基于Unity3D的法器類文物虛擬展示系統(tǒng)

徐帥玉 楊曉波

摘要：隨著三維技術(shù)的發(fā)展，三維虛擬展示將取代二維展示而成為主流。為了積極響應(yīng)習(xí)近平總書(shū)記文化建設(shè)和文化保護(hù)傳承的號(hào)召，讓大眾能夠近距離觸摸文物，基于Unity3D進(jìn)行虛擬展示開(kāi)發(fā)，以西藏法器類文物為例，通過(guò)三維激光掃描采集、照片建模、3ds Max三維建模等方法建立法器三維模型，用UGUI設(shè)計(jì)制作三維展示交互界面，用C#語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)文物移動(dòng)展示、旋轉(zhuǎn)縮放展示等功能，搭建了一個(gè)既能還原法器樣貌，又能突出展示法器的模型，也可以讓游客有著全方位觀看體驗(yàn)的展示系統(tǒng)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)終端發(fā)布觀看也可和實(shí)地展覽。

關(guān)鍵詞：虛擬展示；3ds Max；Unity3D；文物

中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

目前文物展示方式的發(fā)展方向由于文物的珍貴性和復(fù)雜性開(kāi)始在虛擬展示的方向探索發(fā)展。在信息科技迅速發(fā)展的今天，互聯(lián)網(wǎng)是最便捷的知識(shí)獲取地帶，利用新技術(shù)來(lái)重建出虛擬逼真的歷史文物，為展示歷史文物提供一條嶄新方便的道路。新時(shí)代的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既開(kāi)闊了觀看者的視聽(tīng)感應(yīng)能力，還改變物體的形態(tài)和產(chǎn)品服務(wù)方式。國(guó)家對(duì)虛擬技術(shù)的應(yīng)用給予高度關(guān)注，并對(duì)文物保護(hù)的應(yīng)用也起到了重要作用，而且提供了文物展示、保護(hù)、研究的更多方式，更有效緩解歷史文化資源的保護(hù)和利用之間的矛盾，這樣不僅可以擴(kuò)展歷史文化資源的信息傳播的范圍，也為文物展示技術(shù)的事業(yè)發(fā)展提供更加先進(jìn)的科技支持。運(yùn)用虛擬技術(shù)，全面、大量地展示了文物，既能使文物保存更加安全，又可以長(zhǎng)遠(yuǎn)的保存文物。虛擬現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，將文物的展示和保護(hù)水平提升到一個(gè)新的層次，并為文物的展示和保護(hù)提供新的渠道。利用虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以更全方位，更加立體的，形象逼真的進(jìn)行文物展示，因?yàn)樗鼘?duì)于所有人展示出來(lái)的是視覺(jué)上的強(qiáng)烈沖擊，尤其是對(duì)于外在表現(xiàn)十分重視的展示行業(yè)，可以幫助文物迅捷地邁入虛擬時(shí)代，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新時(shí)代的文物展示新方法[1]。

1虛擬展示概述

虛擬展示的方式目前主要有二維和三維兩種形式。而二維展示是基本的圖形技術(shù)，通過(guò)二維影像的形式對(duì)物體進(jìn)行虛擬展示，但基于二維圖像的局限性，人們對(duì)物體的認(rèn)識(shí)并不形象生動(dòng)，對(duì)物體的認(rèn)識(shí)也不能充分地展現(xiàn)出物體的外貌和特征，偏于主觀的想象。實(shí)現(xiàn)對(duì)物體三維模型虛擬展示的設(shè)計(jì)和流程一般是，先通過(guò)三維掃描儀器獲取物體的三維數(shù)據(jù)；二則利用3D建模軟件建立物體的3D模型；然后使用3D渲染技術(shù)設(shè)計(jì)、3D交互設(shè)計(jì)以及各種虛擬技術(shù)，最后構(gòu)成物體的虛擬展示平臺(tái)。本論述使用的三維虛擬展示技術(shù)Untiy3D，是目前用于游戲制作的引擎之一，由于它跨平臺(tái)應(yīng)用性良好，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維影像創(chuàng)建和可視化展示，被很多行業(yè)用于產(chǎn)品的可視化虛擬仿真設(shè)計(jì)和展示系統(tǒng)的研究中，并取得了良好的成果。Unty3D在圖形表現(xiàn)處置上面，擁有高度優(yōu)化的圖形渲染通道和內(nèi)建的NVIDIA PhysX物理引擎，通過(guò)GUI粒子系統(tǒng)、聲效等輔助手段模擬物體二維空間下的運(yùn)動(dòng)和碰撞，能夠給用戶真實(shí)反饋。Unity3D能和主要的相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)同工作并支持主流的文件格式。Unity3D作為42%的用戶使用率，廣泛應(yīng)用于在VR，AR，MR，游戲及虛擬仿真領(lǐng)域[2]。

2三維模型準(zhǔn)備

2.1三維建模

根據(jù)藏傳佛教法器的不同材質(zhì)采用不用的三維建模方法，使用三維激光掃描采集、照片建模、3ds Max三維建模等方法建立藏傳佛教法器三維模型。

三維激光掃描建模方法需要依靠三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的搜集，例如手持式三維激光彩色掃描儀VIUscan，可以準(zhǔn)確真實(shí)的呈現(xiàn)物體效果，使掃描過(guò)程更加便捷，并且界面非常易于操作。掃描流程：首先需要工件準(zhǔn)備貼好定位點(diǎn)，確定好參考位置，其次打開(kāi)應(yīng)用程序VXelements調(diào)整參數(shù)設(shè)定，新建項(xiàng)目，點(diǎn)擊掃描，即可開(kāi)始掃描，配置傳感器，然后調(diào)入定位點(diǎn)，獲得數(shù)據(jù)，保持好合適的掃描距離，就可以編輯掃描數(shù)據(jù)，掃描結(jié)束后保存為.obj格式文件，保存結(jié)果。

照片建模則是使用手機(jī)或者數(shù)碼相機(jī)等拍攝工具，拍攝原始圖像集，比如PhotoScan軟件照片建模流程，先對(duì)拍攝照片進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選，刪除模糊不清、不能使用的照片。然后打開(kāi)PhotoScan軟件，選擇工作流程添加上所有照片的文件夾，將經(jīng)過(guò)篩選的照片導(dǎo)入。即可在軟件中將照片進(jìn)行對(duì)齊，在這一步可以對(duì)質(zhì)量進(jìn)行選擇，為了得到更好、更精確的效果，建議全部選擇“最高”質(zhì)量。繼而可以根據(jù)工作流程繼續(xù)下去，再進(jìn)行密集點(diǎn)云的建立，密集點(diǎn)云的生成影響著后期生成面片的效果，點(diǎn)云如果越密集，生成的面片數(shù)就會(huì)越多，最終呈現(xiàn)的效果就會(huì)越逼真，在密集點(diǎn)云生成以后，就是模型的生成，在軟件中，選擇生成網(wǎng)格、生成紋理，這是一個(gè)模型最終建立的過(guò)程，后臺(tái)通過(guò)之前已經(jīng)建立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行生成，就可以得到使用的模型[3]。

而對(duì)于照片建模無(wú)法實(shí)現(xiàn)的法器建模就需要采用到3ds Max軟件三維建模，可以實(shí)現(xiàn)各種材質(zhì)效果，操作簡(jiǎn)單，且運(yùn)用面非常廣，渲染效果好。3ds Max內(nèi)置幾何體多由參數(shù)控制，通過(guò)對(duì)參數(shù)的調(diào)整可以調(diào)整幾何體形態(tài)。通過(guò)兩個(gè)及以上模型的運(yùn)算，建造出其他不同的模型。利用3ds Max軟件進(jìn)行進(jìn)一步三維建模的細(xì)化工作，處理模型的一些細(xì)節(jié)，比如做出來(lái)與原物體不較光滑，則可以把物體的面設(shè)多一些就，或者用smooth修改器進(jìn)行修改，使之更加貼近于真實(shí)形象。

2.2模型導(dǎo)出

完成三維模型后，首先將3ds Max里的文物三維模型導(dǎo)入到Unity3D軟件中，接著做紋理貼圖和交互等工作，因?yàn)閁nity3D支持多種外部導(dǎo)入的模型格式，如. FBX，.dxf，.obj等格式文件，所以需要將3ds Max中的法器模型導(dǎo)出到.FBX格式，就可以導(dǎo)入到Unity3D了。然后在3ds Max中法器三維模型導(dǎo)出過(guò)程，可以基本分成以下幾步，首先單擊開(kāi)始按鈕，執(zhí)行導(dǎo)出選項(xiàng)，在導(dǎo)出的文件夾對(duì)話框里選擇Autodesk（*.FBX）為保存類型，指定的保存路徑是該FBX文件的命名且保存，然后軟件在保存之前會(huì)彈出“FBX導(dǎo)出”對(duì)話框，如圖1所示。參數(shù)如果沒(méi)有特殊要求則保持默認(rèn)不變就可以，即成功將法器模型的FBX文件成功被導(dǎo)出。然后將3ds Max軟件成功導(dǎo)出的三維模型文件，直接添加到項(xiàng)目資源文件夾中，Unity3D會(huì)將其顯示在Assets面板中。

3系統(tǒng)需求分析

3.1用戶需求分析

虛擬文物展示可以稱為游客與實(shí)體文物的連接的繩索，能把游客和文物放到同一個(gè)精神世界里，可以延申和擴(kuò)展實(shí)體展示更多的精神內(nèi)容。簡(jiǎn)單的圖片或者固定展示方式，在科技迅速發(fā)展的今天已經(jīng)滿足不了用戶的文化需求，展示需要把用戶更好的體驗(yàn)放在首位，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，方便了操作方法，不同角度靈活的展示，各個(gè)不同視角的觀看方式等虛擬技術(shù)展現(xiàn)手段，也可以觸發(fā)人們對(duì)展品更濃厚的興趣。

3.2功能需求分析

普通的展示形式大部分為文字、圖片、實(shí)物等靜態(tài)并且單一的方式，而在虛擬技術(shù)的支持下，我們可以盡可能的增加物體全方位展示的功能，更加有利于法器得到全面的展示，這樣可以真正擺脫展示面單一上的局限，更好的讓人們觀看到整體。因此，為了達(dá)到用戶的需求，將法器三維展示系統(tǒng)分為進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、切換等基本操作[4]。

3.3文化需求分析

文物展示對(duì)于歷史傳承和文化傳播有著非常關(guān)鍵的影響。在進(jìn)行歷史文化探究的時(shí)候，對(duì)文物進(jìn)行展示也是對(duì)文化遺產(chǎn)內(nèi)涵的更深理解，文物展示既是對(duì)歷史更好的見(jiàn)證，更是民族文化繼承發(fā)展的橋梁。通過(guò)虛擬展示可以讓游客在一個(gè)有著友好、清晰脈絡(luò)的界面下，舒適簡(jiǎn)單的觀看逼真的虛擬文物展品，也可以根據(jù)自己的愛(ài)好來(lái)選擇感興趣的物體進(jìn)行細(xì)節(jié)上的詳細(xì)觀察，不僅可以更加有力量地引導(dǎo)游客了解法器類文物，逼真的展示出文物原貌，提升了展示效率[5]。文物虛擬展示通過(guò)自身的展示宣傳功能，對(duì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)、管理和重新研究起著非常關(guān)鍵的作用[6]。

3.4系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

根據(jù)對(duì)用戶需求和功能設(shè)計(jì)的分析，確定了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖如圖2所示，首先研究并整理了文物保護(hù)到三維立體建模的資料，之前照片建模和3ds Max對(duì)法器進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到Unity3D軟件，Unity3D在導(dǎo)入fbx時(shí)，會(huì)根據(jù)建模時(shí)Max的物理尺寸，將模型以3dMax中的物理尺寸大小呈現(xiàn)在Unity的虛擬世界中。建立展示天空?qǐng)鼍埃柚鷆#腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)展示、旋轉(zhuǎn)縮放展示等功能，建立起既可以還原法器樣貌，突出的展示法器文物模型，讓游客全方位觀看體驗(yàn)的展示系統(tǒng)。

4虛擬展示

4.1展示主界面

展示界面包含了用戶可能點(diǎn)擊移動(dòng)的所有方向，操作頁(yè)面簡(jiǎn)明大方，展示界面如圖3所示。

天空盒背景設(shè)計(jì)，就像6個(gè)正方形，圍起來(lái)正好是一個(gè)立方體盒子。本論述天空盒設(shè)置方法是，在場(chǎng)景中添加天空盒，這么做可以避免在多攝像機(jī)中切換攝像機(jī)而導(dǎo)致的天空顯示不一致。windows里在Lighting面板中點(diǎn)擊Scene，就可以看到Skybox的選項(xiàng)，將天空盒材質(zhì)賦予即可。

4.2法器切換展示

法器切換功能是展示的基本功能，所有法器通過(guò)左右鍵可以來(lái)回切換，法器切換功能及其文字介紹如圖4所示，使用腳本如下。

4.3旋轉(zhuǎn)縮放展示

法器縮放功能可以隨時(shí)調(diào)整法器的大小進(jìn)行觀看展示，通過(guò)鼠標(biāo)滾輪來(lái)回放大縮小，法器旋轉(zhuǎn)展示功能，與傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片展示相比，它給到游客效果是一個(gè)3D動(dòng)畫(huà)如圖5、圖6所示，就能讓游客了解到法器的每一面，能真實(shí)的觀看到法器的每個(gè)角度跟細(xì)節(jié)，大大提高用戶的體驗(yàn)度。此功能用到Rotate函數(shù)，腳本如下所示。

5結(jié)論

本論述基于Unity3D的西藏法器虛擬展示系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)西藏法器類文物的全景展示，對(duì)比法器的實(shí)物與虛擬展示的效果，可以發(fā)現(xiàn)，能夠高度還原法器展示的基本外形信息。與其他的展示方法相比，通過(guò)unity3d引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展示效果，其物體的還原度基本滿意，可以給游客真實(shí)見(jiàn)到原物體的感覺(jué)，能夠給人們帶來(lái)更強(qiáng)的生動(dòng)性和吸引力，并為虛擬展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方向。

隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，在虛擬展示這一新興領(lǐng)域，慢慢推動(dòng)著互動(dòng)展示設(shè)計(jì)往更加豐富多彩的方向，也促進(jìn)了虛擬文物展示技術(shù)的進(jìn)一步更新。虛擬互動(dòng)展示可以將虛擬的場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景完美的融合在一起，使游客在觀看展示過(guò)程中，任意的欣賞著，架起來(lái)一個(gè)無(wú)形的溝通橋梁，對(duì)未來(lái)的數(shù)字化保護(hù)和文化傳播有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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