虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字化博物館中的運用研究

一、引言

近年來，信息化、數(shù)字化已經(jīng)成為社會發(fā)展的主要方向之一。在這一趨勢下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，對社會創(chuàng)造的價值也越來越突出。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以帶給人們交互式、沉浸式的感受。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于博物館，能夠突破時間、空間、場地等因素的限制，人們通過登錄數(shù)字博物館，置身于虛擬的三維場景中，在虛擬的世界中獲得沉浸式的體驗。

二、數(shù)字化博物館與虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（一）數(shù)字化博物館

博物館是重要的公共文化場所，其主要功能是對館內(nèi)藏品的歷史、藝術(shù)、科技、文化等方面展開研究，對館內(nèi)藏品進行有效的保護，并將藏品及其代表的豐富文化對外展示，承擔著傳播技術(shù)知識、傳承優(yōu)秀歷史文化的重任。[1]博物館還具有旅游開發(fā)功能，將研究藏品所蘊藏的歷史、藝術(shù)、科技、文化價值進行深度挖掘，開發(fā)出深層次、高品質(zhì)的文化旅游項目。數(shù)字化博物館則是通過信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)將博物館實體搬到網(wǎng)上，參觀者登錄相應(yīng)的網(wǎng)站即可欣賞到珍貴的藏品，了解藏品背后的歷史文化信息。博物館藏品在展示過程中難免會受到外界環(huán)境因素的影響，而通過數(shù)字化博物館展示平臺，參觀者既能夠近距離接觸藏品，也更有利于藏品的妥善保管。針對數(shù)字化博物館的研究與探索在20世紀末就已經(jīng)開始了，“超越時空的紫禁城”正是故宮博物院與IBM深度合作創(chuàng)建的我國首個虛擬體驗型博物館，博物館數(shù)字化建設(shè)已經(jīng)成為時代發(fā)展的主流方向。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality，簡稱VR）早在20世紀就已經(jīng)出現(xiàn)了，人們利用計算機技術(shù)和傳感技術(shù)制造出一個讓人感覺很真實的虛擬世界。[2]從廣義上看，VR就是利用數(shù)字化技術(shù)制造出一個與現(xiàn)實生活相同感受的世界。從狹義的角度分析VR技術(shù)是運用計算機技術(shù)、信息技術(shù)、三維立體成像技術(shù)等，通過傳感設(shè)備、立體成像設(shè)備等模擬真實的世界，人們通過佩戴專業(yè)設(shè)備在虛擬環(huán)境下可以獲得與真實世界相同的視覺、聽覺、觸覺等方面的感受，使用者還能從中獲得交互式體驗。目前VR技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，比如醫(yī)療、航空航天、軍事、工業(yè)等尖端科技領(lǐng)域，同時還進入到人們的生活當中，比如影視娛樂、教育、設(shè)計等行業(yè)，VR技術(shù)已逐步發(fā)展成為一個新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。[3]

三、數(shù)字化博物館的功能特性

VR技術(shù)的應(yīng)用賦予了數(shù)字化博物館更多元、更新穎的功能，將博物館、文化和游客更好地聯(lián)系起來，為游客參觀和學(xué)習(xí)研究提供了更加便捷的途徑。[4]

（一）開放性

實體博物館存在一定局限性，一方面博物館內(nèi)藏品特別是珍貴文物，不宜遠距離搬運和轉(zhuǎn)移，只能選擇就近或就地建立實體博物館對文物進行保護和存放。另一方面，實體博物館內(nèi)展廳空間有限，尤其是一些珍貴文物，考慮到文物的安全性，還需要限定每次參觀人員的數(shù)量。而數(shù)字化博物館則打破了這種空間上的限制，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實體文物進行數(shù)字化處理，通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化平臺對外展示，人們可以隨時隨地瀏覽館藏文物，數(shù)字化博物館的開放性為博物館文物展示提供了便利，增添了新的活力。

（二）交互性

博物館數(shù)字化平臺改變了傳統(tǒng)博物館的展示方式，通過交互性設(shè)計提升參觀者在博物館空間中的感受。博物館中的交互設(shè)計大致包含四個方面，一是利用傳統(tǒng)的硬件設(shè)備（比如鼠標、手柄、鍵盤等）點擊操作界面中相應(yīng)的區(qū)域達到交互的目的；二是利用現(xiàn)代智能終端設(shè)備達到視覺上的觸控交互，參觀者通過作出相應(yīng)的手勢（比如點擊、滑動、放大、縮放、旋轉(zhuǎn)等），利用屏幕為媒介進行展示；三是利用聲、光、電營造一種特殊的氛圍，提升參觀者聽覺、視覺上的感官效果；四是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升參觀者的參與度與互動性，這也是現(xiàn)階段博物館數(shù)字化建設(shè)的主要方向，比如借助體感技術(shù)可以實時獲取場景中的圖像信息，動作捕捉系統(tǒng)可以實時獲取關(guān)鍵部位，交互系統(tǒng)可以將用戶做出的動作進行解析后轉(zhuǎn)換為操作指令，完成精準人機交互。

（三）沉浸性

沉浸性的含義是參觀者仿佛進入了一個真實的世界，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的感知系統(tǒng)獲取虛擬世界中的觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，達到實時交互的目的，這也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用的基本特征。博物館沉浸式設(shè)計是為了讓參觀者在瀏覽過程中解讀歷史、觀賞文物，將傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代生活聯(lián)系起來，滿足現(xiàn)代人們對旅游和文化的新需求。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用色彩、光電、聲音、圖像營造出一個絢麗、超時空的空間效果，充分調(diào)動參觀者感官、想象、情感與思維，融入極具藝術(shù)效果的中心。沉浸式設(shè)計是現(xiàn)代博物館數(shù)字化建設(shè)與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，是一種超越主流視角詮釋展覽敘事空間的新模式。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字化博物館中的實現(xiàn)

數(shù)字化博物館建設(shè)的重點在于場景和氛圍的營造，通過模擬在視覺、聽覺、觸覺上給參觀者營造一種身臨其境的沉浸式體驗，利用交互性設(shè)計可以近距離欣賞館藏文物，突破時空與地域的限制，在輕松愉悅的新奇體驗中學(xué)習(xí)歷史文化知識。[5]

（一）整體架構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字化博物館整體架構(gòu)分為兩大部分，即場景的營造和交互性設(shè)計。在設(shè)計時可以采用多種圖形技術(shù)，比如以Unity3D為平臺，采用Maya軟件完成三維建模和動畫制作，使用PS軟件對圖像中的紋理部分進行處理。參觀者可以通過平臺導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)與館藏物品的互動，用戶通過控制HTC VIVE手柄在虛擬世界中自由轉(zhuǎn)換各種場景，并且允許用戶轉(zhuǎn)換到虛擬場景中不同的預(yù)定義位置，還可以根據(jù)自己的興趣標記圓形特效。在虛擬世界中參觀者有著較高的自主性，可以自由確定訪問位置和停留時間。當參觀者選中某一件藏品時還可以進入一個虛擬的三維場景中，使用VR手柄與藏品進行交互，在虛擬場景下進行旋轉(zhuǎn)、縮放調(diào)整，也可以進行語音互動，查詢相關(guān)信息等，增強了用戶與藏品之間的交互性，完成一系列操作后可以選擇返回博物館大廳，也可以退出當前場景繼續(xù)漫游。

（二）系統(tǒng)場景的搭建

使用Maya軟件搭建虛擬的數(shù)字化博物館，在博物館的不同展示場館中放置各種虛擬文物藏品，每件文物藏品都要建立三維模型，同時還要展示該文物藏品的歷史文化背景，以便參觀者深入了解文物藏品的內(nèi)涵。[6]在將文物藏品由靜態(tài)轉(zhuǎn)換為三維立體圖像時應(yīng)當呈現(xiàn)其原貌，不能影響文物自身所代表的歷史背景和文化內(nèi)涵，因此在構(gòu)建虛擬場景時應(yīng)保證能夠準確感受原作的氛圍與精神。當前Maya軟件在三維場景建模中的應(yīng)用比較廣泛，可以把握每件文物藏品的細節(jié)，再使用PS軟件對文物藏品的紋理進行處理，使虛擬場景中的每種元素都符合該文物藏品所處的歷史朝代，既保證了文化內(nèi)涵，又具有科學(xué)研究價值。

在虛擬場景中很多復(fù)雜效果需要通過燈光來呈現(xiàn)，合理使用燈光可以增加虛擬場景的真實感與美感。虛擬場景中的網(wǎng)格與紋理決定了場景的輪廓與外觀，燈光則是場景顏色與氛圍的營造者，因此燈光的使用在數(shù)字化博物館中非常重要。為使燈光效果更加逼真，可以采用燈光烘焙設(shè)計，將實時全局光照燈光信息添加到紋理貼圖，使光照信息內(nèi)容更加豐富，同時也減少了資源的消耗。

（三）系統(tǒng)操作流程

當用戶進入虛擬數(shù)字化博物館大廳后，面臨兩個選擇，一個是漫游，另一個是選中某件藏品。漫游的方式主要有三種，即連續(xù)漫游、固定點漫游和瞬移。連續(xù)漫游是用戶控制手柄調(diào)整漫游的方向，可以設(shè)置成按照固定的移動速度和視角進行瀏覽；固定點漫游是選擇某個預(yù)定義的關(guān)鍵位置進行瀏覽，避免錯過重要的信息；瞬移則是控制手柄發(fā)出一條射線到虛擬空間中可移動區(qū)域的某個位置并瞬間到達。[7]這三種漫游模式可以根據(jù)用戶的需求自由控制。如果參觀者想瀏覽查看某件藏品時，可以通過控制手中的手柄選擇，該功能主要是通過UI交互設(shè)計來實現(xiàn)。在虛擬場景下每件藏品都對應(yīng)一個“確定”按鈕，用戶可以通過手柄發(fā)出的射線控制或者通過觸碰的方式控制，選中相應(yīng)藏品的UI按鈕后進入。這兩種控制方式有一定的差別，當用戶與所選中的藏品UI按鈕較遠時可以使用射線控制的方式，如果距離較近時可以使用觸碰的方式，用戶可以自由選擇。

（四）燈光效果的呈現(xiàn)

科學(xué)合理的燈光設(shè)計是虛擬場景氛圍的營造者，也是提升參觀者體驗效果的關(guān)鍵，在燈光的使用上應(yīng)注意以下幾點：突出重點，館藏文物是博物館展示的重點，在光源配置上應(yīng)重點關(guān)注藏品光照效果；光源的選擇，針對不同材質(zhì)的藏品使用不同的照明方式，比如陶器適合聚光源，甲骨類比較小的文物適合在較矮的展示柜中使用點光源；光源的分布，根據(jù)場景內(nèi)實際情況合理分布光源，以免出現(xiàn)陰影、重影等，影響展示效果；光源的控制，合理調(diào)整光源的照射距離和光源半徑，使光照達到最佳效果。

可以通過展示柜中光源產(chǎn)生的漫反射效果影響虛擬場景的整體效果，相對暗一點的環(huán)境更能夠突出展示柜中藏品的呈現(xiàn)效果，一般館內(nèi)藏品都具有一定的歷史文化價值，相對較暗的光照效果也能夠更好地呈現(xiàn)藏品的神秘感。在Maya軟件中創(chuàng)建應(yīng)用場景，選擇球體與相應(yīng)的材質(zhì)，再選擇菜單中的“燈光”選項，繼續(xù)點擊擴展欄中的“區(qū)域光”，光源的各項屬性都可以編輯，最后點擊“渲染”按鈕完成光源的設(shè)置，如果需要同時設(shè)置多個光源可以采用云渲染平臺提高工作效率。

（五）交互性的實現(xiàn)

在數(shù)字化博物館大廳中，各場景可以看作是多個“關(guān)卡”，在大廳中控制手柄就可以進入相應(yīng)的關(guān)卡漫游。

在虛擬場景中可以采用“Pawn”設(shè)計實現(xiàn)對用戶視角下的前進、后退、旋轉(zhuǎn)等一些交互性操作，比如旋轉(zhuǎn)視角、角色移動、射線檢測等，用戶通過點擊相應(yīng)的按鈕進入某件藏品“關(guān)卡”?！癙awn”對于視角的控制是通過一個膠囊體和一個攝像機來完成的，利用鼠標輸入事件，讀取鼠標 “X、Y” 坐標軸的值調(diào)整攝像機的朝向。角色移動是利用鍵盤輸入事件觸發(fā)的，在獲取角色的朝向后，移動單位距離。設(shè)計完成后需要進行碰撞試驗，以免發(fā)生角色穿透模型的問題。進入藏品“關(guān)卡”的設(shè)定是通過鼠標點擊相應(yīng)場景按鈕實現(xiàn)的，通過“射線檢測線條”節(jié)點從鼠標所處位置發(fā)出一條射線，系統(tǒng)則會記錄下與射線發(fā)生碰撞的模型ID，然后按照ID開啟相應(yīng)的“關(guān)卡”。系統(tǒng)會檢測角色所處的位置與朝向，當角色從某個“關(guān)卡”中退出并返回大廳時，可以還原至原來的位置與朝向。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)對數(shù)字化博物館互動體驗效果的提升

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，數(shù)字化博物館可以提供個性化服務(wù)，按照不同年齡、性別、領(lǐng)域的目標群體采取針對性設(shè)計方案，每個參觀者都能夠按照自己的需求在同一博物館中使用相應(yīng)的VR設(shè)備進行瀏覽學(xué)習(xí)，滿足不同群體的個性化需求。數(shù)字化博物館雖獨立存在于虛擬環(huán)境當中，但虛擬環(huán)境中的藏品、陳列、展廳布置等都要與現(xiàn)實環(huán)境相符。數(shù)字化博物館建設(shè)目前可以選擇的展示方案有多種，可選用的技術(shù)設(shè)備也較多，不同類型的博物館可以按照自己的需求制定合理化方案，比如，在比較寬敞的大型博物館中可以根據(jù)藏品特點設(shè)置相應(yīng)的VR體驗區(qū)，在相對封閉的環(huán)境中不會受到其他因素的干擾；而一些小型博物館則適合采用3D投影或者使用便攜式VR設(shè)備，這樣可以減少空間的占用，提高游客參觀的效率。[8]

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用也需要考慮參觀者的內(nèi)心感覺與需求，設(shè)計出具有個性化、人性化的展示方式，增強參觀者沉浸式的體驗效果。此外，在運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)時也應(yīng)考慮到展示時間的限制，尤其是一些包含了較多復(fù)雜信息的文物藏品，應(yīng)從觀者的角度創(chuàng)建舒適、友好的操作界面，遵循美學(xué)設(shè)計理念，不能產(chǎn)生視覺疲勞，不能增加觀眾的認知負荷。[9]

六、結(jié)語

信息化時代背景下，數(shù)字化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用為我們呈現(xiàn)了一個具有融合性、交互性的數(shù)字虛擬空間，人們在虛擬化的場景中獲得沉浸式、交互式體驗。博物館數(shù)字化建設(shè)是時代發(fā)展的必然需求，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用將需要展示的文字、圖片、音頻、視頻等內(nèi)容以三維立體的形式展現(xiàn)在參觀者面前，將博物館所陳列的文物、資源進行空間化、信息化、虛擬化，給參觀者以身臨其境的感受。

參考文獻：

[1]石峰.徐州戶部山傳統(tǒng)民居建筑木雕裝飾藝術(shù)數(shù)字博物館設(shè)計研究[J].鄂州大學(xué)學(xué)報，2022，29（01）：65-68.

[2]徐光霽.博物館數(shù)字化建設(shè)與文物管理探討[J].中國科技信息，2021（17）：108-109.

[3]馬自萍，郭貝貝，李海東，等. Pano2VR的寧夏虛擬博物館全景漫游實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（08）：149-153.

[4]胡小青，蔡雨欣，許潔.基于VR技術(shù)背景下井岡山紅色文化虛擬博物館設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（19）：142.

[5]于雨.游戲引擎中玻璃材質(zhì)的藝術(shù)表現(xiàn)探究——以UE4為例[J].大眾標準化，2020（23）：

144-145.

[6]游越，趙濤.燈光——博物館展覽陳列的渲染巨匠[J].大眾標準化，2021（21）：41-43.

[7]李妍，程璐璐，郭驍煊.基于虛幻引擎技術(shù)的蘭州戰(zhàn)役紀念館數(shù)字化場景設(shè)計[J].工業(yè)設(shè)計，2021（12）：157-158.

[8]馬紹江，傅睿.基于UE4藍圖編程的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互應(yīng)用設(shè)計研究[J].山西建筑，2020，46（10）：197-198.

[9]楊傳貴，楊瑩.靜寄山莊泠然閣景區(qū)UE4仿真漫游設(shè)計研究[J].天津城建大學(xué)學(xué)報，2020，26（04）：243-248.

（作者簡介：趙冬，女，本科，宜昌博物館，副研究館員，研究方向：博物館陳列展覽）

（責任編輯 張云逸）