瀏覽模式主要是以更加詳細地介紹博物館的藏品為主，通過簡潔的頁面，向人們展示博物館藏品的信息。VR模式則是力求通過用逼真的場景，讓體驗者感受到更真實的參觀體驗。

4.1 動態(tài)場景搭建

虛擬現實技術的目的是實現虛擬環(huán)境的構建，不僅是為了滿足真實環(huán)境完全還原的需要，也是為了展示真實環(huán)境的動態(tài)性。動態(tài)建模首先需要獲取真實空間環(huán)境中的各種信息，通常使用CAD技術獲取局部環(huán)境信息，其余信息需要采用可視化技術，以保證動態(tài)環(huán)境中數據源的完整性。建模過程：CAD布局圖導入3DsMax，樣條線擠出創(chuàng)建墻體，搭建序廳，陶瓷工藝展館，漆器工藝展館，創(chuàng)建展柜；鍵入數據根據反饋形成計算機可視化3D虛擬模型，再利用虛擬現實技術創(chuàng)建與真實環(huán)境一致的虛擬視圖；做好場景模型后，在Unity中進行調整，調整場景比例大小、藏品在場景中位置等等。場景搭建如圖2所示。

圖2 場景搭建

4.2 展品動畫

UI的交互是通過美術提供的圖片進行再次排版，按鈕是賦予代碼的邏輯。項目采用了大量位置移動互換的腳本以及大量的碰撞檢測觸發(fā)機制，觸發(fā)物體使得位置變動，觸發(fā)物體播放位置音樂，觸發(fā)物體彈出UI，館內物品靠近可以觸發(fā)移動，用戶可以直接拾取。作品實現了顯示用戶使用時間的功能，并伴有音樂。展品動畫如圖3所示。

圖3 展品動畫

4.3 立體聲合成技術

在創(chuàng)建虛擬場景時，設計師利用聲波傳遞的原理，即聲音分離的錯覺，這是由用戶的兩只耳朵從不同方向接收到的聲音引起的，提升用戶對周圍聲音的聆聽體驗，帶立體聲。通過該技術的合理應用，用戶聽到的聲音與聲音傳播的實際方向無關，實現了虛擬場景環(huán)繞音頻體驗。

4.4 全局光照技術

全局光照有基于物理的光照渲染、基于光線追蹤的全局光照、基于光照探針的全局光照原理。在基于物理的渲染中，使用粗糙度和平滑度來表示物體反射高光的大小。使用法線貼圖來描述平面法線向量，PBR渲染嚴格遵循節(jié)能原則。換句話說，為了照亮一個片段，反射光束、折射光束和片段吸收的能量之和等于入射光束的能量。

基于烘焙貼圖的全局光照可以實現靜態(tài)物體的全局光照，實現了出色的圖像質量和快速的運行能力，但無法實現動態(tài)物體的全局光照，光傳感器的全局光照技術需要時間。與基于烘焙貼圖的全局光照相比，探針可以以較小的處理壓力解決動態(tài)物體的間接光照，從而實現全局光照[7]。

該場景使用大量區(qū)域燈光進行全局照明。用燈光填充場景，通過改變色調，調整場景的整體氣氛。靜態(tài)烘焙用于在視圖中無法移動的對象，可以保留圖像質量并減少計算機的負載。借助反射探頭，補充環(huán)境的反射信息，通過反射將信息返回給物體，增加了環(huán)境的真實感。反射探針和光照探針搭配使用，設置調出合理的燈光氛圍。場景燈光如圖4所示。

圖4 場景燈光

為了提高渲染效率，使用基于G-buffer的延遲渲染技術，有效降低運算光照所帶來的計算機負載程度。每個光傳感器通過球面諧波記錄環(huán)境光中不同類型的反射光數據，并使用貼圖存儲環(huán)境光數據和鏡面光數據。為了提高渲染對象的精度，在此基礎上使用物理渲染（PBR）技術，以最終實現與渲染質量和效率兼容的光傳感器模型。

本項目通過多次打磨，逐漸完善在VR體驗中出現的問題，但仍存在以下需要完善的內容：①界面UI缺乏美觀度，藏品目錄UI設計需新一步完善；②可以使用Substance Painter工具繪制使材質更加真實，提高材質貼圖質感；③研究高清渲染管線（HDRP）的使用，增強畫面效果。

5 總結

本文在分析VR技術應用于博物館展覽展示相關文獻資料及優(yōu)秀開發(fā)項目基礎上，結合中國工藝美術大師博物館VR項目開發(fā)，實踐了三維虛擬展廳和展品交互研究，營造人與環(huán)境合二為一的場景，使觀眾在這種沉浸感受之中充分發(fā)揮主觀能動性，提高信息接收的頻率，從而讓觀眾獲得知識并產生虛擬現實參與感。文章重點對VR項目開發(fā)過程進行了詳細梳理與總結，可為同類型項目開發(fā)提供一定的經驗和借鑒。