基于Unity3D平臺的VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)開發(fā)

楊芳圓，蔡青青

（紹興職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000）

1 背 景

博物館是代表自然和人類文化遺產(chǎn)的實物場所，體現(xiàn)著一個國家或者地區(qū)的文明[1]。中國黃酒博物館擁有豐富的館藏，其黃酒物質(zhì)與非物質(zhì)遺產(chǎn)文化展示，展覽了紹興黃酒的器皿、歷史、工藝、風俗及酒窖等[2]。由于黃酒博物館仍存在門票價格過高以及多媒體播放廳長期封閉等問題，缺乏參觀者，使得黃酒博物館的很多資源閑置，并沒有很好地促進黃酒文化的傳播與交流，導致其無法充分發(fā)揮最大價值[3]。為了更好地發(fā)揮黃酒博物館的高層次傳播與交流功能，本文借助虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術的特點，基于Unity3D平臺，設計并開發(fā)了VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)，讓參觀者可以在任意時間地點，多角度、全方位地游覽黃酒博物館，讓參觀者“沉浸”在黃酒的歷史文化氛圍中，啟發(fā)參觀者主動獲取、主動學習的意識，提升黃酒博物館信息文化的傳播效率[4]。

2 VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)設計

結合黃酒博物館的展示內(nèi)容與文化特色，本文設計的系統(tǒng)總體功能包括黃酒博物館陳列廳、黃酒非遺展廳及VR交互三個方面，如圖1所示。黃酒博物館陳列廳主要以展示為主，用戶以第一人稱視角自由漫游，全方位地欣賞展品，聆聽黃酒歷史故事。對于所有展品，用戶可以通過手柄選中展品，對展品進行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動以及查看展品介紹等功能。黃酒非遺廳包括酒技廳、花雕廳及手工酒作坊，主要以交互為主。借助Unity交互技術，添加碰撞檢測，可以呈現(xiàn)黃酒釀造工藝、酒令投壺及花雕繪制等交互功能。

圖1 系統(tǒng)總體功能結構設計

3 VR黃酒博物館交互系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的實現(xiàn)主要涉及三維場景制作、場景渲染以及虛擬交互等技術。三維場景制作采用3ds MAX軟件，場景渲染采用Unity3D引擎，虛擬交互制作采用HTC VIVE相關技術。系統(tǒng)具體實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 VR黃酒博物館交互系統(tǒng)實現(xiàn)流程

3.1 三維場景制作

本文通過網(wǎng)絡、實地考察、專家咨詢等多種渠道，整理收集有關黃酒博物館的素材資源。其中，通過實地參觀黃酒博物館，參考黃酒博物館陳列的展品實物，利用3ds MAX軟件，創(chuàng)建展品模型，組建黃酒博物館文化元素及展品展示庫。針對黃酒文化類別，團隊通過咨詢館內(nèi)黃酒研究專家，將需要展示的文化元素內(nèi)容進行分類，劃分為黃酒起源、黃酒品類、酒史佳話、釀酒技藝、品飲之道以及酒風酒俗等模塊。

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，虛擬現(xiàn)實技術的核心應用是營造逼真的虛擬環(huán)境。因此創(chuàng)建逼真的三維黃酒博物館場景至關重要，也是本系統(tǒng)工作量最大的部分。團隊根據(jù)前期素材的篩選整理以及與研究人員的討論，確定黃酒博物館中的建筑模型、展廳、展品、展板、展臺等所有三維模型，以3ds MAX2021軟件為建模工具，創(chuàng)建黃酒博物館場景及其場景模型，依次給模型添加適當?shù)牟馁|(zhì)紋理、進行UV展開，輔助上顏色、法線等各類貼圖、創(chuàng)建燈光效果，使模型變得更精細更逼真，將每個模型渲染單獨導出為獨立的fbx文件，再導入虛擬開發(fā)引擎。最終形成的黃酒博物館外觀模型如圖3所示。

圖3 黃酒博物館外觀模型

模型制作完成后，需要將其導入Unity軟件完成系統(tǒng)功能的交互，因此模型在制作過程中需要與Unity軟件做好銜接。一方面需注意單位統(tǒng)一，Unity軟件一般以米為單位，而3ds MAX軟件以毫米為單位。另一方面，需注意模型的面數(shù)、點數(shù)，盡管高模效果最逼真、豐富，但對電腦系統(tǒng)的配置要求很高，因此應盡可能采用低模。為了提高低模的表現(xiàn)效果，使模型變小但又不破壞本身效果，可以使用烘焙技術[5]，也可以通過減面的方式，刪除模型中不可見的面來優(yōu)化模型。

3.2 Unity3D平臺搭建

目前主流的VR開發(fā)引擎包括Unreal、VRP、Unigine Engine以及Unity3D，本系統(tǒng)采用的是Unity3D開發(fā)引擎。該平臺支持多平臺、多功能、多語言，本系統(tǒng)選用C#語言進行開發(fā)。將黃酒博物館模型導入Unity3D引擎，首先檢查模型的材質(zhì)與貼圖。由于Unity3D無法完全讀取模型中的材質(zhì)和燈光信息，若模型材質(zhì)與貼圖出現(xiàn)缺失，可通過平臺的材質(zhì)系統(tǒng)和光照系統(tǒng)，對導入的模型進行逐一編輯與調(diào)整。材質(zhì)編輯可以通過創(chuàng)建一個Material（材質(zhì)模板），將其Shader（材質(zhì)實例）作為基礎，選中對象，將Material賦在對象上，同步調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，完成材質(zhì)編輯。Unity3D軟件提供了4種不同類型的光源，分別是Directional Light、Point Light、Spot Light以及Area Light。本系統(tǒng)使用Directional Light模擬自然光，照亮場館；使用Point Light制作壁燈，使用Spot Light充當展品呈現(xiàn)所需的射燈，使用Area Light制作各種燈帶和射入光。在布光時，通過調(diào)整燈光的顏色、大小、方向和強度，配合材質(zhì)調(diào)整中的高光、反光、折射及反射等參數(shù)，提升了場景畫面的質(zhì)感和真實感[6]。

VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)的開發(fā)包括兩個部分，即視景數(shù)據(jù)創(chuàng)建和系統(tǒng)功能的開發(fā)。視景數(shù)據(jù)包括場景模型、場景效果、建筑信息及背景音樂等；系統(tǒng)功能則包括交互邏輯的實現(xiàn)、菜單選項及事件觸發(fā)等[5]。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要配置環(huán)境，在漫游交互中，系統(tǒng)采用Unity3D搭建虛擬現(xiàn)實平臺，外接HTC VIVE硬件設備，在Unity軟件中導入Steam VR相關插件，采用C#語言進行編程，實現(xiàn)攝像機視角的實時轉(zhuǎn)換，使用戶在VR黃酒博物館沉浸式地漫游。

3.3 漫游交互開發(fā)

用戶戴上HTC VIVE頭盔進入黃酒漫游交互系統(tǒng)，以第一人稱視角，通過頭部的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自主控制漫游方向，在黃酒博物館博物館的3D場景中漫游。為了提高用戶的虛擬現(xiàn)實沉浸感，在場景漫游中添加交互功能。系統(tǒng)交互功能包括展品拾取、音視頻播放、場景切換、用戶漫游及碰撞檢測等。

3.3.1 展品拾取

在黃酒博物館展品拾取交互中，用戶通過手柄射線激活菜單選項，扣下手柄扳機實現(xiàn)菜單功能；通過手柄移動，對場景中的展品進行360°旋轉(zhuǎn)欣賞，實現(xiàn)流程如圖4所示。尤其是在黃酒釀造工藝的呈現(xiàn)上，用戶可以抓取物品，模擬釀酒的操作。

圖4 展品拾取功能實現(xiàn)流程

3.3.2 音視頻播放

虛擬場景中的音頻、視頻的功能與展品拾取功能一致，利用手柄進行控制，如圖5所示。

圖5 視頻播放

3.3.3 碰撞檢測實現(xiàn)

黃酒博物館漫游交互制作的主要內(nèi)容是對碰撞檢測的研究，這也是虛擬現(xiàn)實制作的關鍵技術。本系統(tǒng)采用目前應用最廣泛的層次包圍盒碰撞檢測算法。它用一個體積略大、形狀簡單的包圍盒包裹復雜的物體模型，通過這種方法可以簡單地判斷模型是否發(fā)生碰撞。Unity3D引擎中可以構造幾種碰撞體，包括盒碰撞體、膠囊碰撞體、球形碰撞體及網(wǎng)格碰撞體等。

其中盒碰撞體可以調(diào)整為大小不同的長方體，適用于形狀規(guī)則的模型如門、墻等；膠囊碰撞體是基于一個圓柱體和兩個半球體組成的一個整體，適用于不規(guī)則形狀如人物模型的手指；球形碰撞體可以通過半徑均勻調(diào)整球形碰撞體的大小，適用于形狀規(guī)則的圓形模型；網(wǎng)格碰撞體可以創(chuàng)建出與所需模型一致形狀的碰撞體，適用于任意的不規(guī)則形狀模型。碰撞檢測流程如圖6所示。

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文通過3ds MAX建模技術構建了VR黃酒博物館的三維場景，采用Unity3D技術開發(fā)VR漫游交互功能，通過佩戴HTC VIVE虛擬現(xiàn)實頭盔式現(xiàn)實設備，用戶可以在一定空間內(nèi)，獲取黃酒博物館場景中相關的多媒體信息，同時可以實現(xiàn)黃酒博物館漫游與交互的沉浸體驗。團隊通過親身體驗和問卷調(diào)查等方式對用戶體驗進行了分析，實現(xiàn)效果良好。

4 結 語

本文以黃酒博物館為研究對象，通過三維建模和Unity3D交互技術，設計開發(fā)了VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)，使用戶可以更加便利地欣賞館內(nèi)展品，領略黃酒文化的魅力。系統(tǒng)打破了空間的限制，能夠呈現(xiàn)更完備的黃酒文化。