三維虛擬展示技術(shù)在高校博物館中的應(yīng)用

祝嘉

摘 要：高校博物館的發(fā)展面臨著空間的制約問題，為了能夠更好地發(fā)揮高校博物館文化教育功能，必須緊跟時代步伐，利用虛擬技術(shù)借助網(wǎng)絡(luò)平臺，將博物館的藏品用全新的方式呈現(xiàn)給更多的觀眾。本文從高校博物館自身需求出發(fā)，探討了三維虛擬技術(shù)在高校博物館的應(yīng)用，以及如何以高效、經(jīng)濟(jì)的方式解決三維虛擬博物館建設(shè)中的技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：三維虛擬；高校博物館；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

我國的博物館擔(dān)負(fù)著弘揚(yáng)中華文化的光榮使命，據(jù)不完全統(tǒng)計我國收藏于各類博物館的文物達(dá)千萬件，每年還有大量新出土的文物，要讓這些文化瑰寶呈現(xiàn)給廣大觀眾就對博物館的展示空間提出了新的要求。然而博物館的建設(shè)必然受到空間因素的制約，其展示空間也無法無限擴(kuò)容，這就使得大量的珍貴文物常年沉睡于庫房無法與觀眾見面。近年來，我國的高校博物館事業(yè)蓬勃發(fā)展，就高校博物館的定位而言其服務(wù)對象主要是高校師生以及學(xué)科建設(shè)，從籌建之初就明確了自身的特色也區(qū)別于一般地方博物館。從選址就受到校園環(huán)境的制約，在展示空間上必然面臨著比地方博物館更大的空間限制。隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及三維虛擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化博物館開始興起，這也為我國博物館的發(fā)展提供了新的平臺，高校博物館事業(yè)也迎來了新的發(fā)展契機(jī)。本文以蘇州大學(xué)博物館為例，簡析三維虛擬技術(shù)的實際應(yīng)用。

1 三維虛擬博物館的展示類型

虛擬博物館又稱數(shù)字博物館，它通過數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)實物博物館所擁有的職能通過數(shù)字化的形式在網(wǎng)絡(luò)上再現(xiàn)。[1]早在20世紀(jì)末，西方許多知名的博物館就開始建設(shè)自己的博物館網(wǎng)站、建立數(shù)字化的藏品數(shù)據(jù)庫，并開始嘗試?yán)锰摂M技術(shù)實現(xiàn)博物館的虛擬化。近些年，我國的互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)迅猛發(fā)展，帶動了以互聯(lián)網(wǎng)為平臺的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。其中，虛擬技術(shù)也在此次浪潮中有了突破，使得原本存在于實驗室的高端技術(shù)可以親民的走入日常生活中。

目前，我國的三維虛擬博物館大體分如下幾種類型：

第一類：360°實景全景技術(shù)，利用360°實景拍照實現(xiàn)全景呈現(xiàn)。利用此技術(shù)的有：國家博物館、中國美術(shù)館、陜西歷史博物館等。此技術(shù)主要是通過專業(yè)相機(jī)來拍攝整個場景，使用軟件進(jìn)行合成即把二維空間模擬成三維空間呈現(xiàn)出來。這類技術(shù)具有真實感強(qiáng)、制作周期短、文件數(shù)據(jù)小等優(yōu)勢，為我國大多數(shù)虛擬博物館所采用的技術(shù)形式。實現(xiàn)已有場館的虛擬化具有較高的應(yīng)用價值，但同時也存在一些不足。當(dāng)前，我國博物館遇到的較為突出的問題是展陳空間不足，此類技術(shù)是已有展廳的虛擬化解決方案，但對展陳空間不足的問題并不適用，不能拓展展示空間。

第二類：全三維虛擬技術(shù)，此類技術(shù)通過全三維建模的方式呈現(xiàn)展廳。這類技術(shù)最為經(jīng)典的案例就是故宮博物院和IBM公司合作打造的超越時空的紫禁城項目。這是中國首次使用全3D的形式對文化景點進(jìn)行虛擬展示，在我國全3D虛擬技術(shù)發(fā)展上具有里程碑式的意義。這類技術(shù)滿足了博物館對空間拓展的需求，能夠創(chuàng)造性地在互聯(lián)網(wǎng)上呈現(xiàn)出所需的展示空間，不再受到實體場館的空間制約。這類技術(shù)在虛擬展陳的空間、形式上獨具優(yōu)勢，但由于場景全部由3D建模生成所以整個場景的精細(xì)程度都由3D建模的技術(shù)決定，對于展品來說也存在失真的可能性。展示精度和所耗費(fèi)的人力和時間成正比，所以此類技術(shù)在人力和時間上要遠(yuǎn)大于360°實景虛擬技術(shù)。

第三類：3D與2D技術(shù)相結(jié)合。這種3D與2D相結(jié)合是一種綜合性的技術(shù)手段，以三維虛擬的展廳空間為載體，展品和文字以2D的方式呈現(xiàn)，這種技術(shù)在盧浮宮網(wǎng)上博物館、網(wǎng)上上海世博會等網(wǎng)上場景已有成功的運(yùn)用。此方式是較為先進(jìn)的虛擬展示解決方案，一方面解決了對展示空間的需求，另一方面不因人為因素影響展品的真實性。但這類技術(shù)涉及的技術(shù)手段較為全面、綜合，對制作的要求較高。

作為高校博物館應(yīng)根據(jù)實際需求，確定博物館虛擬化的具體解決方案。以蘇州大學(xué)博物館為例，因館內(nèi)展陳空間的限制，許多展品無法呈現(xiàn)，所以可以首選拓展展示空間的技術(shù)手段。《東吳碑廊》展廳，碑刻作品多以大理石、漢白玉等石材雕刻而成，其體積大、質(zhì)量大，對場館的空間、場地的硬度都有較高的要求，目前場館內(nèi)只能展出少量的碑刻作品（圖1）。然而碑刻作品在陳列中需要配合拓片進(jìn)行展出，這樣的需求就符合了虛擬化方案中3D與2D相結(jié)合的方式進(jìn)行展出。

2 三維虛擬實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

建設(shè)三維虛擬博物館通常要耗費(fèi)較高的成本，但對于高校博物館而言建設(shè)虛擬博物館的意義又不言而喻，這就需要根據(jù)實際需求找到最適合的解決方案。解決方案的確定是虛擬博物館建設(shè)的第一步，在人力、經(jīng)費(fèi)有限的情況下想要經(jīng)濟(jì)高效地推出三維虛擬館就需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)上的難題。下面根據(jù)蘇州大學(xué)博物館《東吳碑廊》虛擬館的建設(shè)對三維虛擬實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 目標(biāo)確立及資料準(zhǔn)備

確定場館所要展示的內(nèi)容，確定展品的數(shù)量。根據(jù)展品準(zhǔn)備說明文字及圖片。在《東吳碑廊》虛擬展廳的準(zhǔn)備階段需要準(zhǔn)備碑刻作品的正面清晰圖片、拓片高清掃描圖片以及每塊碑刻的說明文字。

2.2 虛擬場景的結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合展品的特色對虛擬場景進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃。一方面，對展陳的流線進(jìn)行規(guī)劃；另一方面，對虛擬展廳人機(jī)互動的場景進(jìn)行規(guī)劃。在流線設(shè)計方面可根據(jù)展品的自身特色來確定，在《東吳碑廊》虛擬展廳中根據(jù)碑刻作品的年代進(jìn)行分類，分為宋、元、明、清以及民國五個版塊，在制作中保證沿著流線參觀展品的時間線是正向延續(xù)的。在人機(jī)互動的場景設(shè)置上區(qū)別于實景布展，在虛擬場景中所要實現(xiàn)的功能、觀眾的行走方式、互動方式都需要進(jìn)行規(guī)劃。首先在功能上明確需求，《東吳碑廊》虛擬展廳中需要滿足觀看碑刻原物，可以通過點擊欣賞拓片作品的清晰圖片，需要有背景音樂并且能夠自主開關(guān)，能夠迅速地返回起始點，可查閱的操作說明等功能，明確了展陳流線和交互功能后才能開始制作。

2.3 虛擬博物館的三維模型繪制

三維模型繪制是虛擬博物館建設(shè)的關(guān)鍵，模型制作的好壞直接影響虛擬場館的真實性和用戶體驗，繪制虛擬場館前要明確制作流程：

第一，建立坐標(biāo)系統(tǒng)：確立場館的坐標(biāo)系，場館的實際長、寬、高。

第二，建立模型：在制作建筑以及復(fù)雜的空間形式時需要運(yùn)用CAD分別繪制平面、立面和頂面，繪制完成后導(dǎo)入3DMAX進(jìn)行放樣生成三維模型。在此過程中需要符合網(wǎng)上漫游的特點，控制模型的面片總數(shù)，刪除不必要的廢線、廢面，場景中呈現(xiàn)的面需要保證光滑無破面，降低模型對計算機(jī)內(nèi)存、顯存的需求。建模過程中適時調(diào)整視口，觀察模型是否平滑。針對《東吳碑廊》虛擬展廳中的碑刻及拓片的模型需要嚴(yán)格按照實物的尺寸制作。

第三，模型貼圖：制作貼圖是虛擬展廳呈現(xiàn)的重要步驟，貼圖質(zhì)量直接影響虛擬場館的觀賞程度。所以3D貼圖之前需要將每一張圖片在PHOTOSHOP中進(jìn)行編輯，針對展品貼圖需要確定圖片縱橫比與原物一致，避免失真。在3D場景中貼圖選擇合適的貼圖坐標(biāo)和投射到物體表面的參數(shù)，使用快速渲染及時查看效果并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

第四，燈光設(shè)置：在3DMAX中燈光分為泛光燈、目標(biāo)點光源以及面光源。泛光燈和面光源多作為環(huán)境光源，可以烘托場館氣氛，目標(biāo)點光源常作為聚光燈照射展品。根據(jù)場館的實際調(diào)整光源的反射、折射及陰影參數(shù)提高虛擬場館的真實性。精致的光源設(shè)置有助于提高展品的觀感，增加展廳的氛圍。

第五，渲染、烘焙：當(dāng)3D模型完成了以上步驟確認(rèn)無誤后才能開始渲染工作，場景渲染的效果即為虛擬博物館網(wǎng)上呈現(xiàn)的效果，所以渲染質(zhì)量直接影響到場館的真實性。渲染是在建模過程中耗時最長的工作，所以在正式渲染前需要渲染小樣進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)各參數(shù)調(diào)整完成后便可以進(jìn)行正式的渲染。烘焙是三維虛擬館重要的技術(shù)步驟，需要將渲染好的場景表面的光影效果以TGA的格式存入文件。只有完成了烘焙的3D文件才能在后續(xù)的制作中保持渲染出的光影效果。

2.4 虛擬展示的實現(xiàn)

目前，基于Web3D技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)通過瀏覽器進(jìn)行跨平臺的三維在線體驗。在此技術(shù)上，Unity3D平臺的出現(xiàn)為虛擬實現(xiàn)視覺化的編輯提供了便利。隨著我國虛擬技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了許多基于Unity3D自主研發(fā)的VR編輯平臺，這也為低成本地實現(xiàn)虛擬技術(shù)提供了可能。

三維虛擬博物館的最終實現(xiàn)必須依靠基于Web3D技術(shù)的后期開發(fā)，有了基于Web3D的交互功能，虛擬博物館不再是實體館的簡單復(fù)制而是賦予了虛擬館全新的感官體驗?！稏|吳碑廊》虛擬展廳實現(xiàn)流暢的網(wǎng)上漫游需要解決如下技術(shù)節(jié)點：

第一，漫游場景優(yōu)化：首先將3DMAX烘焙好的模型導(dǎo)入VR編輯平臺，檢查模型表面材質(zhì)是否完整，模型是否出現(xiàn)遺失等。檢查場景內(nèi)照明是否正常，可在編輯器中調(diào)整燈光。

第二，設(shè)置行走相機(jī)：在虛擬場館中觀眾通常以第一視角進(jìn)行漫游，和參觀實體博物館不同的是這個視角是以行走相機(jī)拍攝的形式呈現(xiàn)的。相機(jī)的設(shè)置上需要綜合場館展品的展示高度、場館空間大小以及符合常規(guī)的實現(xiàn)角度，結(jié)合以上因素調(diào)整相機(jī)的高度、光圈。

第三，物理碰撞設(shè)置：虛擬博物館中所有的物體均是以3D模型的形式出現(xiàn)的，這與實體展廳有著較大的不同。實體展廳所有墻面、展品都是真實存在的，而虛擬館則都是虛擬的圖像，人在其中漫游時難免會觸及模型甚至穿過模型。這就需要對實體的墻和展品設(shè)置物理碰撞，從而達(dá)到和在實體場館中相似的游覽體驗。

第四，人機(jī)交互設(shè)計：人機(jī)交互設(shè)計是虛擬博物館的核心。實現(xiàn)人機(jī)交互必須滿足三個基本要素：操作者、機(jī)器和人機(jī)接口。虛擬博物館的實際使用中操作者即為觀眾，機(jī)器為終端電腦，人機(jī)接口通常只考慮鍵盤和鼠標(biāo)。對于高校博物館來說，在交互設(shè)計前需要結(jié)合實際整理使用需求，不可過于追求新意、動態(tài)，減少對內(nèi)存和服務(wù)器的載荷，保證核心功能的使用?！稏|吳碑廊》虛擬展廳的交互設(shè)計中只保留了拓片欣賞、背景音樂等基本的需求，并且在交互設(shè)計中使用2D與3D結(jié)合的方式。這樣既可以滿足觀眾欣賞高清圖片的需求又可以降低制作和運(yùn)行成本（圖2、圖3）。

虛擬博物館利用以上的關(guān)鍵技術(shù)最終生成網(wǎng)絡(luò)發(fā)布文件即可實現(xiàn)常規(guī)博物館許多無法實現(xiàn)的功能，在高校博物館中具有較高的推廣意義。從關(guān)鍵技術(shù)的難度上看，這是一項綜合的工程只需要對其進(jìn)行技術(shù)分解，就可以降低其技術(shù)難度。

3 展望三維虛擬技術(shù)在高校博物館的應(yīng)用前景

在高校博物館建設(shè)蓬勃發(fā)展之際，需要明確博物館的服務(wù)對象與核心功能，根據(jù)自身特色有針對性地建設(shè)三維虛擬博物館。在啟動三維虛擬博物館項目前做好充分的調(diào)研和準(zhǔn)備，做好人員的技術(shù)培訓(xùn)，避免因為技術(shù)或其他因素導(dǎo)致項目擱置造成不必要的浪費(fèi)。在項目啟動后應(yīng)結(jié)合虛擬館的展示規(guī)模做好技術(shù)拆分，分解技術(shù)難度，從而降低制作成本，實現(xiàn)低成本運(yùn)作，在經(jīng)費(fèi)、人力有限的情況下在高校博物館中推廣。

隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)衍生技術(shù)也隨之興起，作為文化教育事業(yè)重地的高等學(xué)府更應(yīng)借助虛擬技術(shù)的發(fā)展推動教育的發(fā)展，更好地服務(wù)社會！

參考文獻(xiàn)：

[1]冼楓.虛擬博物館[J].裝飾，2007（9）.