高校虛擬美術館的設計與實現

向文欣

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017）

1 概 述

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術(Virtual Reality)，簡稱VR，又被稱為靈境技術或幻真技術。它是20世紀發展起來的一項高新技術。它結合計算機、電子信息、仿真技術于一體，利用計算機三維軟件制作出一種模擬真實世界的虛擬環境，通過引擎軟件將虛擬與現實有效結合，使用VR設備實現交互，使用戶實現沉浸式體驗[1]。

1.2 研究背景

我國虛擬現實產業正在高速發展中，VR技術作為近年發展突飛猛進的新興產業之一，擁有著龐大的潛在應用領域及巨大的市場前景。VR已廣泛地應用于教育、地產、工業仿真、醫療、旅游、電力、消防、軍事等各行各業中。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們更加注重對精神文化的追求。美術館、博物館、紀念館等已經成為人們生活、旅游、訪問、學習的熱點。這些展館對提高人們的藝術欣賞，豐富人民文化生活，促進人類文明進步等發揮越來越重要的作用。但是，一方面由于地域分散、出行費用昂貴，造成很多人不能在世界各地的各種展廳參觀游玩。另一方面，由于缺乏資金、場地、人手等不利因素，導致實體展館難以建設。

四川信息職業技術學院是一所信息類工科院校，數字化、信息化是學校的辦學特色，但是在校園文化建設上人文藝術氛圍不夠濃郁。由于受經費、地理位置等因素限制，學院一直沒能建立一座美術館。雖然師生的作品也在學校的官網上展示，但主要是圖片和文字介紹，不能讓訪客有身臨其境的真實感，大大降低了瀏覽者的興趣。數字藝術系受辦公教學場地限制，大量的師生藝術作品無法得當充分的展示和宣傳。

綜上所述，尋求一種新的展示方式已成為迫切需要。

1.3 虛擬美術館產生的意義

首先，虛擬美術館的建設為我校的師生、家長和其他訪客提供了更加便捷，高效的游覽方式，為推廣我校師生的藝術作品提供了更加開放的展示平臺。其次，虛擬美術館的建設開創了新的對外展示宣傳學院的途徑和模式，進一步凸顯學院的辦學特色。再次，充分向社會展示了學校的教學特點和教學成果，促進了數字藝術系的快速發展和教師隊伍的快速成長。最后，為學校下一步建設虛擬校史館奠定了理論和技術基礎。

2 三維技術在虛擬美術館中的應用

2.1 虛擬美術館概念設計

虛擬美術館由于不受時間、空間的限制，使設計者能夠更加靈活、便捷的在三維虛擬環境中操縱并擺放展出作品。同時可以及時、準確的調整設計方案和參觀路線，最大化的提升用戶體驗和滿意度[2]。

虛擬美術館主要使用虛擬現實技術實現視覺上的仿真功能。通常以真實美術館為藍本，按照一定比例縮放建模，借助相關計算機軟件實現數字化展示。但是，四川信息職業技術學院由于沒有實體展館為依托，無法通過1:1三維建模來建設虛擬展館。需要收集大量資料、參考文獻，了解國內外美術館的發展歷史、建筑特點、展覽特點。經多次調研考察，項目組決定以成都文軒美術館為參考模型，結合四川信息職業技術學院的特色，制定虛擬美術館的設計方案，制作具有“川信特色”的虛擬展館原型圖。在美術館里設置了幾個典型的空間進行作品展示，包含了美術作品展示區、攝影作品展示區、雕塑展品區、新媒體藝術展示區、休息討論區等幾個區域。

2.2 虛擬美術館三維設計制作

三維建模是指利用計算機系統描述一個物體空間形狀的技術，具有可視化、多角度、超便捷的特點，在游戲美術、工業設計、虛擬仿真等諸多領域應用廣泛。

（1）設計并繪制虛擬美術館的CAD平面圖。根據虛擬美術館的設計方案，將美術館進行合理分區，在CAD中繪制平面布局圖，為后期三維場景的制作打下基礎。

（2）建立和優化三維場景模型。將設計好的CAD平面布局圖導入3ds Max 軟件，在3Dmax中建立場景模型。模型是整個虛擬美術館建立的基礎，模型質量的優劣關系到整個虛擬系統的成敗。模型和場景逼真精細，用戶對真實環境的感知體驗度高，但龐大的數據量往往導致計算機硬件無法承受，開發引擎無法流暢運行。所以，對三維模型的優化顯得尤其重要。由于虛擬場景復雜煩瑣，任何虛擬場景的三維模型建立，都涉及上千個多邊形。一方面，在保證必需的模型質量情況下盡可能控制模型的數量。另一方面，可以將基于幾何的三維對象建模技術與基于圖像的建模技術有機結合，最大限度的發揮這兩種技術的優點。在保證實時交互的前提下，給用戶帶來身臨其境的沉浸感。

（3）建立其他物件模型。對在雕塑展品區和休息討論區出現的其他物件進行三維模型的建立。

（4）給模型賦材質和貼圖。對場景模型和物件模型賦予材質貼圖。材質和貼圖主要用于描述對象表面的物質狀態，構造真實世界中自然物質表面的視覺表象。它可以增強模型的真實感和感染力。如果說，建模的好壞決定了物體的形狀，材質和貼圖則決定了物體的質感。

（5）渲染和烘焙。通過場景烘焙為虛擬場景增添表面光影關系，使其與真實物體相符合，增加虛擬美術館的真實感和體驗感。

（6）合并場景。將分開處理的場景模型進行合并。

（7）根據分區合理規劃物件模型。在場景內合理規劃和擺放物件模型，方便瀏覽和展示。

3 二維展品展陳方式

虛擬美術館展覽的作品主要分為書法、繪畫、平面設計、攝影、雕塑等幾類。雕塑作品通過三維建模的方式展示，但其他作品均為二維展品，其展示方式與三維作品不同。二維展品，我們主要使用拍攝照片的方式放入畫框，并掛在墻上的展示方式。畫框只需要創建樣條，設置要顯示為集合實體的對象的長度和寬度，然后將面皮模型添加到框架模型，再添加需要展示的照片，以貼圖的方式放在面片模型之上即可[3]。

二維展品的拍攝使用現有的超高清影像設備即可完成。2016年，谷歌推出了10億像素級的相機Art Camera。同時谷歌和莫瑞泰斯皇家美術館最先合作，利用Art Camera掃描上千幅藝術畫作，并將掃描后的數據傳回Google的服務器上并制成10億像素的圖片保存和展出。目前，市面上用于拍攝超高清影像的設備很多，以佳能5D Mark IV(單機)為例，全手動操作，有效像素達3 040萬，4K超高清視頻。這些超高清影像設備完全能夠滿足虛擬美術館的作品拍攝。

4 UE4在虛擬美術館中的應用

4.1 UE4簡介

UE（Unreal Engine）是目前世界最知名、授權最廣的頂尖游戲引擎，占有全球商用游戲引擎80%的市場份額。UE4誕生于1998年，是美國Epic游戲公司研發的一款3A級次世代游戲引擎，采用PBR物理材質系統，實時渲染效果強大，成為開發者最喜愛的虛幻引擎之一。2020年5月13日虛幻引擎官方發布了虛幻5引擎。

4.2 導入模型

第一，在導入模型前先將世界坐標歸零，確定物體的世界位置，導入后物體不會移位，和在3Dmax顯示一樣，通過相對位置一起移動和改變場景。

第二，需要注意比例單位的問題。3Dmax和UE4 引擎默認的比例單位不一樣，3dmax 中是默認的比例單位是 1 米，而 UE4 里默認的單位是 1 厘米。所以，在 3dmax 導出為FBX 格式的時候先將單位調為厘米，再將模型導入 UE4 引擎中。

第三，避免將碰撞體一起導入UE4。物件模型導入UE4后，在UE4中添加碰撞體，可以避免貼合物體不緊密的碰撞體與鄰近物體發生碰撞，或者是交叉，導致相鄰的物體一起抖動。

4.3 設置物理碰撞

設置物理碰撞是虛擬現實系統中必不可少的內容，為了避免違反現實生活規律，避免用戶在進行虛擬現實體驗時，發生“穿透墻體”“穿透物體”等現象，我們必須設置物理碰撞。設置物理碰撞，還可以增強用戶的真實體驗感。在虛擬美術館中，我們針對墻體、門床、隔板、雕塑等物件均添加了物理碰撞。

5 結語

我院三維虛擬美術館的設計與研究能夠為師生作品提供展示平臺，改變展陳方式，開創了新的對外展示宣傳學院的途徑和模式。但受技術水平限制，還有很多不完善的地方，需要深入研究。進一步提高模型精度和完善場景細節，交互設計方面提高用戶體驗等。