基于虚拟现实技术的辽三彩数字化博物馆的设计与实现论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘 要：为解决辽三彩发展低迷的现状,将虚拟现实技术运用于辽三彩文化传播,构建辽三彩数字化博物馆。运用三维建 模技术、碰撞检测技术等相关知识搭建场景,通过资源导入和脚本添加完成系统的功能设计,构建可与展品及陈设交互的多界 面虚拟博物馆。用户可在 PC 端和移动终端进行使用,提高辽三彩文化传播的受众覆盖面,促进辽三彩艺术的进一步学习研究 和创新发展。

　　(School of Computer and Information Technology, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning 116081)

　　【Abstract】： In order to solve the sluggish development of Liao Sancai, virtual reality technology is applied to disseminate Liao Sancai culture and build a digital museum of Liao Sancai.Using 3D modeling technology, collision detection technology and other related knowledge to build the scene. The functional design of the system is completed by importing resources and adding scripts. Build a multi-interface virtual museum that can interact with exhibits and furnishings. Users can use the system on PC and mobile terminals to improve the audience coverage of Liao Sancai culture dissemination and promote further study and research and innovative development of Liao Sancai art.

　　【Key words】： virtual reality;museum;digital museum;Liao Sancai

　　0 引言

　　博物馆是人类瑰宝的储存地,博物馆在一定程度上 向大众传达着我们国家悠久的文化历史。实体博物馆目 前存在仅支持静态观看藏品使得观赏者体验感下降的局 限,而数字博物馆的出现可以很好地解决这个弊端 [1]。 国外数字博物馆虚拟化展示建设发展较迅速和全面, 有 法国卢浮宫博物馆、大英博物馆和西班牙国家考古博物 馆等成果; 国内近年来也建成了很多优秀的数字化博物 馆,有北京故宫博物院、中国园林博物馆等。除此之外,王萍等人对国内数字文化资源整合的研究进度进行了分 析 [2] ,张云中等人以唐三彩数字文化资源为例提出的语 义描述模型与元数据框架 [3]。Arayaphan Watsaporn 等 人针对于古织物的数字化进行了研究 [4]。张浩等人将虚 拟现实技术应用到博物馆进行了探索 [5]。Hunsucker 等 人提出的虚拟博物馆的体验评价方法 [6]。陈均亮等人 [7]、 郑小武等人 [8] 和余日季等人 [9] 基于前沿的数字技术进 行了系统设计与实现。

　　辽三彩作为历史文化载体承载了几千年的文化记忆, 是辽瓷体系中重要的组成部分 [10] , 具有重要的传 承意义。由于辽国不及唐宋历史地位,辽三彩数量也相 对较少,所受关注度较低,辽三彩的文化传承效度低, 其艺术形式难以被深入挖掘。为加强辽三彩文化传承和 艺术挖掘,高兰英等人提出了利用互联网优势为辽三彩 注入新的活力 [11] , 但在具体实现上, 辽三彩还仅仅停 留在文字、图片、音频和视频资料的数字化传承方式。 而基于虚拟现实技术的辽三彩数字化博物馆的设计与实 现,能够为辽三彩数字化保护提供新的传承方式,增加 辽三彩文化的可及性,加深人们对辽三彩藏品的了解。

　　1 辽三彩的数字化博物馆的设计

　　辽三彩数字化博物馆旨在让人们跨越时间和空间对 辽三彩瓷器进行了解,因此我们需要格外注重虚拟博物 馆与用户的交互性,构建以用户为中心的数字化服务。 首先,要实现以第一人称视角漫游整个博物馆的功能, 而且要能随时转换视野;其次要实现在博物馆内可以观 看展览视频且该视频可以控制何时播放何时结束;最后 要在馆内实现对展品的旋转、放大、移动操作。由此可 将辽三彩的数字化博物馆系统可以分为三大板块,分别 为主界面、漫游模块和展品模块,系统功能模块图,如 图 1 所示。

　　1.1 主界面

　　辽三彩的数字化博物馆系统主界面功能如下：

　　(1)背景音乐控制播放。用户可以选择自主播放背 景音乐,控制音量,提高辽三彩数字化博物馆的个性 化,以获得更好地体验感。

　　(2)展品和漫游模块选择。对辽三彩的数字化博物 馆进行了分区,用户可以自主选择游览博物馆或者是观 看展品。

　　(3) 退出。用户可随时选择退出,结束博物馆游览。

　　1.2 漫游模块

　　辽三彩的数字化博物馆系统漫游模块功能如下：

　　(1)博物馆漫游。用户通过选择漫游模块便可进入博物馆场景进行游览,可以自主选择游览区,解决传统 博物馆时间地点限制的痛点,让人们以漫游博物馆的方 式了解辽三彩文化并且有身临其境的体验感。

　　(2)辽三彩烧造技艺视频展示。在博物馆漫游的过 程中,可以在辽三彩烧造技艺大屏幕区域内选择播放辽 三彩烧造技艺视频。通过视频可以了解辽三彩陶瓷烧制 过程,丰富辽三彩文化知识; 同时让用户了解辽三彩制 作材料 —硼釉的开发及使用的历史,认识到我国陶瓷 制作工艺史上的重大突破及其辽代制瓷工匠对世界文化 的伟大贡献。

　　(3) 辽三彩瓷器展示。用户可以随时转换视野, 观 看博物馆内部展示的瓷器及其辽三彩文化介绍,增强对 辽三彩文化的兴趣,从而真正爱上这种非遗传统文化。

　　(4)退出。用户可以随时选择退出漫游模块返回主 界面,快速便捷。

　　1.3 展品模块

　　辽三彩的数字化博物馆系统展品模块功能如下：

　　(1) 展品展示。用户可以选择任意展品观看, 使展 品简便低成本实现交互性和体验性。

　　(2)展品交互。用户可以对展品进行旋转、放大、 移动操作,在此设计中,鼠标右键控制展品旋转、鼠标 滚轮滑动控制展品放大缩小、按下鼠标滚轮实现展品移 动,获得对辽三彩瓷器的放大观看和角度旋转等沉浸 性、交互性和构想性的体验。

　　(3)返回主界面。用户可以随时选择退出展品模块 返回主界面,快速便捷。

　　2 辽三彩的数字化博物馆的实现

　　2.1 系统开发流程

　　系统实现使用的开发引擎是 Unity 及建模软件为 3Ds Max,系统开发流程,如图 2 所示。

　　2.2 系统实现要点

　　2.2.1 模型制作及导出

　　系统实现要点按制作顺序可分为模型制作及导出、 博物馆漫游平台搭建和主界面设计。模型制作部分包括 辽三彩模型和博物馆漫游平台制作,在 3Ds Max 中, 利用建模技术及与其相关的建模设置按钮来完成模型的 基本创建。按制作顺序依次为模型制作、UV 展开、贴 图绘制、渲染导出。

　　(1)模型制作环节。对于辽三彩瓷器模型制作注重 真实还原瓷器,通过多种渠道得到辽三彩的照片、视 频,了解辽三彩造型、制作流程及所用材质等,用于辽 三彩模型创建。主要使用 3ds Max 软件,制成适宜展 示的辽三彩瓷器素材。而构建三维虚拟博物馆则需要调 研辽三彩博物馆,建模涉及数字博物馆的建筑、环境物 品、辽三彩展品、历史文物等。

　　(2) UV 展开环节。将辽三彩瓷器和数字博物馆建 筑及设施展开为 2D 图形,用于后续环节的贴图绘制。

　　(3) 贴图绘制环节。将辽三彩瓷器模型的颜色、材 质质感、高光等通过贴图绘制表现出来。对于较为复杂 的辽三彩模型和辽三彩博物馆模型,我们在它建成后, 将材质及贴图过程放在 Unity 平台中完成。

　　(4) 渲染导出。辽三彩是瓷器, 反射一般且表面光 滑,所以最好设置反射为白色,并且勾选菲涅尔反射。 对于所有在 3ds Max 制作的模型来说,我们都需要使 用软件自带的导出设置,导出为 FBX 格式。

　　2.2.2 博物馆漫游平台搭建

　　辽三彩数字化博物馆漫游平台搭建,需要首先将在 3DsMax 制作好的场景及其模型导入 Unity 进行相关的 设置。该过程包括七个环节,依次是场景导入、环境灯 光设置、盒状碰撞器设置、天空盒设置、摄像机设置、 视频播放设置、摇杆操纵设置。

　　(1)场景导入环节。将博物馆模型导入到 Unity 中,创建材质球将贴图图片拖到相应材质球的属性上, 再将材质球赋予给场景中的模型。

　　(2) 环境灯光设置环节。通过添加灯光,在 Inspector 面板中调整灯光颜色、投射角和范围等,使得辽三彩瓷 器展品展示更加清晰明亮。

　　(3) 盒状碰撞器设置环节。设置场景中展柜及墙体不 可穿透,通过选择相应的展柜及墙体,展开 Inspector 面 板,增添盒状碰撞器,再通过点击碰撞器组件,编辑碰 撞器,配置与物体大小相匹配的碰撞器。

　　(4)天空盒的添加。选择六张从上下左右前后各个 角度观看到的是一个连续场景的图片,放入资源包中,设置包裹模式。单击 Assets > Create > Material 选择 图片创建新材质,最后选择 Lighting 将天空盒材质放 到 Skybox 字段完成天空盒的添加。

　　(5)摄像机设置环节。调整场景中的摄像机位置, 添加一个三维物体作为主体,挂载人物移动控制代码, 设置其移动速度,并设置 Mesh Collider 组件解决下落 问题。

　　(6)视频播放设置环节。设置烧造技艺视频格式, 将视频导入进资源包中,注意视频的分辨率要与场景中 显示屏的比例保持一致;创建显示屏,并为其增添材质 球,设置为黑色并调整它的属性,使其接近现实生活中 电视屏幕的材质; 创建一个 Video Player, 设置视频 属性为 Loop,将视频的资源拖到 Video Clip 中,设置 Render Texture。至此,视频成功导入并可以在显示 屏上循环播放。

　　(7) 摇杆控制设置。首先创建摇杆, 摇杆分为触屏 区域、背景大圈和中央摇杆。触屏区域限制在该区域内 按住屏幕可控制摇杆,背景大圈在触屏区域的中心位 置,中央摇杆用于限制其与背景大圆中心的最大距离。 设置创建部分的层级,最后悬挂代码,设置代码参数和 方法对应的对象,实现移动端人物以第一人称的形式在 辽三彩博物馆中漫游。

　　2.2.3 主界面设计

　　主界面功能实现为在初始进入时显示主界面,选择 可跳转至其他交互界面。主界面设计按制作顺序分别是 添加主界面背景图、主界面背景音乐及其控制、主界面 场景切换、更改游戏视图中鼠标图标样式。

　　(1) 添加主界面背景图。通过 Adobe Photoshop 制 作主界面背景图片并导入到 Unity 资源包。创建一个新 场景, 在 Hierarchy 面板中创建一个新的 Canvas, 选择 Canvas 在其上面进行创建,右键单击选择 UI->Image, 然后在 Image 的 Inspector 面板上, 将 Project 中的背 景图片拖到 Source Image 中。

　　(2)主界面背景音乐及其控制。主界面上关于音乐 设置的组件有两个,一个是控制背景音乐的开关勾选 框,一个是控制背景音乐音量的滑动条。通过将背景音 乐下载并导入到 Unity 中,新建一个空物体,在这个物 体上添加一个 Audio Source 组件,在 AudioClip 选择 导入的音乐,勾选 Play on Awake 和 Loop 选项,挂载 脚本, 并且在 Canvas 属性面板上将 Toggle 和 Slider 组件拖动到相应位置,使音乐的控制按钮在这个主界面 场景中起作用。

　　(3) 主界面场景切换。通过添加脚本编写场景切换的函数, 将需要切换的场景加入到 File->BuildSettings 中,实现主界面到辽三彩博物馆漫游或辽三彩展品展示 模块。通过编写退出脚本,实现了项目打包成可执行文 件后左键单击该按钮也会结束运行的功能。

　　(4) 更改游戏视图中鼠标图标样式。通过选择 Unity 界面上方的 Edit->Project Settings…,在 Project Settings 窗口中点击 Player 选项, 将透明底色的鼠标 图标图片拖到 Default Cursor 框内,至此新的鼠标图 标的样式便可以一直在视图中出现。

　　2.3 关键代码分析

　　在 Unity 中创建场景, 使用 C# 编写相关的脚本, 实现系统业务逻辑。编写的主要 C# 脚本及其实现的功 能 , 详见表 1.

　　展品作为博物馆最重要的代表标志,其重要性不言 而喻。所以,对于本设计中的展品,我们设计了一个单 独的模块用于展示辽三彩瓷器的魅力。用户可以用鼠标 或者手指(移动端)放大与缩小自己与作品的距离,观 察屏幕中展示主体的表面肌理从人的手纹,到放大后作 品表面呈现的无数 3 角面。3D 数字的体积正是由无数 的三角面组织结构而成,如使用鼠标使展品旋转,使展 品放大缩小,使展品移动位置。这些简单的交互都是 通过脚本代码来进行控制的。创建一个脚本文件,名为 Rotate.cs,向里面加入控制相应功能的代码。在脚本 完成后,需要将其挂载到展品物体上或者是它的父物体 上,这两种方式均可实现交互功能,如下为代码具体实 现功能。

　　(1)获取操作对象：

　　选择执行的对象为特定的一个辽三彩瓷器。

　　[Header(" 操作对象 ")]

　　public Transform m_target;

　　(2)设置按键：

　　设置 Down1 代表鼠标右键, Down2 代表鼠标中键。

　　private bool isDown1;

　　private bool isDown2;

　　(3)判断按键方式：

　　if(Input.GetMouseButtonUp(1))

　　isDown1 = false;

　　(4)辽三彩瓷器缩放：

　　Input .mouseScrollDelta .y m_target .localScale += Time.deltaTime * m_target .localScale * Input . mouseScrollDelta.y;

　　(5)按下右键时瓷器偏移计算方法

　　if (isDown1)

　　{// 计算单位时间内鼠标的偏移量

　　float x = Input.GetAxis("Mouse X");

　　float y = Input.GetAxis("Mouse Y");

　　Vector3 rot = new Vector3(y, -x, 0);

　　float spd = 7f; // 速度 m_target.Rotate(spd * rot, Space.World);}

　　(6)按下中键时瓷器偏移计算方法：

　　if (isDown2)

　　{

　　float x = Input.GetAxis("Mouse X");

　　float y = Input.GetAxis("Mouse Y");

　　float spd = 0.2f; // 速度

　　m_target .Translate(spd * new Vector3(x, y), Space.World);

　　}

　　3 系统运行效果

　　利用 Unity 的多平台发布功能,辽三彩的数字化博 物馆系统可以发布至 Android 平台。软件打开后的主 界面部分如图 3 所示,辽三彩瓷器三维建模最终展示效 果如图 4 所示,辽三彩博物馆内部场景搭建效果如图 5 所示。

　　4 结论

　　辽三彩数字博物馆的实现,使得辽三彩文化的获取方式是便捷的。人们可以不再局限于时间空间,随时随 地就能学习更多的辽三彩文化知识,观看更多的辽三彩 历史藏品。同时还可以在游览博物馆的过程中,真实地 感受到元宇宙的共生空间所带来的科技感、沉浸感和补 偿感。助力辽三彩的发展,未来须不断完善辽三彩展 演的物理空间和虚拟空间。辽三彩数字博物馆的实现也 为元宇宙时代的文化传播和博物馆数字化建设提供探索 案例。

　　参考文献

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　　[3] 张云中,焦凤枝,刘嘉琳 .唐三彩数字文化资源展示的语义描 述模型与元数据框架[J].图书与情报,2021(3):87-96.
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　　[5] 张浩,郑隆威,陆亚琴 .虚拟现实技术在数字博物馆开发中的 应用研究[J].软件导刊(教育技术),2010.9(12):49-50.
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　　[11] 高兰英,陈新 .浅析互联网环境下辽三彩的发展前景[J]. 中 国民族博览,2021(14):156-158.
 
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