基于Unity3D引擎的葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館設(shè)計

歐雯輝，鄭征，廖加駿，金鑫

【摘? 要】 隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為傳播文化信息的重要手段。博物館作為人類文化遺產(chǎn)的載體形勢，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于博物館的文化傳承和教育普及具有重要的現(xiàn)實意義。因此，文章以葉縣縣衙作為研究對象，基于Unity3D引擎構(gòu)建一座沉浸式的虛擬博物館。利用Maya和Substance Painter軟件制作完成博物館場景以及館內(nèi)遺物模型、材質(zhì)的制作，真實還原建筑和展品的原貌，使用Unity3D引擎完成多動態(tài)交互方式的設(shè)計與制作，實現(xiàn)了葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館的展示應(yīng)用。通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)博物館，成功突破時間和空間的限制，有效解決了傳統(tǒng)博物館的局限。

【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實；Unity3D；歷史文化；葉縣縣衙；博物館

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各個領(lǐng)域都產(chǎn)生了不同程度的影響。在文化教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為文化的傳播和展示提供了獨特的沉浸式體驗和交互邏輯，為學(xué)習(xí)者提供更加全面的學(xué)習(xí)資源、降低教學(xué)成本、進(jìn)一步提升教學(xué)效率和質(zhì)量、實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識遷移、增加文化信息的傳播等。博物館作為一個傳播文化信息的關(guān)鍵場所，受限于地理位置、文物保護(hù)限制等，很多人無法親自前往博物館進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)導(dǎo)致文化信息傳播能力受到限制。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點，將其應(yīng)用于博物館場景的虛擬展示和交互中，設(shè)計與實現(xiàn)一個基于Unity3D的虛擬仿真博物館，創(chuàng)新文化傳播手段，讓用戶隨時隨地感受博物館的歷史文化，更方便快捷地接受文化信息。

一、研究背景

中國博物館是中國文物和標(biāo)本的主要收藏機(jī)構(gòu)、宣傳教育機(jī)構(gòu)和科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，是中國社會主義科學(xué)文化事業(yè)的重要組成部分。而虛擬博物館能夠為用戶提供信息化的交流，拉近與真實博物館的距離，利用Unity3D技術(shù)，能夠把博物館里的各種建筑模型建立到計算機(jī)上活靈活現(xiàn)地呈現(xiàn)在用戶面前，建立一個傳遞文化信息的虛擬博物館。

葉縣縣衙作為中國河南省信陽市葉縣的一座歷史建筑，從歷史上來看為一座五品縣衙，占地一萬六千多平方米，規(guī)模宏大，氣勢雄偉。主體建筑有大堂、二堂、三堂、獄房、廚院、知縣宅、大仙祠、虛受堂、思補齋等建筑都是清同治年間遺留下來的。它是中國封建社會縣級政權(quán)衙門的實物標(biāo)本和歷史見證，是一座十分珍貴的文史資料庫。然而，許多人因種種原因，無法實地了解和感受這些歷史建筑的背后故事和歷史文化價值。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將這些歷史建筑進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，成為博物館面臨問題的解決方案之一。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與博物館的歷史建筑相結(jié)合，可讓用戶足不出戶就能觀賞到葉縣縣衙博物館內(nèi)的實景和建筑模型，熟悉博物館內(nèi)的各個角落。此技術(shù)不僅讓用戶在潛移默化的過程中學(xué)習(xí)了解縣衙歷史文化，還可以提高葉縣縣衙博物館的知名度，達(dá)到一舉兩得的效果。

二、基于Unity3D引擎的葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館系統(tǒng)設(shè)計

想要建立葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館系統(tǒng)，主要使用了Maya作為模型制作工具進(jìn)行虛擬葉縣縣衙的建模以及使用Unity3D來實現(xiàn)虛擬博物館的交互系統(tǒng)。具體步驟如下：

1. 數(shù)據(jù)采集。為還原真實的葉縣縣衙樣貌，需要采集葉縣相關(guān)數(shù)據(jù)，通過實地考察、無人機(jī)和相機(jī)拍攝的方式獲得葉縣縣衙整體和細(xì)節(jié)的建筑信息，并通過現(xiàn)場測量來獲得更為準(zhǔn)確的建筑尺寸和比例相關(guān)數(shù)據(jù)。

2. 模型制作和場景搭建。根據(jù)拍攝照片以及測量的數(shù)據(jù)信息，使用Maya軟件進(jìn)行對照三維建模，制作完成并導(dǎo)入Unity3D引擎中，根據(jù)實地考察數(shù)據(jù)，添加地形、植被、水體、家具等細(xì)節(jié)，搭建完整的虛擬葉縣縣衙場景，并根據(jù)實景調(diào)整場景光照、后處理等以實現(xiàn)逼真的虛擬現(xiàn)實體驗。

3. 交互系統(tǒng)。為使用戶在體驗虛擬博物館時擁有好的體驗感，文章在交互系統(tǒng)中主要設(shè)計并實現(xiàn)了這四大功能：自由漫游、九品換裝、判案劇情對話、編鐘游戲。通過點擊主頁開始游戲按鈕的分支選項，用戶能夠快捷地體驗到各功能模塊。自由漫游中用戶可以操控鍵盤自由瀏覽葉縣縣衙的不同區(qū)域，到達(dá)不同地區(qū)都會彈出相應(yīng)的名稱和介紹，同時附帶自動導(dǎo)游和小地圖功能輔助用戶熟悉了解虛擬葉縣縣衙各地區(qū)。九品換裝可以讓用戶選擇讓虛擬人物更換不同的九品官服，通過服裝細(xì)節(jié)的對比和文字解說讓用戶加深對九品官服的了解。而判案劇情對話、編鐘游戲能讓用戶以第一人稱視角體驗到古時判官判案和編鐘奏曲，在人物對話和編鐘擊打中讓用戶身臨其境體驗葉縣縣衙的歷史文化。

三、葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館的實施方案

（一）博物館建模和材質(zhì)

在葉縣縣衙內(nèi)進(jìn)行實地考察，使用測量工具，按照實際比例對葉縣縣衙進(jìn)行測量，如建筑物高度、長度、寬度以及各建筑間的比例大小等，然后使用相機(jī)和無人機(jī)的拍攝來獲取葉縣縣衙的建筑細(xì)節(jié)和整體俯視圖，為三維建筑模型構(gòu)建提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了便于實現(xiàn)對葉縣縣衙建筑的分別建模，需要根據(jù)左中右對整個建筑劃分為三個區(qū)域，對建筑模型進(jìn)行分類，將其組合搭建成完整場景。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，首先創(chuàng)建多個基礎(chǔ)幾何體勾勒出整體比例形狀，其次根據(jù)實拍圖片的四面圖片仔細(xì)比對逐漸細(xì)化，勾畫出細(xì)節(jié)，利用倒角修改器對照片來修改不同位置達(dá)到收縮和凹凸效果完成整體效果，最后將所有多邊形面合并，并UV展開完成單個模型建模。

為還原葉縣縣衙的真實效果，貼圖材質(zhì)也是必不可少的。通過拍攝墻壁、牌匾、石碑等細(xì)節(jié)部分獲取照片素材，使用圖像處理軟件Photoshop將真實照片素材進(jìn)行處理和合成，導(dǎo)入材質(zhì)軟件SubstancePainter中使用現(xiàn)有素材和現(xiàn)實貼圖的混合制作真實還原的材質(zhì)貼圖，完成后以Unity3D的格式導(dǎo)出，將制作好的材質(zhì)貼圖應(yīng)用到葉縣縣衙建模中的各個部分，最后根據(jù)實景圖片對比，調(diào)整材質(zhì)的平滑度、法線強(qiáng)度等屬性，增強(qiáng)虛擬博物館中的視覺效果。

（二）博物館場景搭建

將建模好的模型導(dǎo)入Unity后組裝形成完整的葉縣縣衙模型，通過無人機(jī)與相機(jī)拍攝來獲取的葉縣縣衙整體的俯視圖和建筑物三視角的細(xì)節(jié)圖，對導(dǎo)入的建模模型進(jìn)行整體的位置調(diào)放和比例調(diào)整。為讓效果更加真實、更符合實際，添加Unity自帶的地形組件，創(chuàng)建一個貼合場景地面大小的地形，使用地形高度工具制作出葉縣縣衙的地形，并添加泥土草地落葉紋理，模擬出原本地形的真實感。再使用地形植被繪制工具，將植被放置在俯視圖中綠化位置，增加場景的自然感。在場景中的后花園池塘位置需要添加水體材質(zhì)，通過添加并調(diào)整水體材質(zhì)屬性和平面反射組件，實現(xiàn)較為真實的水體。最后為增強(qiáng)博物館的氛圍，根據(jù)實際照片布局導(dǎo)入適合葉縣縣衙風(fēng)格的家具模型，并將其放置在房間內(nèi)部，調(diào)整家具的位置大小，使其與場景相匹配。在葉縣縣衙虛擬博物館的場景搭建完畢后，為保證模型的碰撞精準(zhǔn)，需要根據(jù)模型實際大小為建筑和地形依次添加物理碰撞器。

（三）游戲交互功能的實現(xiàn)

1. 自由漫游系統(tǒng)。在自由漫游系統(tǒng)中，用戶可以通過鍵盤和鼠標(biāo)操控攝像機(jī)的移動和視角方向，為用戶方便了解各地區(qū)的詳情，在不同地區(qū)都掛載了觸碰交互腳本，當(dāng)用戶在漫游過程中靠近進(jìn)入觸發(fā)器中時，就會展示該區(qū)域相關(guān)文字介紹、并語音播放文本內(nèi)容。為幫助用戶在虛擬現(xiàn)實博物館中按照合適的路線訪問各個區(qū)域，地區(qū)介紹腳本還會根據(jù)當(dāng)前地區(qū)優(yōu)先值為用戶推薦前往附近的地區(qū)路線，自動引導(dǎo)用戶從當(dāng)前區(qū)域前往下一個目標(biāo)區(qū)域，計算并顯示目的導(dǎo)航線和距離米數(shù)，以實現(xiàn)平滑的帶用戶導(dǎo)游所有建筑區(qū)域的效果。同時為幫助用戶了解葉縣縣衙虛擬博物館的整體情況，用戶可以設(shè)置打開地圖查看該場景的俯視視角，并在小地圖上標(biāo)記出玩家的當(dāng)前位置和其他地區(qū)的標(biāo)記，用戶可以通過點擊小地圖上的標(biāo)記來獲取導(dǎo)航到對應(yīng)地區(qū)的路線。

2. 九品換裝系統(tǒng)。九品換裝系統(tǒng)通過用戶點擊不同按鈕的ID通過腳本來切換對應(yīng)角色服裝材質(zhì)和官服胸前圖案貼圖，便于用戶在交互過程中了解明代文官九品官服等級制度。在切換的過程中，使用了Shader制作的前后溶解效果來豐富換裝效果。同時為更直觀向用戶服裝的細(xì)節(jié)，在換裝UI的頂部欄還添加了預(yù)設(shè)不同的攝像機(jī)位置視角以及自由視角的選項展示給用戶。

3. 編鐘音樂游戲。在編鐘音游戲系統(tǒng)中，系統(tǒng)會根據(jù)樂曲的節(jié)拍有節(jié)奏地在編鐘上生成音符指引，用戶按下對應(yīng)按鍵即可敲打編鐘，同時一步步完成編鐘樂曲的演奏。為滿足不同用戶習(xí)慣，還可以設(shè)置更改樂曲的播放速度以及音符的生成延遲時間。系統(tǒng)會根據(jù)用戶的輸入來判斷音符的擊中情況，根據(jù)擊中的準(zhǔn)確度給予加分和播放編鐘搖擺動畫并生成音符擴(kuò)散粒子特效，并在樂曲演奏結(jié)束后進(jìn)行分?jǐn)?shù)結(jié)算。

4. 判案對話劇情。判案劇情中用戶會以判官的第三人稱視角進(jìn)行游戲，用戶將要在對話信息中與紙質(zhì)證物中尋找真相并達(dá)成最終結(jié)局。在判案對話劇情制作中使用了Fungus插件，用于管理和制作游戲中的判案劇情對話內(nèi)容流程，使用文本來呈現(xiàn)對話內(nèi)容，并提供選項供用戶選擇，根據(jù)用戶的選擇和劇情的進(jìn)展，會更新游戲中的角色動畫狀態(tài)和游戲進(jìn)程。除了對話部分，還需要控制對話人物的攝像機(jī)位置、方向、遠(yuǎn)近，還掛載了一個劇情攝像機(jī)控制腳本，在切換人物對話時會做到更改當(dāng)前攝像機(jī)目標(biāo)。并且在判案過程中，用戶會搜集到不同的證物和證據(jù)，腳本自動收入右上角證物欄中，便于用戶隨時比對消息。

（四）性能優(yōu)化

精美的三維場景制作可以帶給用戶更加美觀和逼真的游覽體驗，但同時也會增加系統(tǒng)開銷，導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率低下、響應(yīng)延時等問題，在設(shè)計和開發(fā)葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館時，性能優(yōu)化是確保游戲在各種設(shè)備上流暢運行的關(guān)鍵。為達(dá)到真實場景效果和流暢的漫游體驗之間的平衡，文章在以下三個方面進(jìn)行了場景的資源優(yōu)化。

1. 三維模型的面數(shù)優(yōu)化。在模型制作過程中，為達(dá)到圓滑的倒角效果，從而造成大量的面數(shù)增加，除去不必要的倒角，改用材質(zhì)視差貼圖的方案替換掉，并且剔除一些看不見的面數(shù)，可以有效減少計算機(jī)對模型的渲染計算負(fù)擔(dān)。

2. 場景劃分。由于大場景眾模型過于集中且植被密集會導(dǎo)致加載速度過于緩慢且運行卡頓，可以將大場景劃分成為左中右三部分場景，場景交接部分會出現(xiàn)虛線，用戶靠近會加載至對應(yīng)場景中，保證場景的整體性的同時也能有效減少單個場景的模型數(shù)量。

3. 三維模型的調(diào)度優(yōu)化。Unity默認(rèn)會渲染攝像機(jī)附近的所有物體會造成不必要GPU渲染計算，可以使用遮擋剔除技術(shù)自動剔除視野外的物體從而減少渲染負(fù)擔(dān)。同時使用LOD技術(shù)給模型劃分細(xì)節(jié)級別，對遠(yuǎn)景物體使用低模和剔除以減少渲染開銷，并對模型批處理合并也可減少渲染調(diào)用提高效率。

四、結(jié)語

文章對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬博物館游覽中的運用展開了深入研究與探索，并設(shè)計開發(fā)了基于Unity3D的葉縣縣衙虛擬現(xiàn)實博物館，使用戶能夠通過游戲互動的方式更好地理解和掌握文化知識。未來，希望可以進(jìn)一步探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)更多具有創(chuàng)新性和實用性的教育游戲，以滿足不同年齡段和學(xué)習(xí)需求的學(xué)習(xí)者，推動傳承與保護(hù)歷史文化。

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