基于VR技術(shù)的博物館展覽展示研究＊

侯利霞，王紅波

（南昌工學(xué)院，江西 南昌 330108）

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外很多知名博物館將VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)與展品結(jié)合，以增強(qiáng)參觀者的互動(dòng)體驗(yàn)感，從而激發(fā)觀眾學(xué)習(xí)興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)特有的交互性、沉浸感特征，改變了傳統(tǒng)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(zhuǎn)向“以人為中心”，從而能更好地提升公眾的參觀體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)信息接收與傳遞的雙向交流[1]。

國(guó)內(nèi)VR博物館技術(shù)的研究大多聚焦于數(shù)字展示的理論研究，而缺乏數(shù)字博物館實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的總結(jié)歸納。因此，本研究在項(xiàng)目實(shí)踐基礎(chǔ)上，通過整理與分析VR博物館的實(shí)證研究成果，對(duì)VR技術(shù)在博物館展覽展示的研究進(jìn)行梳理，詳細(xì)總結(jié)VR數(shù)字博物館開發(fā)流程、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)。

1 VR技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性等特征，給各產(chǎn)業(yè)提供了新的可能，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、軍事航天、室內(nèi)設(shè)計(jì)、文物古跡保護(hù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，它不僅改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷?，同時(shí)通過“VR+”也預(yù)告新世紀(jì)各個(gè)產(chǎn)業(yè)的革新。

基于VR技術(shù)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(xiàn)實(shí)中博物館場(chǎng)景為素材進(jìn)行虛擬建模。通過手柄、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，以第一人稱視角瀏覽、漫游。包含預(yù)定路線導(dǎo)覽模式和自由瀏覽模式，讓不在現(xiàn)場(chǎng)的用戶體驗(yàn)到類似于身處場(chǎng)館內(nèi)瀏覽的參觀感受。

VR+展品以展品為展覽展示對(duì)象，針對(duì)不同展館、展品的文化特征、工藝特性、價(jià)值屬性等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shù)為載體，進(jìn)行三維模型制作、動(dòng)畫制作、植入聲音等。相對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)展示，VR+展品展示可以將文物旋轉(zhuǎn)、切分、拆卸、放大或縮小，可以展示模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等，有助于觀眾對(duì)模型進(jìn)行多角度的觀察和了解，有很好的可視化效果。

2 VR技術(shù)在博物館中的應(yīng)用

目前己有較多研究者通過實(shí)證研究，從理論上探索了VR技術(shù)在博物館展覽中的應(yīng)用。王碩等[3]從傳統(tǒng)博物館時(shí)空特點(diǎn)分析，指出VR技術(shù)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(shè)計(jì)缺乏互動(dòng)性和趣味性的問題。王秀麗[4]指出VR技術(shù)引發(fā)從“呈現(xiàn)文化”向“模仿文化”、從“靜態(tài)展臺(tái)”到“交互觀展”、從“人在館中”到“人館分離”的傳播場(chǎng)域，從而改進(jìn)了傳統(tǒng)博物館固有的參觀方式和展覽條件。

蘇怡[5]結(jié)合故宮博物院近年來VR技術(shù)應(yīng)用研究實(shí)踐，從保護(hù)實(shí)體建筑環(huán)境、擴(kuò)展展陳空間、豐富參觀體驗(yàn)、完善觀眾服務(wù)等方面探討如何利用“虛擬”技術(shù)拓展博物館“實(shí)體”空間。呂屏等[6]以虛擬現(xiàn)實(shí)理論為基礎(chǔ)，歸納分析國(guó)內(nèi)外的虛擬博物館展示中交互設(shè)計(jì)的特征與原則，探索出新穎的、符合用戶體驗(yàn)的沉浸式虛擬博物館展示中的交互設(shè)計(jì)。

將VR技術(shù)應(yīng)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(shè)項(xiàng)目值得推廣。例如：①模仿現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的環(huán)境的虛擬漫游多點(diǎn)互動(dòng)項(xiàng)目，包括對(duì)館藏文物的虛擬展示、實(shí)體展廳的網(wǎng)絡(luò)在線展示。2016年四川省文物考古研究院虛擬考古體驗(yàn)館將廣元窯遺址搬進(jìn)VR設(shè)備，觀眾利用頭顯設(shè)備可進(jìn)入考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，煙道、窯前室火門、火膛、窯床……這些區(qū)域都以真實(shí)再現(xiàn)的方式呈現(xiàn)在公眾眼前。②構(gòu)建現(xiàn)實(shí)中不存在的、由人主觀構(gòu)造的環(huán)境。博物館虛擬的古代遺址復(fù)原展示很大程度上是根據(jù)歷史遺跡和文史資料等片段信息構(gòu)成，既有真實(shí)存在的，又有虛構(gòu)的。2018世界VR產(chǎn)業(yè)大會(huì)“神奇?；琛闭桂^，該展館由南昌漢代?；韬顕?guó)遺址管理局精心打造，運(yùn)用VR、AR等現(xiàn)代科技，展現(xiàn)?；韬顕?guó)燦爛的歷史文化。

通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料整理和建設(shè)項(xiàng)目分析，VR+博物館方式突破傳統(tǒng)陳列式展示模式的時(shí)空維度限制，讓人們快速地接受并主動(dòng)認(rèn)識(shí)、記憶展覽所要傳達(dá)的情感和知識(shí)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)博物館展示對(duì)觀眾情感的忽視，使個(gè)人情感在交互式的多感官沉浸式體驗(yàn)中得到了滿足和關(guān)注。

3 中國(guó)工藝美術(shù)大師虛擬現(xiàn)實(shí)博物館開發(fā)

中國(guó)工藝美術(shù)大師博物館位于南昌市南昌工學(xué)院，是中國(guó)迄今唯一一座為532位由政府評(píng)定的中國(guó)工藝美術(shù)大師專門建造的博物館。

3.1 博物館展覽展示虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

虛擬博物館在遠(yuǎn)程終端是以網(wǎng)站形式呈現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)主要包括頁面設(shè)計(jì)、導(dǎo)航模塊、虛擬展廳、虛擬展品等模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)。

導(dǎo)航模塊：在進(jìn)入中國(guó)工藝美術(shù)大師虛擬現(xiàn)實(shí)博物館之前，會(huì)進(jìn)入導(dǎo)航部分，指導(dǎo)用戶選擇進(jìn)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(jìn)行控制。

虛擬展廳：中國(guó)工藝美術(shù)大師虛擬現(xiàn)實(shí)博物虛擬展廳依據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化建模，展示博物館的內(nèi)部主體建筑樣貌。

虛擬展品：依據(jù)現(xiàn)實(shí)博物館的展品進(jìn)行模型制作，用戶可以從各個(gè)方位觀看展品的每處細(xì)節(jié)。

3.2 博物館展覽展示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)字博物館項(xiàng)目系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要硬件系統(tǒng)和軟件開發(fā)2個(gè)部分。硬件設(shè)備主要是高性能計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)VR頭部顯示設(shè)備，軟件部分包含UI交互設(shè)計(jì)、模型制作、程序開發(fā)。

硬件：高性能計(jì)算機(jī)、連接PC機(jī)/游戲機(jī)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(dòng)的VR”。開發(fā)過程中可以使用鍵鼠進(jìn)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(qū)動(dòng)HTC VIVE硬件設(shè)備的關(guān)鍵開發(fā)包，需要搭配Steam VR軟件一起使用。Oculus Rift是消費(fèi)級(jí)頭盔，產(chǎn)品包含顯示器主題和2款游戲。

軟件：UI設(shè)計(jì)分為交互設(shè)計(jì)、用戶研究、界面設(shè)計(jì)3個(gè)部分。在整個(gè)博物館空間展示的過程中，模擬鼠標(biāo)手勢(shì)可以點(diǎn)擊的按鈕和鏈接應(yīng)該從鼠標(biāo)手勢(shì)變?yōu)槭中巍Ｊ褂檬噶繄D形軟件Illustrator，此軟件主要負(fù)責(zé)界面圖標(biāo)的設(shè)計(jì)，可以管理非常復(fù)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(biāo)和圖形等內(nèi)容。

建模：模型制作包含場(chǎng)景和展品單體。美術(shù)建模使用3Dmax創(chuàng)建中、低模，zbrush雕刻高模，TopoGun 2拓?fù)淠Ｐ?，Unfold3D分UV，Substance Painter繪制紋理貼圖。復(fù)雜模型使用照片建模方法，首先測(cè)量工藝美術(shù)大師博物館展廳、展品實(shí)際尺寸；然后利用單反相機(jī)對(duì)展廳外觀、貼圖、展品進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(tái)，用C#語言編寫的引擎大量腳本，能夠?qū)崿F(xiàn)所需的交互功能。

3.3 博物館展覽展示虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)流程

博物館展覽展示虛擬現(xiàn)實(shí)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(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目主要有瀏覽模式和VR模式。瀏覽模式主要是以更加詳細(xì)地介紹博物館的藏品為主，通過簡(jiǎn)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(chǎng)景，讓體驗(yàn)者感受到更真實(shí)的參觀體驗(yàn)。

4.1 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景搭建

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的構(gòu)建，不僅是為了滿足真實(shí)環(huán)境完全還原的需要，也是為了展示真實(shí)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性。動(dòng)態(tài)建模首先需要獲取真實(shí)空間環(huán)境中的各種信息，通常使用CAD技術(shù)獲取局部環(huán)境信息，其余信息需要采用可視化技術(shù)，以保證動(dòng)態(tài)環(huán)境中數(shù)據(jù)源的完整性。建模過程：CAD布局圖導(dǎo)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(shù)據(jù)根據(jù)反饋形成計(jì)算機(jī)可視化3D虛擬模型，再利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建與真實(shí)環(huán)境一致的虛擬視圖；做好場(chǎng)景模型后，在Unity中進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整場(chǎng)景比例大小、藏品在場(chǎng)景中位置等等。場(chǎng)景搭建如圖2所示。

圖2 場(chǎng)景搭建

4.2 展品動(dòng)畫

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

圖3 展品動(dòng)畫

4.3 立體聲合成技術(shù)

在創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景時(shí)，設(shè)計(jì)師利用聲波傳遞的原理，即聲音分離的錯(cuò)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(duì)周圍聲音的聆聽體驗(yàn)，帶立體聲。通過該技術(shù)的合理應(yīng)用，用戶聽到的聲音與聲音傳播的實(shí)際方向無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景環(huán)繞音頻體驗(yàn)。

4.4 全局光照技術(shù)

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(yán)格遵循節(jié)能原則。換句話說，為了照亮一個(gè)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)物體的全局光照，實(shí)現(xiàn)了出色的圖像質(zhì)量和快速的運(yùn)行能力，但無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)物體的全局光照，光傳感器的全局光照技術(shù)需要時(shí)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(dòng)態(tài)物體的間接光照，從而實(shí)現(xiàn)全局光照[7]。

該場(chǎng)景使用大量區(qū)域燈光進(jìn)行全局照明。用燈光填充場(chǎng)景，通過改變色調(diào)，調(diào)整場(chǎng)景的整體氣氛。靜態(tài)烘焙用于在視圖中無法移動(dòng)的對(duì)象，可以保留圖像質(zhì)量并減少計(jì)算機(jī)的負(fù)載。借助反射探頭，補(bǔ)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(shí)感。反射探針和光照探針搭配使用，設(shè)置調(diào)出合理的燈光氛圍。場(chǎng)景燈光如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景燈光

為了提高渲染效率，使用基于G-buffer的延遲渲染技術(shù)，有效降低運(yùn)算光照所帶來的計(jì)算機(jī)負(fù)載程度。每個(gè)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(shù)據(jù)，并使用貼圖存儲(chǔ)環(huán)境光數(shù)據(jù)和鏡面光數(shù)據(jù)。為了提高渲染對(duì)象的精度，在此基礎(chǔ)上使用物理渲染（PBR）技術(shù)，以最終實(shí)現(xiàn)與渲染質(zhì)量和效率兼容的光傳感器模型。

本項(xiàng)目通過多次打磨，逐漸完善在VR體驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，但仍存在以下需要完善的內(nèi)容：①界面UI缺乏美觀度，藏品目錄UI設(shè)計(jì)需新一步完善；②可以使用Substance Painter工具繪制使材質(zhì)更加真實(shí)，提高材質(zhì)貼圖質(zhì)感；③研究高清渲染管線（HDRP）的使用，增強(qiáng)畫面效果。

5 總結(jié)

本文在分析VR技術(shù)應(yīng)用于博物館展覽展示相關(guān)文獻(xiàn)資料及優(yōu)秀開發(fā)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)工藝美術(shù)大師博物館VR項(xiàng)目開發(fā)，實(shí)踐了三維虛擬展廳和展品交互研究，營(yíng)造人與環(huán)境合二為一的場(chǎng)景，使觀眾在這種沉浸感受之中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高信息接收的頻率，從而讓觀眾獲得知識(shí)并產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)參與感。文章重點(diǎn)對(duì)VR項(xiàng)目開發(fā)過程進(jìn)行了詳細(xì)梳理與總結(jié)，可為同類型項(xiàng)目開發(fā)提供一定的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。