塔里木大學西域數字博物館的設計與實現

王龍龍　司春景

【摘 要】數字博物館是博物館與現代信息技術和網絡技術相結合的產物，是博物館在新技術革命的條件下進一步發展的趨勢。針對塔里木大學西域文化研究院藏品的特點和實際需求，首先介紹了系統中數字化的內容，然后就該系統的設計要點進行了說明，隨后概述了系統實現的功能，其中塔里木大學西域數字博物館的虛擬展示平臺是研究的重點，對于西域文化及自然文化遺產信息資源的采集、存儲、傳輸、展示利用等的研究具有重要意義。

【關鍵詞】數字博物館；三維建模；虛擬顯示；網絡優化；無縫拼接

0 引言

“西域”一詞，始見于西漢，位于亞歐大陸中心地帶，作為東西方交通的要塞，中國本土宗教、印度佛教、伊斯蘭教以及基督教四種文化在這里交融薈萃，經過歷史的積累和熏染，集聚起豐富多彩的文化。塔里木大學西域文化研究院已然發展成為南疆地區綜合型歷史類博物館。博物館內部收藏有來源于新疆各地區大量珍貴文物、圖片以及文字資料。館藏藏品總量達到1936件，其中實物871件，場景復原13件，圖片743張，表格9幅，另有庫存300余件。塔里木大學西域文化博物館與目前國內許多高校內部博物館的情況類似，由于資金、場地和安全因素的影響，多年來博物館利用率不高，其價值特別是科研和教學價值沒有得到充分利用。塔里木大學數字博物館利用多媒體技術，通過文本、音頻、視頻、圖像、和動畫形式充分展現了藏品所承載的知識[1]，并借助計算機三維成像技術和人機交互技術實現了資源的更快，更廣泛的傳播、交流和共享[2]。

本文針對數字化博物館對藏品和場館繪制的真實感和場景交互性要求，以及塔里木大學西域數字博物館的實際需求，著重討論了以下幾個關鍵問題：一是，系統數字化內容；二是，系統設計；三是，系統的實現功能。

1 數字化技術

塔里木大學西域研究所所藏文物具有文物標本延續時間長，文物質地多樣，標本來源復雜，涉及文獻資料眾多，信息化內容豐富、形式多樣等特點。根據以上特點，運用藏品信息，將館藏文物的文本、音頻、視頻、圖像、和動畫等各種數字化技術手段得到的資料通過計算機錄入，對文化遺產資料收集整理并歸檔，建立文化遺產數字化檔案，為數字化保護奠定基礎；運用計算機三維成像、動畫等技術手段重新展現西域文化遺產的歷史演變過程；運用數據挖掘技術，建立文獻資料與文物本身的關聯，深入研究文化遺產內涵；通過計算機網絡、多媒體等途徑，進行文化傳播，實現文物本身價值的傳播、交流和共享。

1.1 平面數字化

運用平面化技術實現對已建立的三個館藏西域文物數據庫平面化[3]。首先通過圖形圖像處理軟件對數據庫中的圖片進行處理，處理后的圖片更加清晰地反映文物相關內容。其次，可以運用計算機技術對文物圖像、視頻和音頻等資料進行重新拼接，形成可視化的動態視頻，或將文物的歷史背景以及其包含的傳奇故事通過動漫情景或者畫面展現給游客。

1.2 三維立體數字化

通過計算機三維成像技術對西域文物整體到局部的三維建模、貼圖、燈光設計和渲染等仿真性設計與展示[4]。一方面可為游客提供一種全新的瀏覽方式，在不直接接觸到文物的前提條件下，游客可以全方位的觀察到文物的各個細節部分；另一方面為文物保存的層面上，通過計算機技術對館藏文物的所有基本信息做了備份，以防文物在意外中損失可以通過備份信息恢復和修復；同時，通過計算機備份的所有館藏文物的信息，可以提供給考古工作者進行全方位的研究，增大博物館三維數字化后的作用。

1.3 西域數字化博物館系統

將計算機技術應用到博物館領域，拓展了博物館針對不同類型文物的存儲方式以及管理方法。通過數字博物館系統，游客不在受時間地點的限制，只需通過網絡便可以輕松的進入到數字博物館內部了解到該館館藏文物；利用互聯網技術，此系統還為大眾提供了免費欣賞珍貴文物的機會。將所有的數據及其資料收集整理，建立文物展示平臺，實現對文物的保護、利用和開發。

2 系統設計

2.1 系統結構

到實地通過數碼攝像機拍攝所需實景或通過史料以數字化方式獲取所需的圖片，將這些數據導入計算機并用Photoshop軟件按照需求規格進行處理，并對處理過的數據進行壓縮、簡化，作為模型的紋理貼圖。采用3DS MAX進行展廳建筑和內部展示模型的三維建模，對建立好的模型進行紋理貼圖。建立西域文化數字博物館的大體布置，將建立好的模型進行組合。對建立起的MAX場景進行燈光渲染全景出圖，并導入Pano2VR全景圖像轉換軟件中，制作能夠在網頁中進行瀏覽的館內全景flash文件。添加傳文件熱點，使虛擬展廳具有交互能力，并利用熱點增強HTML和flash文件之間的通訊，以達到更好的交互效果，完成系統的網絡發布。通過優化整體的flash文件，擬建立基于3DS MAX的西域文化數字博物館漫游原型系統，并實現自動漫游。其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 三維建模技術

2.2.1 基礎模型的建立

基礎模型的建立是通過對標準的幾何體和擴展幾何體的擠出、伸縮、變形、平滑等操作進行基礎模型的建立，此類模型的建立包括兩種方式。其一，利用3DS MAX已有的模型進行簡單模型的創建。其二，精確建?；蜴I盤輸入建模。首先通過測量工具得到展廳內部的具體數據（包括展廳的長、寬、高以及窗戶和門的尺寸），利用Auto ACD制圖軟件得到展廳的平面圖，在導入.DWG文件之前，將3DS MAX的系統單位設置為毫米，將在Auto CAD中修改好的線框圖.DWG文件導入到 3DMax 里，刪除不需要的輔助線與標注圖層。在3DS MAX中選擇墻體邊框線并施加擠出修改器，設置具體的高度并修正其他各項參數。此方法不僅可以通過精確的尺寸來建立標準的模型，還可以確定模型的相對位置，西域文化博物館的大多數展柜就是利用這種方法實現。

2.2.2 多邊形建模

3DS MAX多邊形建模方法，優點制作的模型占用系統資源最少，運行速度最快，在較少的面數下也可制作較復雜的模型。通過將面轉化為三角形面，并且添加平滑修改器，以增加網格的面數，得到更加精確的模型，并且在制作過程中，最大限度的減少對計算機資源的消耗，節省運行空間。西域文化博物館的沙盤就是利用可編輯多邊形修改器制作出。首先利用平面工具，制作一個1500mm*3000mm的矩形平面，平面細分設置為120*240，將其轉化為可編輯多邊形，進入點層級，選中沙盤邊緣的點向下拖動，將沙盤的輪廓制作出來。進入多邊形層級，選中中間部分的面，添加噪波，設置噪波種子數量，分別設置X、Y、Z軸的偏移量，退出多邊形層級，為模型添加平滑網格修改器，并設置閾值為2，完成沙盤模型的建立。

2.2.3 NURBS建模

NURBS是一種非常優秀的建模方式。NURBS能夠比傳統的網格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創建出更逼真、生動的造型。在制作類似茶壺的曲面模型中比多邊形建模更加方便，模型面數得到有效控制。首先創建一條cv曲線作為壺體的基線，利用工具箱創建車削曲面，其次做一條cv曲線做為壺嘴的基線，同時在做出一個圓，并將其轉化為NURBS，最后創建雙軌掃描，得到完整的壺嘴效果。同理壺柄和壺蓋同樣利用以上方法得到。在3D建模的內部空間用曲線和曲面來表現輪廓和外形，可以用它做出各種復雜的曲面造型和表現特殊的效果，如人的皮膚，瓦罐等。

2.2.4 特殊建模

除了上述三種方法外，本研究還應用了幾種特殊建模方法，包括：置換貼圖建模、動力學建模、Hair and Fur毛發系統、Cloth布料系統等。為了減少在建模過程中消耗過多的時間切不影響模型的質量的前提下，提高建模效率應當遵循的原則：在保證直觀視覺效果下的精度，盡量采用較少多邊形建模。同時，建模過程中應當分別建模，針對同一模型盡量分解為不同的部位分別建模，方便后期為模型添加材質燈光效果過程中的各項操作。以得到逼真的模型效果。

2.3 無縫拼接技術

Pano2VR全景制作軟件可以將3DS MAX中輸出的場景文件進行無縫拼接，將數張有重疊部分的圖像拼成一幅大型的無縫高分辨率圖像。打開Pano2VR將3DS MAX輸出的圖像拖入其中，并且將其轉化為立方體片面，設置工程文件的平移、俯仰、視場的角分別為0.0、0.0、70.00，進入交互熱點控制面板，選擇多邊形交互熱區，繪制出需要添加的熱區面積，并且設置標題欄（$ut=user data：title）、URL（$hu=hotspot URL）。選擇輸出格式為.html，點擊輸出拼接完成的圖像文件。

2.4 網絡優化技術

文件的大小通常是由場景規模的大小決定的。場景越復雜導致文件越大，以至于在網絡上加載所耗費的時間就越長。在相同的頁面中，如果場景加載所花費的時間過長，那么場景制作的再逼真，通過網絡訪問博物館的游客必然會失去耐心從而放棄對它的訪問。因此，虛擬場景文件應在確保瀏覽質量的前提下，盡量減小場景文件的小以便控制場景加載所用的時間。針對塔里木大學西域數字文化博物館場景文件進行優化時，應進行多重分辨率漸進瀏覽增加層級數量的設置，輸出后的.swf文件較之3DS MAX文件大小有了極大的改進，從而降低了客戶端的加載負擔及增大了網絡傳輸效率，可在訪問者進行訪問時實現局部到整體的瀏覽。

3 系統實現

塔里木大學西域數字博物館系統主要由三部分組成：西域文化研究所網站、信息管理系統和虛擬展示平臺。

西域文化研究所信息管理信息系統以數據庫系統為核心，提供了針對博物館相關多媒體信息以及主要文物信息的錄入、查詢、修改和刪除等功能，為博物館網站和虛擬平臺的搭建提供了數據支持。

博物館虛擬展示平臺是系統核心，利用在博物館數字化過程取得的所有模型的數據，通過虛擬現實技術和人機交互技術，對外提供對更加人性化的展示方式，對博物館環境和文物藏品的保障得到了進一步的提升。

博物館網站（http：//www.xywhyj.net/）是該系統的主要展示平臺，游客可以通過終端設備對數字博物館進行訪問。博物館網站以數據庫為后臺驅動，虛擬展示為手段，一方面可以查看博物館相關文物的資料，另一方面可以通過動畫演示和三維模型進行文物的全方面展示。

4 結論

本文概述了塔里木大學西域數字博物館的設計和實現的基本過程和關鍵技術。系統采用JSP動態網站開發平臺、SQL Server2005數據庫開發平臺、3DS MAX三維建模軟件和Pano2VR全景制作軟件實現，并使用了多種設計模式，減少了數據冗余，增加了三維模型的真實感，進行了圖像之間的無縫拼接，實現了網絡優化，為數字博物館的設計和實現提供了一條新的思路。目前，已完成的塔里木大學西域數字博物館系統已經投入使用，獲得了良好的效果。

目前本系統采用的是鼠標交互式漫游，用戶可以通過鼠標的移動在網頁上進行博物館的瀏覽。多通道的人機界面技術[5]是采用頭盔顯示器、立體眼鏡、三維鼠標和數據手套等虛擬現實設備，利用手勢、語音、感覺反饋等新的交互技術與計算機進行交互，旨在提高人機交互的自然性和高效性。如何利用多通道交互技術加強沉浸感要在接下來的工作中進行研究和實現。

【參考文獻】

[1]Alonzo C Addison. Emerging Trends in Virtual Heritage[J].IEEE Multimedia， 2000，7（2）：22-25.

[2]Yong-Moo Kwon， Ig-Jae Kim， Sang Chul Ahn， Heedong Ko， Hyoung-Gon Kin. Networked 3D Virtual Museum System[J].Journal of System Simulation， 2003，15（3）： 301-305.

[3]石慶秘.武陵地區文化遺產數字化保護的方法探析[J].前沿，2010，272（18）：177-180.

[4]劉廣濤，吳升.基于X3D的場景交互技術在虛擬生物博物館中的應用[J].系統仿真學報，2008，9（20）：348-351.

[5]董士海，王堅，戴國忠，等.人機交互和多通道用戶界面[M].北京科學出版社，1999.

[責任編輯：王楠]