基于三維技術的虛擬展廳的設計與應用

唐翠蘭 陶 欣 陳泰東

（韶關學院教育技術系，廣東 韶關 512005）

1 引言

虛擬展廳是基于三維技術的一種高互動3D虛擬現實環境，可以讓使用的人體驗到一種足不出戶便如同親臨現場的感覺。虛擬展廳運用三維建模的技術，通過運用照相機對現有場景進行各種不同角度的拍攝，根據照片參考建立基本模型，再利用后期程序技術加工渲染，最后得到360度任意瀏覽的立體虛擬實景。現如今網絡發展迅速，越來越多人在選擇傳統展廳之外，會有機會接觸虛擬展廳。而隨著科學技術的發展，三維技術的運用也越來越成熟，加上高真實度的虛擬漫游系統和極致體驗感的交互環節，虛擬展廳將越來越快地進入大眾的視野，被大眾所接受。

2 研究背景

2.1 傳統實體展廳的不足

進入大數據信息高速時代，傳統實體展廳的不足逐漸顯現。傳統實體展廳的主要形式為實體、靜態形式。參觀者需要親身實地移動到展廳所處的地理位置，然后進行實地的參觀瀏覽。在這個過程中，參觀者需要移動自身的位置，并且在路程上也要花費時間金錢，最后再進入實體展廳參觀。

傳統實體展廳在沒有導游的情況下，參觀者只能通過展廳的固定靜態文字信息以及圖片，再結合擺放好的實體物品自行參觀研究。對于已經陳列擺放好的物品或景物，若無法對其進行人為移動，則難以進行全方位全角度的參觀欣賞。

對于傳統實體展廳所展示的信息，只有具體規模上已展示出來的文字或者圖片，無法再即時進行拓展，內容十分有限。若參觀者想要更快更全面地了解自己想要研究的相關信息和資料，則無法快速地進一步瀏覽和查詢。

在便捷程度上，傳統的實體展廳可能還需要提前預約，在路上的時間也將有所消耗。若人流量較大的情況下，參觀者也無法隨心所欲地根據自己的節奏計劃進行詳細的研究欣賞。

綜上所述，傳統實體展廳可能已經無法滿足部分新興企業以及新時代網絡用戶的需求，另外，對于不具有充足時間、缺乏足夠精力，以及金錢預算不充裕的參觀者來說，受限于時間和地理環境的不可抗力因素，也是傳統實體展廳的不足。

2.2 虛擬展廳的優勢

首先，相比傳統的實體展廳，虛擬展廳的優勢在于不需要在固定的時間與固定的地點進行。因此大大縮小了虛擬展廳在時間地點上的限制。只要使用者擁有相應的設備，就可以在任意時間地點進行虛擬展廳的參觀，且不限時長。

其次，不同的虛擬展廳可以展現完全不一樣的功能，這些功能甚至可以一鍵切換，快速移動、翻閱、轉移等。根據設計者制作的虛擬展廳，可以自動播放相關信息、歷史資料等等，提供智能導游功能。參觀者可以得到全方位詳細的關于展廳的介紹。而且虛擬展廳還可以更好地進行內容傳播，可以被不同的企業或行業所運用，能夠以較低的消費門檻進入觀眾的視野，從而達到宣傳、普及教育知識的目的。

再次，建立在三維模型基礎上的虛擬展廳，可以對物品以及展覽品進行全方位的解讀和展示。使用者可以通過操縱軟件使得展覽品360度翻轉，可以看到靜態實體物品所看不到的背面或底面細節等等，通過縮放功能也可以使三維物品進行放大縮小，觀察細節或者是全景。這對于需要用不同的方式研究觀察物體的使用者來說，是非常大的優勢。

虛擬展廳獨有的強大交互性能，也能為使用者增強使用感受。因為虛擬展廳是虛擬信息和物品的展現，且能夠進入大數據互聯網，所以當使用者想要了解關于某個產品的更具體信息和來源時，只需要輕輕一點，就可以對物品的各種詳細信息一覽無余。使用者也可以通過不同鏈接看到更多關于產品的信息。若升級體驗效果，還可以伴有人聲解讀，或者是身臨其境般的效果音和影片展示等等。

3 三維虛擬漫游實現的可行性

3.1 三維建模技術的實現

在實際建模之前，我們將要對建模對象和環境進行拍照采樣等操作（圖1）。首先去到實地考察并確定虛擬展廳的大致地形，對地理面貌進行全方位觀察并匯總，直至可以達到作為建模參考的標準（圖2）。對于全方位廣角地理環境與地形的觀察理解，可以采用無人機技術或者是使用衛星所拍攝的高清晰圖。對于花草樹木等自然景觀，無法做到完全一致的，盡量選擇貼近原貌并且無違和感的進行三維創作。

圖1 三維建模虛擬展廳流程邏輯圖

圖2 地形建模

在基本的三維建模技術中，可以采用虛幻引擎。虛幻引擎是游戲公司EPIC開發的一款有助于三維建模設計的專業軟件，是一個面向游戲機以及個人電腦的完整游戲開發平臺，此軟件提供了游戲開發者所需要的大量核心技術、數據生成工具和基礎支持等。虛幻引擎提供了軟件3D Studio Max以及Maya將模型傳入虛幻引擎中，而其中擁有的貼圖坐標、網格拓撲信息、材質名稱、平滑組、骨骼結構和骨骼動畫數據等也能置入其中。虛擬引擎所具有的可視化地形編輯器，還能夠實時展現地形的變化，這是非常強大且實用的一項功能。

所有在現代數據編輯工具中使用的基本功能，虛幻引擎都具備，如：多層撤銷/重復功能，拖拽，拷貝粘貼，自定義快捷鍵和顏色配置，視圖管理等等。

在虛幻引擎中建模的大多數角色都是由兩個網格模型建立的：一個是具有幾千多邊形的實時網格，一個是有數百萬多邊形的細節網格。在這里虛擬引擎提供了一個分布式計算的程序，它可以對細節網格進行光線跟蹤，并且從高多邊形幾何結構中生成一張法線貼圖，在游戲中賦予其實時網格。這種技術所帶來的成效是在游戲中的網格即便帶有高多邊形網格的所有光影細節信息，也依然可以十分容易地實時渲染。例如，使用法線貼圖實現的超過1億個三角形的效果，最后實際上只有50萬個三角形。虛幻引擎還包含了案例過程部分和100%的源代碼，其中就包括引擎本身、編輯器、Max/Maya導出插件和所有該公司內部開發的游戲代碼。

因此在虛擬展廳的三維建模上運用到虛擬引擎技術，將會大大提高建模的速度和效果。且運用該技術時，將不用過多考慮三維模型的面數限制，這也全面提高了建模的自由度。

之后，在對應擁有相關建筑的地方建立簡單基礎的模型，確定其比例和位置。然后再將做好的整張地圖包括建筑一起，導入到常用的三維建模軟件如3D Max或Maya中。對主要的房子建筑、裝飾等模型，繼續進行細化的修飾建模。在建模的步驟完成后，就繼續展UV，然后畫貼圖。在多人進行的合作工程中，三維建模的模型部分可以分工合作，可以大大加快工程進度。當最重要且基礎的三維模型和貼圖都完成以后，便可以進行打光操作，烘焙光照貼圖，進一步提升環境氛圍。上述的虛幻引擎技術可以實現動態全局光照，此項功能優化了我們的使用體驗，但是仍存在光源溢出屏幕就不會發光之類的問題，因此打光之后還要進行烘焙光照貼圖，然后再疊加使用lumen（動態全局光照技術）。

綜上所述，三維建模技術可以完全適合運用到虛擬展廳的制作中。

3.2 虛擬漫游系統的實現

VR（Virtual Reality）即虛擬現實，是美國VPL公司創始人拉尼爾所提出的，是一種在計算機上生成的、可交互的三維環境中提供沉浸感覺的技術。其中，計算機生成的、可交互的三維環境成為虛擬環境（即Virtual Environment，簡稱VE）。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。而虛擬漫游系統主要是指在虛擬的環境下，用戶進行簡單操作，便可以實現一種模擬移動、漫游的效果。在不同場景的接入點置入移動觸發點，便可以使用戶在不同的場景間移動，實現轉場效果。對于三維模型和墻體等等，需要設置為不可穿越，只留出可供用戶移動穿梭的場地，便形成了漫游環境的通道。

3.3 交互環節的實現

交互是指計算機或多媒體程序可以通過編程人員或者使用者，通過編寫好的程序以及發出指令控制程序與計算機的運行。程序在接受使用者的指令而后做出反應的這一過程及行為，稱之為交互。利用虛幻引擎里的藍圖功能，可以更方便簡單地實現一些基本的交互效果，甚至可以免除很多代碼的輸入設置操作。

以自動開關的門為例。創建藍圖后，打開藍圖的編輯頁面，首先確認互動目標這個藍圖在世界場景（虛擬展廳）中的坐標原點，需要一個SceneComponent作為Root，也可以根據個人的習慣使用引擎默認的根組件，方法多樣。之后需要一個StaticMesh放置建立的模型，這個模型擁有不同分工組件，需要在組件中添加相應的StaticMeshComponent并命名。根據門打開的方式來設置開門的速度和時間，創建對應的TimeLine組件。為了讓使用者在遠離門的時候不產生開門的狀況，要加入BoxCollision組件，這個組件可以確認距離并作出對應程序反應。

虛擬漫游展廳一旦面向網絡開放，則會有許多未接觸過此項目的用戶使用。為了讓這些使用者更直觀方便地使用三維虛擬展廳，應用程序的設置中最好加入基本的文字指引與操作提示，讓使用者知道可以通過什么按鍵進行何種操作。因此我們在藍圖的制作時，可以添加相應的TextRender組件，以提供文字提示。最后總結一下對交互的要求，便可以對藍圖進行邏輯編寫了。

虛擬漫游展廳的交互功能可以通過手柄控制，也可以使用VR眼鏡設備的視覺停留點。如果所用的瀏覽設備是電腦端或者手機端，還可以用鍵盤或者點擊來實現。

在制作虛擬展廳時，可以安排以下的交互效果：選擇物品進行詳細的信息羅列顯示、放大縮小圖片、彈出相關名詞的解釋或鏈接、提供地點快速轉移的方式，以及各種依據用戶操作而產生反應的效果。

4 三維虛擬展廳的應用

4.1 建模與漫游系統的結合應用

建模與漫游系統結合，即是利用三維建模這種方式構筑漫游的系統場景。以三維模型作為主要物體和背景，建立起可以供用戶“漫游”的場所。三維展廳就是利用這種方式，構建出了一個可以讓用戶自行移動參觀瀏覽的虛擬展廳。當模型場景完成之后，可利用后續的流程軟件，搭建其內部的漫游系統。

在以建模為基礎開展的虛擬漫游中，需要有以下幾種特性：（1）仿真性

句中“爪牙之利，筋骨之強”，能翻譯成“爪子和牙齒的鋒利，筋骨的強健”嗎？顯然太別扭。倒過來，“利”和“強”分別作“爪牙”“筋骨”的定語，意思為“鋒利的爪子和牙齒，強壯的筋骨”。

作為供用戶游玩參觀的展廳，其三維建模必須要達到一定的仿真性，要像現實那樣可以看清圖片，房屋材質，比例正確，不然則會像玩游戲一般脫離虛擬現實展廳的效果。

（2）可動性

用戶在虛擬展廳中漫游時必須感覺到自己是真實可動的。在有道路的地方如若不能行走，則會顯得十分突兀。當用戶從一個場景位移到另一個場景時，如果銜接轉換的效果不夠流暢、過于拖沓，則大大降低了漫游的體驗感。

（3）操作性

漫游展廳時對于展廳內部的模型部件可否操作、燈光按鈕以及圖片文字可否翻閱，也是影響展廳漫游效果的因素。更強的交互會帶來更好的體驗感，但過于虛擬非現實的設計如虛幻彈窗等等，又會使展廳脫離現實，顯得過于魔幻。所以操作性的安排和設計，也是會影響三維建模展廳漫游種類和體驗的特性之一，需要努力找到其中的平衡點。

建模與漫游系統的結合越自然流暢，整個三維虛擬展廳質量越高，帶來的用戶體驗效果就越好。因此這兩者的結合是十分重要且需要提升的關鍵。

4.2 配合VR設備后的實際應用

佩戴VR設備以后，用戶將會仿佛置身于一個虛擬的現實環境中，四周360度都會是建好的模型場景。這種全景可視度不只是水平方向上的360度，而且豎直方向上的垂直360度都可以根據用戶的頭部轉動而觀測到。用戶既能在展廳內抬頭看見天花板和燈，也能低頭看見地板。因此佩戴VR設備以后，配合頭盔上的陀螺儀傳感器，畫面就會隨著用戶頭部的轉動而改變不同方向的畫面，設置調整得越好，真實感越強。這樣便能營造出虛擬環境里的“沉浸感”。

在虛擬展廳中，可以通過操作展示，讓用戶實現超越現實的體驗操作，比如在文物上端浮空展現對應圖片和文字信息，或者插入一段環境音效，讓用戶回歸當時的氣氛環境，這樣會使整個參觀過程更加具有震懾力和氛圍感染力。

4.3 更多可應用情況

三維虛擬展廳建成以后，可運用到的范圍很多。除了普通的作為某個展館的線上參觀方式以外，還可以起到宣傳作用。三維虛擬展館可以作為一種科普手段，讓人們更加了解其中的知識，也可以作為一種有趣的游戲學習形式，讓新時代的孩子更感興趣更快接受，從而培養他們對于參觀展廳和文物歷史的興趣。對于專業人士，虛擬展廳的資料和圖片信息也更容易收集整理，可以全方位加上細節顯示展品，起到了很好的輔助參考用途。

5 技術難點

基于三維技術的虛擬展廳，在制作過程中的難點如下：首先是建模的部分，建模作為一切的基礎，同時也是虛擬展廳質量最直觀的表現。要把模型建造地真實還原、符合現實原樣，這是第一個完全依賴于技術的難點。其次是一開始對于虛擬展廳的設計，如確定布局、室外的地形高度、建筑分布距離等等，都是前期比較困難的地方（圖3）。

圖3 建筑高度與布局的確認

在材質方面，要收集每件文物或者建筑的材質圖片，但是在鋪建地形貼圖時，追求良好效果的路線則會遇到一些技術難點，那就是地形材質用一張貼圖在巨大地形上不斷重復，會造成很明顯的重復感。因為地形材質的映射方式為Z軸映射，所以在斜率高的面上貼圖拉伸嚴重。解決方法是用幾張不同大小的噪波疊加，然后控制地表材質亮度在0.5～1cd/m2內隨機且不重復，這樣就能獲得不同的紋理變化，同時使用voronoi噪波（噪波類型）來消除重復效果（圖4）。

圖4 地面材質紋理置換

之后便是編程代碼，交互和漫游系統的設置會出現難點，每樣物體的可接觸點、交互的效果、持續時間、漫游的范圍控制與轉場效果等等都要有詳細的設定。最后所有的環節結合在一起，成為完整的虛擬漫游空間。

6 結語

三維虛擬展廳是基于三維建模技術和虛擬現實技術所建立的產品。在分析傳統展廳的不足、虛擬展廳的優勢的基礎上，探討了三維虛擬漫游實現的可行性，包括以下三種技術的實現方式，首先是三維建模技術的實現，建模的好壞是直觀體現整個展廳質量的基礎；然后是虛擬漫游系統的實現，虛擬漫游與VR結合，兩者共同影響著用戶的沉浸代入體驗感；最后是交互環節的實現，交互環節的設置決定了用戶可以操作的范圍，也代表了一小部分可玩性，增強物體和圖片文字的操作性，會讓三維虛擬展廳的實用性更強。

對于三維虛擬展廳的應用，也作出了一定范圍的討論，探討了建模與漫游系統的結合應用，以及配合VR設備后的實際應用。三維虛擬展廳的可應用范圍很廣，實用性強，便捷性也很大。三維虛擬展廳的設計與應用融合了多種技術，作為時代前沿的新興品，三維虛擬展廳在未來的發展空間還會繼續擴大。