元宇宙背景下博物館漫游系統設計

摘" 要：隨著元宇宙時代的到來，博物館展示方式正經歷前所未有的革新。針對線上博物館存在的交互不足、沉浸體驗欠佳等突出問題，為用戶提供更為便捷、豐富、沉浸式的博物館參觀體驗，提出一種全新的博物館漫游系統設計方法。系統采用B/S架構，集角色自定義、多人在線、導覽講解、展品展示和火災演練等多功能于一體，依托Web3D技術，實現在任意智能終端上即開即用。詳細闡述實驗系統的功能設計和架構設計，并對博物館三維漫游系統中模型建模及優化、漫游操控、人物自定義和素材動態替換等關鍵技術進行詳細論述。經測試應用，實驗系統能夠在常用智能終端上每秒60幀流暢運行，沉浸體驗效果比全景漫游系統有較大提升，能夠滿足博物館線上展覽、宣教等沉浸式體驗需求。

關鍵詞：三維漫游；智慧博物館；元宇宙；5G；Web3D

中圖分類號：TP311.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0010-05

Abstract： With the arrival of the Metaverse era， museum display methods are undergoing unprecedented innovations. In view of the outstanding problems such as insufficient interaction and poor immersive experience in online museums， in order to provide users with a more convenient， rich and immersive museum visiting experience， a new museum roaming system design method is proposed. The system adopts B/S architecture and integrates multiple functions such as role customization， multi-person online， guided explanation， exhibit display， and fire drills. Relying on Web3D technology， it can be used immediately on any smart terminal. The functional design and architecture design of the experimental system are elaborated， and key technologies such as model modeling and optimization， roaming control， character customization， and dynamic material replacement in the museum's 3D roaming system are discussed in detail. After testing and application， the experimental system can run smoothly at 60 frames per second on commonly used smart terminals. The immersive experience effect is greatly improved compared with the panoramic roaming system， and can meet the museum's immersive experience needs for online exhibitions， missions and other immersive experience needs.

Keywords： 3D roaming; smart museum; Metaverse; 5G; Web3D

在當今文化數字化戰略[1]和科技發展的時代背景下，元宇宙已成為人們矚目的焦點，為現實世界和虛擬世界的融合、互動提供了新的可能性。博物館作為傳統文化機構，在展示和宣教等領域，也面臨著數字化轉型與發展的挑戰。如何將傳統博物館展示方式與現代科技相結合，為觀眾提供更豐富、更具互動性和沉浸感的展覽體驗，成為了當下亟待解決的問題。通過對元宇宙與虛擬漫游的全面介紹，以及對線上博物館存在的問題和痛點的分析，探討了如何借助先進的技術手段，重新定義博物館展示的形式和內容?；诋斍熬€上博物館存在的動態交互弱、沉浸體驗感不足、形式大于內容等問題，提出了一種全新的智慧場館漫游系統設計。深入探討了關鍵技術實現，包括模型建模及優化、漫游操控、人物自定義及素材動態替換等方面，旨在為博物館漫游系統的實際開發提供指導和啟示。

隨著科技的不斷進步和社會需求的不斷變化，博物館三維漫游系統的發展將呈現出更加多樣化和創新化的趨勢，為人們帶來前所未有的文化體驗和互動交流。通過研究與探討，期望能為博物館在元宇宙時代的發展探索新的可能性，為博物館展覽的數字化轉型和沉浸式體驗提供有益的借鑒和參考。

1" 研究背景

1.1" 元宇宙與虛擬漫游概述

元宇宙的概念由來已久，近年來重新受到重視。元宇宙是對5G、物聯網、云計算、人工智能、區塊鏈、數字貨幣和人機交互等各類新興技術的有效整合。元宇宙是人類運用數字技術構建的，由現實世界映射或超越現實世界，可與現實世界交互的虛擬世界[2]。線上博物館是一個虛擬的展覽展示空間，承載著博物館的展示、宣教等特色功能，是一個特色的元宇宙應用場景。虛擬現實具有3I屬性：沉浸性（Immersion）、構想性（Imagination）、交互性（Interaction）[3]，這與博物館的展覽宣教工作的理念有較多重合，從技術層面來看，虛擬現實技術符合博物館展示、宣教的應用需求。

虛擬現實技術（VR）通過借助計算機和其他設備生成一個虛擬的三維場景，以電腦影像、動畫等形式呈現，依靠人機交互接口互動，讓用戶產生視覺、聽覺等交互反饋，可模擬感受物體的紋理、顏色、線條和空間等，從而產生身臨其境的感覺[4-5]。線上博物館的虛擬漫游系統是元宇宙的重要形式之一，是虛擬現實技術的一種重要應用。博物館元宇宙通過三維漫游等形式，能突破博物館內時間和空間限制，讓有形和無形的文化遺產通過數字化形式進行創新呈現，讓死板的展示陳列通過動畫、游戲體驗等方式進行交互，提升了文化體驗，讓沉寂的歷史文化產生更大的魅力。

VR可分為本地VR和WebVR，隨著5G網絡技術的發展和應用網絡化[6]趨勢已經深入人心，觀眾渴望能隨時隨地打開體驗線上博物館，目前大眾可體驗的線上博物館的虛擬漫游系統多基于可在瀏覽器端運行的WebVR技術進行開發。

1.2" 線上博物館存在的問題和痛點

展示、宣教是博物館的重要工作內容，受限于空間和地域，特別是受新冠疫情影響，各地的線上博物館如雨后春筍般誕生在公眾視野中。目前，國內的線上博物館大多是基于全景漫游系統構建的。全景漫游作為WebVR的一個重要應用方向，其本質就是指通過交互技術瀏覽由全景圖像構建的三維全景空間里的各個場景[7]。該技術通過導入多種格式圖像，拼接生成特定格式的全景圖來模擬三維漫游場景，并能進行熱點交互，無須對三維場景進行實時渲染，卻能模擬三維場景效果，大大降低了漫游場景的制作難度[8]。采用此技術的全景漫游系統，有VR全景大運河[9]、國家博物館云展廳[10]等。

但是，全景漫游并非真實的三維漫游，與真正的三維漫游系統相比，仍然存在一些不足。

1.2.1" 場景缺乏動態交互

基于照片的全景漫游系統通常適用于靜態場景，用戶只能在固定點位上旋轉視角來查看靜態的場景照片，缺乏動態交互和實時變化的能力，無法解決時序變化問題，無法實現復雜的動畫效果和特效，這在某些場景中可能限制了用戶體驗的豐富性和吸引力。

1.2.2" 場景沉浸體驗感不足

盡管全景漫游能夠通過照片還原場景的真實細節，但二維照片缺乏空間真實感和深度感，因為照片無法表達與三維建模相似的逼真效果。用戶操作方面，存在視野移動過快、視野拉伸變形較大等問題，容易導致眩暈、失焦等。

1.2.3" 技術形式大于文化內容

基于全景漫游的線上展廳，重點表達的是場景空間，而非場景中的展品細節，從展廳的全景漫游中查看藏品，效率低下。線上展廳復刻的是某次展覽在特定時間下的布展形態，對布展留痕、布展設計研究等具有意義，但對藏品的展示、搜索、檢索等，功能性較弱。部分博物館過于追求技術形式，沒有抓住文化傳播展示的核心。

1.3" 博物館三維漫游系統

博物館三維漫游系統是指通過構建博物館展示場景的三維空間模型，對三維場景進行實時渲染，用戶通過步行、飛行等不同角度，能夠自由地探索博物館內的陳列場景?；赪ebVR的三維漫游系統多基于Unity3D[11-12]（團結引擎）或Three.js、Babylon.js等開源WebGL庫進行創建。但隨著移動互聯網和5G等技術發展，Web3D技術越來越受到關注。基于Web3D的三維漫游系統可流暢運行在各類智能終端的瀏覽器上，能夠實現跨平臺使用，借助5G網絡，能夠讓用戶隨時隨地打開使用，滿足了虛擬現實的3I屬性需求。

2" 系統功能設計

線上博物館三維漫游系統通過優化5G網絡下三維資產加載方式，減輕負載，實現角色五官、服飾等自定義系統，通過參數化控制，實現三維場景漫游、交互。博物館三維漫游系統聚焦當前線上博物館面臨的問題和痛點，將打造一個集角色自定義、多人在線、導覽講解、展品展示和火災演練等多功能于一體的線上博物館漫游體驗新形態，如圖1所示。核心功能分為前端體驗和后臺管理2部分。

2.1" 前端體驗設計

前端體驗部分是用戶直接與系統交互的內容，是三維漫游系統的核心組成。當用戶注冊登錄后，會進行外貌特征的自定義設置，通過角色自定義功能，用戶可對數字分身的性別、五官、體型和服飾等進行參數化調整，讓用戶能夠體驗到多元化的個性設置，并能有效減少人物三維模型加載時的網絡負載和前端渲染壓力。同時，系統支持多人同時登錄，通過多人在線功能，用戶可實現與親朋好友共同游覽線上博物館，并實時進行對話聊天交流，滿足社交需求。當用戶進入博物館虛擬場景中時，可使用導覽講解功能，能夠通過內置的數字人進行語音講解，并可對接大模型、AIGC（生成式人工智能）等平臺功能，為數字講解員賦能，除了聽取講解外，用戶也可跟隨系統設置的自動漫游視角，進行動畫漫游。三維數字展品可進行全方位展示，讓用戶可免除文物保護的限制，從各個角度，近距離觀察藏品的各處細節，并配合信息卡片，進行動態解說。火災演練功能，能讓用戶在未到達博物館之前，身臨其境般地事先了解博物館內的消防逃生線路。

2.2" 后臺管理設計

后臺管理部分重點提供用戶、角色、權限、菜單、字典、展品、漫游、視頻和商品等管理功能。主要是針對三維漫游系統中的用戶登錄識別、展品的動態更新、漫游線路的設置和外部的接口等進行動態管理，以增強系統的靈活性和可擴展性。

3" 智慧場館漫游系統架構設計

3.1" Web客戶端架構

依靠Web應用跨平臺、易用、易傳播等特性，采用HTML5+JavaScript+CSS3組合開發博物館漫游系統的客戶端。系統在UI方面遵循一致性、反饋、效率和可控等原則，同時保證在UI展示和UI擴展方面的能力。在三維渲染方面，采用Babylon.js庫作為開發工具，能夠方便快捷地使用WebGL、WebGPU等對三維模型進行高效渲染，并能擴展三維UI等功能。三維模型、三維動畫、三維骨骼等，采用.glb作為統一中間文件進行轉換，通過WebRTC API進行文字、音視頻通話功能，通過Colyseus JS API實現多人狀態的在線同步。

3.2" Web服務端架構

實驗系統的服務端具有易改造、易維護、易升級和易操作等特性。系統的后臺管理部分開發語言為Java，使用Spring Cloud作為微服務解決方案，中間件選擇REDIS、ES等，可保證服務的高可用及系統不間斷運行，如圖2所示。數據庫使用MySQL關系型數據庫。網絡架構方面，本系統采用內外網分離的部署方式，從網絡層次方面保護系統安全，通過采用冗余負載，從而提高業務管理水平，保證服務質量。此外，音視頻通話通過WebRTC服務器、多人在線功能依靠Colyseus服務器提供相關服務。

系統基于微服務架構，可部署在K8S、PaaS等容器化平臺，平臺支持軟硬件自動擴展，以此來使用未來擴張的流量和請求。系統專門有接口相關服務，提供開放型的應用接口，提供標準的接口接入和數據格式返回服務，可擴展性靈活，可以滿足各類博物館線上展覽宣教的業務需要。

4" 關鍵技術實現

4.1" 模型建模及優化

三維模型是三維漫游系統的重要載體，模型可通過人工建模和數字化掃描等方式獲得。人工建模是指通過Blender、SketchUp、3ds Max等建模軟件，借助照片、圖紙等，進行手動建模的過程，人工建模在制作建筑模型、家具模型和一些規則的標準物件時具有優勢。而數字化掃描建模，是指通過激光、結構光等對建模物體進行掃描，獲得實體模型的一種方法，適合構建不規則的場地空間、精細的文物藏品等不規則物體，能夠獲得較高的精度和細節。

三維模型在使用之前，仍需要進行優化處理。一個在線博物館的三維場景涉及展廳模型、展示柜/臺模型、藏品模型和講解數字人模型等部分組成，因WebVR項目需要將所需的三維模型資產事先下載到客戶端，才能進行實時渲染，因此對三維模型的文件大小和輕量化有較高要求。采用模型精簡、壓縮等方式來提高三維模型資產的快速獲取，減輕5G網絡下載壓力，保障了“即開即用”的場館元宇宙平臺構建，同時給用戶帶來更為逼真的使用體驗。

所有三維模型優化的處置步驟和流程如圖3所示。

模型精簡，主要是對三維網格進行精簡。三維網格是三維模型的重要組成部分，由一系列的頂點和連接這些頂點的邊、面組成，通過特定數據結構來表示三維物體的表面形狀。這些頂點的數量和面片的類型影響了網格的精度和復雜度。博物館中的三維模型，多由實體經過數字化掃描得到，掃描精度可達微米級，精度較高，模型文件較大，無法直接在WebVR項目中使用。通過精簡后，能夠減少不必要的頂點和面數，減少三維網格的復雜度。

模型壓縮，主要是針對貼圖文件和模型文件進行壓縮。貼圖文件壓縮主要是對分辨率的壓縮和文件格式的轉換，通過分辨率調整和文件格式轉換，能較大程度地減少貼圖文件大小。對模型文件的壓縮可采用draco[13]算法，整體壓縮比例可達到80%左右。

通過以上操作，不同的模型，因材質貼圖數量、模型網格細節等不同，經過預處理后所得到的精簡數據也不盡相同。綜合來看，各類模型通過一系列精簡和壓縮處理操作后，模型文件可縮減70%～90%。

4.2" 漫游操控

操縱漫游系統中的人物在三維場景空間中進行漫步行走，是三維漫游系統的最基礎操作，也是保障三維漫游系統流暢體驗的重要關鍵。漫游系統的操控涉及2個方面：一是在PC端瀏覽器，可使用鍵盤、鼠標進行操控；二是在手機端瀏覽器，通過觸控和拖拽屏幕進行操作。當系統檢測到當前運行環境為移動端瀏覽器時，會自動添加虛擬操控按鍵，供用戶進行觸屏操作，如圖4所示。

系統將邏輯執行和控制器操控相分離，通過變量來記錄用戶的移動方向，根據時間間隔來計算移動速度，不管是采用何種控制器操作用戶移動，系統根據移動方向和移動速度，都可以對用戶執行相應的移動操作。當用戶按下前進按鈕時，系統記錄當前用戶的朝向和向前的動作指令，在場景的渲染事件中，根據相關指令，對人物進行移動。

核心代碼如下：

4.3" 人物自定義

元宇宙追求“千人千面”，虛擬世界中的用戶都希望擁有獨特的身份、外貌、特征，讓每個人都能夠在元宇宙中展現出多樣性和個性化。因此，用戶的虛擬數字分身不能由統一的三維人物模型進行驅動。特別是當有多人在線共同游覽線上博物館時，沒有較高辨識度的人物模型，將會造成人物識別困難，使得用戶體驗不佳。

當前其他漫游系統的做法是提供不同樣式的低面數模型，用于人物替換使用，但受資源數量限制，用戶可進行的自定義環節較少。同時，在系統運行時需要將所有的三維模型同時下載到本地，因此人物模型都做了極大的簡化處理，人物模型多以卡通風格進行呈現，以掩蓋三維網格面數不足的缺陷。

而實驗系統中的人物角色自定義功能可通過13個自定義參數來控制人物三維模型中的骨骼系統進行縮放，通過骨骼權重影響，對蒙皮進行相應調整。對比其他漫游系統中用不同人物模型替代的方法，該技術能夠進一步減少三維模型資產的下載量，能夠提供更多個性化的自定義選項，在同一個臉模下，也可以衍生出無數個獨一無二的外貌特征。通過該技術，減少了不必要的人物模型重復加載，可以使得人物模型更加精細，即使在Web3D渲染環境下，也可做到發絲、睫毛等清晰可見。

4.4" 素材動態替換

為了增加三維漫游場景的復用性，能夠更好地為場館的運營、宣傳服務，實驗系統將所有展示品與場館模型進行了分離，所有展品通過后臺管理系統進行動態上傳，文字描述內容，可通過后臺管理系統進行動態編輯調整，一是展位上的三維展品可以動態替換調整，二是部分宣傳展示素材可動態替換調整，如視頻素材、圖片素材等，通過動態替換相關材質的貼圖文件內容，可實現相關內容的動態調整，從而讓三維漫游系統能夠常用常新，不斷為用戶提供新的內容。

5" 結束語

通過對博物館三維漫游系統進行設計和對三維漫游系統中關鍵技術進行論述，并經過實驗系統運行測試，系統能夠在各類常見智能終端上以每秒60幀流暢運行，通過模型優化技術，讓5G網絡下的三維資產加載變得輕松便捷，使得用戶能夠隨時隨地打開系統進行漫游體驗，增強了博物館的文化宣傳推廣力度；通過漫游操控和人物自定義功能，滿足了不同終端、不同用戶的個性化需求，提高了系統的靈活性和擴展性，通過三維資產的動態管理，實現了系統的高效復用，提高了博物館元宇宙的利用價值。

隨著國家文化數字化戰略的實施推動，博物館在展覽展示和宣傳教育方面尋求更新的數字化呈現方式。通過實驗系統的構建和完善，期望能夠為博物館展示、宣教工作帶來新的借鑒參考，為廣大用戶提供更為精彩、立體的博物館漫游體驗。

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