基于Unity3d的虛擬博物館設計與關鍵技術研究

李昂軒 蒲鑫 陶光輝 陳創(chuàng)

關鍵詞：虛擬博物館；Unity引擎；3D建模；A Star算法；互動體驗；LOOP細分算法

0 引言

隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，虛擬博物館作為新興形式正嶄露頭角。傳統(tǒng)博物館受限于時間和空間，無法滿足沉浸式、自主探索的需求。因此，基于虛擬現(xiàn)實的博物館體驗成為當今數(shù)字時代的迫切需求[1]。Unity作為跨平臺游戲引擎和開發(fā)工具，能創(chuàng)造高品質(zhì)2D/3D游戲、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實應用[2]。本文以Unity引擎為基礎，致力于打造逼真、互動、沉浸式的虛擬博物館。通過Unity 的實時編輯器和交互式工具，展示藏品、提供互動功能。本研究探討虛擬博物館設計與實現(xiàn)的方法和技術，滿足參觀者對數(shù)字化文化體驗的需求，促進數(shù)字文化遺產(chǎn)的保護和傳承。通過新動力和創(chuàng)新思路，推動數(shù)字文化的發(fā)展。

1 場景設計與開發(fā)

1.1 架構圖

此虛擬博物館是基于Unity3d進行開發(fā)，模擬真實世界中的博物館的構造與布局，包含登錄和注冊模塊、漫游、展品檢索、建議提交等功能[3]。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

1.2 建立博物館和展品的相關模型

在確定好相應博物館后，通過對博物館進行多方面收集資料采集數(shù)據(jù)，包括歷史文物資料、文物照片、平面布置圖等，得到了博物館的基本資料。利用3dsMax等軟件對前期調(diào)查的博物館進行建模與整個虛擬展示設計場景的構建。

1.3 材質(zhì)貼圖

在設計虛擬博物館時，對真實世界環(huán)境的理解和分析以及相關知識的藝術素養(yǎng)具有十分重要的意義。材質(zhì)貼圖在設計中是必不可少的一環(huán)，需要使用3dsMax軟件進行貼圖。本設計中采用位圖貼圖，通過精細調(diào)整，讓虛擬場景具有一定真實感。對于特殊圖案紋理的制作，需要將相應模型的UV坐標導出，然后利用Photoshop軟件編輯制作成貼圖，再貼回模型上，使物體的紋理比例和場景大小更加真實且美觀。同時，需要規(guī)范材質(zhì)球、材質(zhì)和模型的命名，以便在后續(xù)修改時方便快捷，避免出錯。貼圖的效果直接關系到后續(xù)場景烘焙的效果和整體場景的逼真性[4]。

1.4 燈光布置

燈光在虛擬場景設計中起著重要作用，產(chǎn)生反射和陰影效果，增強真實感。虛擬場景中，材質(zhì)、模型和貼圖的表現(xiàn)依賴于燈光。不同類型的燈光可呈現(xiàn)不同效果，因此在實現(xiàn)逼真虛擬場景時，需要考慮多個因素的協(xié)調(diào)，如模型、材質(zhì)、貼圖和燈光等。

本設計采用了室內(nèi)燈光效果，通過巧妙設置不同位置的燈光來營造明暗層次和真實感。仔細調(diào)整燈光可使場景更真實吸引人，提升虛擬博物館展示效果。

1.5 烘焙

烘焙貼圖是將場景中的材質(zhì)、貼圖和燈光等信息轉換為二維貼圖的過程，以減少內(nèi)存占用并提升展示效果。3ds Max中的兩種烘焙方式分別是Lightingmap 和Completemap[5]。渲染效果圖前需檢查燈光效果，確保理想結果。重命名模型避免后期設置困難，檢查模型是否存在破面和重面問題。烘焙貼圖能有效減少內(nèi)存占用，并提升展示效果。

2 虛擬博物館的功能實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設計

虛擬場館將與后臺數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)對接，用戶通過虛擬展館前端頁面搜索入口，可以遍歷檢索平臺大數(shù)據(jù)內(nèi)容，并按要求格式與規(guī)則排序呈現(xiàn)所有搜索內(nèi)容[6]。基于這個條件下，為數(shù)字展覽廳系統(tǒng)設計支撐的數(shù)據(jù)表，如圖2所示。根據(jù)網(wǎng)站、后臺管理、數(shù)字展廳三大模塊的信息抽象，為整個系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)表，包括但不限于：公告表、評論表、圖片資源表、語音資源表、視頻資源表、管理員表、操作權限表、權限表、角色表、投票人氣表、解說詞資源表、展覽通知表等。

2.2 登錄模塊設計

登錄模塊設計包含登錄和注冊功能。用戶可以注冊新賬戶并提供個人信息和登錄憑證。已注冊用戶可以使用登錄功能輸入用戶名和密碼進行身份驗證。模塊包括輸入字段、登錄按鈕、注冊鏈接和密碼重置選項。登錄功能會驗證用戶憑證，確保安全性和身份驗證的準確性，并提供錯誤提示和良好用戶體驗。

2.3 主頁設計

虛擬博物館主頁設計包括場館介紹、漫游模塊、信息檢索和心得提交四個選項。主頁循環(huán)播放文物圖片，吸引用戶注意。場館介紹提供背景、歷史和特色概述。漫游模塊允許用戶探索博物館區(qū)域和展品。信息檢索模塊讓用戶快速搜索感興趣的文物信息。心得提交鼓勵用戶分享觀展感受。主頁設計方便用戶獲取信息、參觀展品并與其他用戶交流體驗。

2.4 場館相關介紹模塊

場館相關信息介紹模塊包含場館概要介紹和詳細信息。概要介紹提供地理位置、開放時間等基本信息。詳細信息部分包括場館現(xiàn)狀、歷史沿革、展覽概況和展品介紹。信息統(tǒng)計部分展示展品分類、地理分布等圖表數(shù)據(jù)。通過該模塊，用戶可以全面了解博物館的背景和特色，并深入了解展覽和展品信息。

2.5 漫游模塊

漫游模塊包括主動漫游和自動漫游。主動漫游允許用戶自由移動，點擊物品查看詳細信息。自動漫游通過相機動畫導覽，帶領用戶自動游覽博物館。用戶可根據(jù)興趣自主探索或選擇自動導覽。漫游模塊提供便利參觀體驗，讓用戶輕松欣賞博物館的內(nèi)容。在漫游模塊中添加語音播報等媒體，用戶可以深入了解博物館的文化和展品。漫游場景如圖3所示。

在漫游模式中，對于路徑的選擇至關重要，通過采用尋路算法可以快速高效地完成漫游和尋路功能，本系統(tǒng)使用A*算法作為虛擬場館漫游的尋路算法。A*算法融合了廣度優(yōu)先遍歷和深度優(yōu)先遍歷的優(yōu)勢，通過不斷計算找到匆匆起點到目標的最短路徑A*算法通過綜合代價選擇節(jié)點，計算公式如式（1） 所示：

其中f（n）是節(jié)點n 的綜合代價，表示從起點到目標經(jīng)過節(jié)點n 的總代價的估計。A*算法會選擇具有最小f（n）值的節(jié)點，因為它們被認為是最有希望的節(jié)點；g（n）是從起點到節(jié)點n 的實際代價，通常是通過已知路徑計算的；h（n）是啟發(fā)式函數(shù)，它估計從節(jié)點n 到目標節(jié)點的剩余代價。A*算法搜索流程圖如圖4所示。

為了將該算法適用于虛擬場館漫游中，本系統(tǒng)對傳統(tǒng)的A*算法進行改進，使其更加方便集成到本文的虛擬場景中，可以準確尋找到最優(yōu)的路線同時又減少了工作量。使用Matlab 對改進的A*算法進行測試，如圖5所示，分別對簡單場景和復雜場景分別進行了測試，可以看出本文通過改進的A*算法能夠很好地應用到智能漫游模式之中。在場景較為簡單時，為了節(jié)省系統(tǒng)的運算能力，該算法在滿足避障的前提下，對其他區(qū)域簡化處理，從而能夠快速計算出一條相對最優(yōu)路徑，同時也節(jié)省了大量的運算時間；在場景較為復雜時，該算法在規(guī)避障礙物的同時，計算出的路徑更為準確，從而滿足任務的需求。

2.6 檢索模塊設計

檢索模塊設計允許用戶通過文字搜索查找文物信息，并提供時間、地點、文物類型分類等多種方式來查找相關的文物。用戶可以在搜索框中輸入關鍵詞進行文物的文字檢索，系統(tǒng)將返回相關的展品信息。此外，用戶還可以根據(jù)特定的時間范圍、地點或文物類型進行分類檢索，以獲取更具體和精準的結果。通過檢索模塊，用戶可以快速定位和瀏覽感興趣的文物，提供了便捷的檢索方式，幫助用戶在龐大的文物數(shù)據(jù)庫中迅速找到所需信息，提升了用戶的參觀體驗和研究效率。

2.7 展品展示

在虛擬博物館的展品展示功能中，用戶可以通過點擊場景中的物體或在檢索界面中點擊按鈕，展示展品的細節(jié)信息。這包括展品的模型展示，用戶可以自由旋轉、縮放和觀察展品的三維模型；文字介紹提供了展品的相關背景、歷史和文化信息；圖片展示呈現(xiàn)了展品的高清圖片，展現(xiàn)其細節(jié)和美感。

2.8 用戶心得提交

用戶心得提交功能允許用戶輸入個人信息和心得建議，提交至管理后臺。反饋用于博物館改進和提升。收集用戶需求，優(yōu)化展覽和服務。促進用戶與管理層互動，提升用戶體驗。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

場景采用AB包加載資源信息，通過Loop網(wǎng)格細分技術可以增加模型的細節(jié)并提高渲染質(zhì)量，這些場景優(yōu)化技術的應用可以提升虛擬博物館的表現(xiàn)力和流暢性，提供更好的用戶體驗，并確保博物館的展示內(nèi)容在不同的設備和平臺上都能夠良好運行[7]。

3.1 Asset Bundle 資源打包的使用

使用AB包加載展品詳細模型可提升虛擬博物館性能和資源管理效率。獨立打包展品模型為AB包實現(xiàn)按需加載，減少內(nèi)存占用和加載時間。用戶查看展品時，動態(tài)加載對應AB包，提供高質(zhì)量模型展示。減輕加載壓力，提升交互體驗，展示效果和性能表現(xiàn)優(yōu)化。

3.2 Loop 細分技術

Loop細分是一種針對低多邊形模型的技術，通過在原始模型的邊、頂點和面上插入新的幾何元素來提升模型的細節(jié)和平滑度[8]。在現(xiàn)有的相關技術和研究現(xiàn)狀的基礎上，本文對傳統(tǒng)的Loop細分算法進行了改進和優(yōu)化，以適用于本系統(tǒng)的設計與開發(fā)。經(jīng)過實際測試驗證，新的改進算法證明了其在提高模型細節(jié)的可行性。

在實際場景中，采用低多邊形模型可以有效減輕加載壓力，降低模型的多邊形數(shù)量和內(nèi)存占用。用戶在詳細查看展品時，可以對已加載的模型進行網(wǎng)格細分，從而增加細節(jié)和真實感。這使得用戶能夠在展品的詳細查看過程中獲得更高質(zhì)量的細節(jié)展示和更逼真的模型呈現(xiàn)，同時仍然保持了相對較低的場景加載壓力。這一改進的Loop細分算法為系統(tǒng)的設計與開發(fā)增添了更多的實用性和性能優(yōu)勢。

將圖7所示模型進行細分結果如表1所示。

如圖7所示為模型網(wǎng)格細分對比圖，模型經(jīng)過一到兩次細分已經(jīng)達到了較高的精細度，而多次細分耗時較長，因此采用一次或者兩次細分最佳。

4 場景發(fā)布

開發(fā)、測試、修復、打包和發(fā)布虛擬博物館場景。檢查加載速度、模型顯示等問題。修復和調(diào)整以滿足要求。打包為獨立應用程序供虛擬現(xiàn)實設備使用。選擇適合平臺的打包格式，并進行配置和優(yōu)化，提供最佳體驗。

5 總結

本論文全面介紹了虛擬博物館的建設和功能實現(xiàn)。通過借鑒先進技術，確保了系統(tǒng)成果更為完善和邏輯清晰。重點包括：博物館和展品模型建立，采用先進建模工具確保場景真實性；貼圖烘焙與光照信息，關注提升視覺效果和真實感；登錄模塊和主頁設計，提供用戶友好的進入方式；多功能場館介紹與漫游，支持虛擬環(huán)境中的自由漫游；檢索和用戶心得提交功能，方便用戶瀏覽展品和互動；性能優(yōu)化，確保加載速度和流暢度；AB包和Loop細分技術應用，提高展示效果。最終，通過場景發(fā)布成功實現(xiàn)了一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，為數(shù)字文化遺產(chǎn)的傳承與傳播提供了新途徑。這項研究為虛擬博物館的搭建和功能實現(xiàn)提供了深刻的指導，旨在推動數(shù)字文化的傳播。