基于虛擬現實技術的博物館數字化應用

王 騰

（南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

研究表明參觀博物館和文化機構的人數在逐年減少,特別是年輕人群體對博物展館的關注越來越少。這一趨勢表明需要新的藝術途徑來改善人們對博物展館的關注。 虛擬現實技術可以極大地促進用戶與文物之間的關系。 文章介紹了一種基于虛擬現實技術的數字化展示系統,即沉浸式藝術。 沉浸式藝術［2］是一種交互式的、沉浸式的虛擬現實體驗,通過虛擬現實設備,用戶被帶入虛擬的三維場景,成為虛擬世界的一部分。 筆者用三維建模軟件重建選定的文物,這些場景中的物體必須符合該文物的歷史、朝代、文化內涵以及科學價值,將這些虛構的物體制作為三維動畫,使場景變得栩栩如生,并將其帶入該文物誕生時所處的歷史環境。 在虛擬場景中允許用戶在這個虛擬世界中移動,并能與構成虛擬世界中的關鍵元素進行交互,觀看者的視角隨著360°的自由移動而改變,成為視覺空間的中心,觀看者能準確感受到文物的歷史氛圍和精神世界。這項研究表明,與其他體驗藝術的形式(如插圖書籍和視聽演示）相比,人們更愿意使用虛擬現實了解文物［2］。

1 系統方案設計

該虛擬現實體驗系統采用了多種圖形技術:使用Unity3D 游戲引擎進行開發；使用Maya 三維建模軟件對虛擬對象進行建模和動畫制作；使用Photoshop 軟件進行紋理處理。 用戶可以通過游戲導航與藝術品或文物互動,通過HTC VIVE 手柄硬件,用戶在虛擬世界中可以自由導航并瞬間移到任何位置［4］。 用戶也可以跟蹤興趣點進行交互和導航,允許用戶移動到虛擬場景中不同的預定義位置,這樣就不會錯過關鍵的位置或信息。 為了更容易識別興趣點,通過添加圓形指示器特效提供視覺提示,即視覺提示顯示是虛擬世界中的元素。 用戶可以自由選擇他們想要訪問的地方以及他們想要在其中停留的時間。 當用戶選中一件文物后,系統就把用戶帶入虛擬的三維場景,允許用戶使用VR手柄拾取不同的顏色畫筆,并模仿虛擬場景進行三維繪畫,豐富了虛擬場景內容,增添了體驗者與作品的交互性。 虛擬現實博物館體驗系統流程如圖1 所示。

圖1 博物館數字化體驗系統流程

2 系統開發及關鍵技術

2.1 系統場景搭建

場景搭建階段需要用三維建模軟件虛擬一個博物館,場館中放置各種名家作品或文物,每個文物都需要虛擬一個三維場景,三維虛擬場景設計要能展現這個文物的歷史文化背景,讓作者沉浸式地理解每一件文物的內涵。 要想把文物由靜態物體轉為三維的虛擬場景,虛擬場景決不能改變原始文物的歷史背景和文化內涵,虛擬重建的場景必須是一個能準確感受到原作氛圍和精神的真實場景。 因此三維場景中的每一個細節都必須用三維建模,使用Maya 軟件對該文物相關的每個物體進行建模,使用Photoshop 進行紋理處理。 虛擬場景中的一些元素或關鍵符號必須符合該文物的歷史、朝代、文化內涵以及科學價值,以便能更真實地還原文物誕生時所處的環境。

對于虛擬場景而言,燈光是非常重要的一部分。在場景中使用更加復雜的光影效果,可以增加場景的真實性和美感。 網格和紋理定義了場景的形狀和外觀,而燈光定義了場景的顏色和氛圍。 對于博物館中的文物而言,燈光就顯得格外重要。 因此為了更加真實地表現文物作品,在虛擬場景中使用多種光源,若要達到更好的效果,需要對虛擬場景進行燈光烘焙。 燈光烘焙的目的是將實時燈光信息添加到紋理貼圖上,比實時渲染看起來更真實,光照信息更豐富,也避免了使用實時燈光對資源的占用,節省了空間,使系統運行更流暢。

2.2 關鍵技術及實現

基于虛擬現實技術的博物館數字化展示系統的主要開發流程如圖2 所示。

圖2 開發流程

該系統的漫游方式主要有固定點漫游、連續漫游和瞬間移動3 種。 連續漫游是通過手柄圓盤鍵控制漫游方向,并設置固定速度控制視角進行移動；固定點漫游是移動到虛擬場景中不同的預定義位置,這樣就不會錯過關鍵的位置或信息；瞬間移動是從手柄上發出一條射線,射線與場景中預定義的可移動區域之間的相交點即為瞬間移動的位置。 3 種漫游方式可以自由選擇。

該系統中的場景切換主要使參觀者通過手柄對虛擬場景中的繪畫作品進行選擇,交互方式主要是UI 交互,每一幅畫都有一個確定按鈕,按鈕的選擇主要有射線檢測和觸碰方式兩種。 即判斷手柄發出的射線是否與UI 相交或判斷手柄是否與UI“接觸”,若相交或接觸,則玩家可選中UI 按鈕進入名畫世界。 兩種交互方式各有特點,其中,射線檢測適用于所選中的作品距離較遠的情況；觸碰方式更適用于UI 按鈕距離較近的情況。

該系統中的三維繪畫功能的實現主要是Unity 中的Trail Renderer 組件產生拖尾效果,更改拖尾的顯示時長為無窮大,近似讓拖尾效果一直顯示在場景中,將帶有Trail Renderer 組件的物體放置右手柄處,通過揮動手柄實現畫筆效果。 左手柄制作調色盤,當右手柄控制器與調色盤上的顏料對象進行接觸時,顏料對象邊緣均出現黃色高亮,表明左手柄成功拾取調色盤上的顏色,這樣就實現了在虛擬空間進行三維繪畫的功能。

2.3 系統生成

以上技術適用于開發任何類型的博物館的數字化展示系統。 用戶進入系統后,可以通過左右手柄的圓盤鍵在虛擬博物場館中漫游,漫游的方式有固定點漫游、連續漫游和瞬間移動3 種。 當選擇一個文物或者名畫后,點擊進入場景的UI 按鈕,就進入了虛構的世界。 在虛擬三維場景中,左手柄設置了按鈕切換,按下左手柄左右兩邊的抓取鍵后,會出現提示信息和功能選擇,提示信息在功能選擇的上方。 點擊左手觸控板的上下區域進行功能選擇,選中重置場景功能,點擊左手扳機鍵確定選擇,可以在三維繪畫場景中重置場景,重新對虛擬繪畫場景進行改造設計。 選中返回大廳功能,點擊左手扳機鍵確定選擇,可以回到博物館大廳重新選擇文物,進入不同的虛擬場景進行三維繪畫。 左手柄上還有一個調色盤,使用右手柄去接觸調色盤上的顏色,按一下右手柄的扳機鍵進行確定,顏色成功選取,用戶可以在虛擬的三維場景中對繪畫世界進行改造,通過右手柄選取調色板上的顏色,進行二次創作。在虛擬場景中的繪畫是面向三維的畫作,因此可以通過固定點漫游、連續漫游和瞬間移動3 種方式,在場景中調整位置,調整繪畫的角度和繪畫的位置,合理地豐富三維場景。

3 結語

基于虛擬現實技術實現博物館的數字化作品展示,使得文物變得更有趣,即使藝術建模和動畫將花費大量時間,但使用Unity3D 軟件進行系統開發,使新型交互式虛擬現實繪畫的創作變得更容易。 而且該系統適用于任何類型的博物館數字化展示,能在現有靜態文物的基礎上賦予自己的理解和創作,實現了多元化的展示形式,激發了人們欣賞文物的興趣。 此外,筆者計劃將本文中的方法應用于VR 一體機,降低虛擬現實體驗成本,減少VR 設備的束縛,吸引更多的觀眾關注文物的歷史價值。