塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館的設(shè)計與實現(xiàn)

王龍龍　司春景

【摘 要】數(shù)字博物館是博物館與現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是博物館在新技術(shù)革命的條件下進一步發(fā)展的趨勢。針對塔里木大學(xué)西域文化研究院藏品的特點和實際需求，首先介紹了系統(tǒng)中數(shù)字化的內(nèi)容，然后就該系統(tǒng)的設(shè)計要點進行了說明，隨后概述了系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，其中塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館的虛擬展示平臺是研究的重點，對于西域文化及自然文化遺產(chǎn)信息資源的采集、存儲、傳輸、展示利用等的研究具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字博物館；三維建模；虛擬顯示；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；無縫拼接

0 引言

“西域”一詞，始見于西漢，位于亞歐大陸中心地帶，作為東西方交通的要塞，中國本土宗教、印度佛教、伊斯蘭教以及基督教四種文化在這里交融薈萃，經(jīng)過歷史的積累和熏染，集聚起豐富多彩的文化。塔里木大學(xué)西域文化研究院已然發(fā)展成為南疆地區(qū)綜合型歷史類博物館。博物館內(nèi)部收藏有來源于新疆各地區(qū)大量珍貴文物、圖片以及文字資料。館藏藏品總量達到1936件，其中實物871件，場景復(fù)原13件，圖片743張，表格9幅，另有庫存300余件。塔里木大學(xué)西域文化博物館與目前國內(nèi)許多高校內(nèi)部博物館的情況類似，由于資金、場地和安全因素的影響，多年來博物館利用率不高，其價值特別是科研和教學(xué)價值沒有得到充分利用。塔里木大學(xué)數(shù)字博物館利用多媒體技術(shù)，通過文本、音頻、視頻、圖像、和動畫形式充分展現(xiàn)了藏品所承載的知識[1]，并借助計算機三維成像技術(shù)和人機交互技術(shù)實現(xiàn)了資源的更快，更廣泛的傳播、交流和共享[2]。

本文針對數(shù)字化博物館對藏品和場館繪制的真實感和場景交互性要求，以及塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館的實際需求，著重討論了以下幾個關(guān)鍵問題：一是，系統(tǒng)數(shù)字化內(nèi)容；二是，系統(tǒng)設(shè)計；三是，系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。

1 數(shù)字化技術(shù)

塔里木大學(xué)西域研究所所藏文物具有文物標(biāo)本延續(xù)時間長，文物質(zhì)地多樣，標(biāo)本來源復(fù)雜，涉及文獻資料眾多，信息化內(nèi)容豐富、形式多樣等特點。根據(jù)以上特點，運用藏品信息，將館藏文物的文本、音頻、視頻、圖像、和動畫等各種數(shù)字化技術(shù)手段得到的資料通過計算機錄入，對文化遺產(chǎn)資料收集整理并歸檔，建立文化遺產(chǎn)數(shù)字化檔案，為數(shù)字化保護奠定基礎(chǔ)；運用計算機三維成像、動畫等技術(shù)手段重新展現(xiàn)西域文化遺產(chǎn)的歷史演變過程；運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立文獻資料與文物本身的關(guān)聯(lián)，深入研究文化遺產(chǎn)內(nèi)涵；通過計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體等途徑，進行文化傳播，實現(xiàn)文物本身價值的傳播、交流和共享。

1.1 平面數(shù)字化

運用平面化技術(shù)實現(xiàn)對已建立的三個館藏西域文物數(shù)據(jù)庫平面化[3]。首先通過圖形圖像處理軟件對數(shù)據(jù)庫中的圖片進行處理，處理后的圖片更加清晰地反映文物相關(guān)內(nèi)容。其次，可以運用計算機技術(shù)對文物圖像、視頻和音頻等資料進行重新拼接，形成可視化的動態(tài)視頻，或?qū)⑽奈锏臍v史背景以及其包含的傳奇故事通過動漫情景或者畫面展現(xiàn)給游客。

1.2 三維立體數(shù)字化

通過計算機三維成像技術(shù)對西域文物整體到局部的三維建模、貼圖、燈光設(shè)計和渲染等仿真性設(shè)計與展示[4]。一方面可為游客提供一種全新的瀏覽方式，在不直接接觸到文物的前提條件下，游客可以全方位的觀察到文物的各個細(xì)節(jié)部分；另一方面為文物保存的層面上，通過計算機技術(shù)對館藏文物的所有基本信息做了備份，以防文物在意外中損失可以通過備份信息恢復(fù)和修復(fù)；同時，通過計算機備份的所有館藏文物的信息，可以提供給考古工作者進行全方位的研究，增大博物館三維數(shù)字化后的作用。

1.3 西域數(shù)字化博物館系統(tǒng)

將計算機技術(shù)應(yīng)用到博物館領(lǐng)域，拓展了博物館針對不同類型文物的存儲方式以及管理方法。通過數(shù)字博物館系統(tǒng)，游客不在受時間地點的限制，只需通過網(wǎng)絡(luò)便可以輕松的進入到數(shù)字博物館內(nèi)部了解到該館館藏文物；利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，此系統(tǒng)還為大眾提供了免費欣賞珍貴文物的機會。將所有的數(shù)據(jù)及其資料收集整理，建立文物展示平臺，實現(xiàn)對文物的保護、利用和開發(fā)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

到實地通過數(shù)碼攝像機拍攝所需實景或通過史料以數(shù)字化方式獲取所需的圖片，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機并用Photoshop軟件按照需求規(guī)格進行處理，并對處理過的數(shù)據(jù)進行壓縮、簡化，作為模型的紋理貼圖。采用3DS MAX進行展廳建筑和內(nèi)部展示模型的三維建模，對建立好的模型進行紋理貼圖。建立西域文化數(shù)字博物館的大體布置，將建立好的模型進行組合。對建立起的MAX場景進行燈光渲染全景出圖，并導(dǎo)入Pano2VR全景圖像轉(zhuǎn)換軟件中，制作能夠在網(wǎng)頁中進行瀏覽的館內(nèi)全景flash文件。添加傳文件熱點，使虛擬展廳具有交互能力，并利用熱點增強HTML和flash文件之間的通訊，以達到更好的交互效果，完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。通過優(yōu)化整體的flash文件，擬建立基于3DS MAX的西域文化數(shù)字博物館漫游原型系統(tǒng)，并實現(xiàn)自動漫游。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 三維建模技術(shù)

2.2.1 基礎(chǔ)模型的建立

基礎(chǔ)模型的建立是通過對標(biāo)準(zhǔn)的幾何體和擴展幾何體的擠出、伸縮、變形、平滑等操作進行基礎(chǔ)模型的建立，此類模型的建立包括兩種方式。其一，利用3DS MAX已有的模型進行簡單模型的創(chuàng)建。其二，精確建模或鍵盤輸入建模。首先通過測量工具得到展廳內(nèi)部的具體數(shù)據(jù)（包括展廳的長、寬、高以及窗戶和門的尺寸），利用Auto ACD制圖軟件得到展廳的平面圖，在導(dǎo)入.DWG文件之前，將3DS MAX的系統(tǒng)單位設(shè)置為毫米，將在Auto CAD中修改好的線框圖.DWG文件導(dǎo)入到 3DMax 里，刪除不需要的輔助線與標(biāo)注圖層。在3DS MAX中選擇墻體邊框線并施加擠出修改器，設(shè)置具體的高度并修正其他各項參數(shù)。此方法不僅可以通過精確的尺寸來建立標(biāo)準(zhǔn)的模型，還可以確定模型的相對位置，西域文化博物館的大多數(shù)展柜就是利用這種方法實現(xiàn)。

2.2.2 多邊形建模

3DS MAX多邊形建模方法，優(yōu)點制作的模型占用系統(tǒng)資源最少，運行速度最快，在較少的面數(shù)下也可制作較復(fù)雜的模型。通過將面轉(zhuǎn)化為三角形面，并且添加平滑修改器，以增加網(wǎng)格的面數(shù)，得到更加精確的模型，并且在制作過程中，最大限度的減少對計算機資源的消耗，節(jié)省運行空間。西域文化博物館的沙盤就是利用可編輯多邊形修改器制作出。首先利用平面工具，制作一個1500mm*3000mm的矩形平面，平面細(xì)分設(shè)置為120*240，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，進入點層級，選中沙盤邊緣的點向下拖動，將沙盤的輪廓制作出來。進入多邊形層級，選中中間部分的面，添加噪波，設(shè)置噪波種子數(shù)量，分別設(shè)置X、Y、Z軸的偏移量，退出多邊形層級，為模型添加平滑網(wǎng)格修改器，并設(shè)置閾值為2，完成沙盤模型的建立。

2.2.3 NURBS建模

NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式。NURBS能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動的造型。在制作類似茶壺的曲面模型中比多邊形建模更加方便，模型面數(shù)得到有效控制。首先創(chuàng)建一條cv曲線作為壺體的基線，利用工具箱創(chuàng)建車削曲面，其次做一條cv曲線做為壺嘴的基線，同時在做出一個圓，并將其轉(zhuǎn)化為NURBS，最后創(chuàng)建雙軌掃描，得到完整的壺嘴效果。同理壺柄和壺蓋同樣利用以上方法得到。在3D建模的內(nèi)部空間用曲線和曲面來表現(xiàn)輪廓和外形，可以用它做出各種復(fù)雜的曲面造型和表現(xiàn)特殊的效果，如人的皮膚，瓦罐等。

2.2.4 特殊建模

除了上述三種方法外，本研究還應(yīng)用了幾種特殊建模方法，包括：置換貼圖建模、動力學(xué)建模、Hair and Fur毛發(fā)系統(tǒng)、Cloth布料系統(tǒng)等。為了減少在建模過程中消耗過多的時間切不影響模型的質(zhì)量的前提下，提高建模效率應(yīng)當(dāng)遵循的原則：在保證直觀視覺效果下的精度，盡量采用較少多邊形建模。同時，建模過程中應(yīng)當(dāng)分別建模，針對同一模型盡量分解為不同的部位分別建模，方便后期為模型添加材質(zhì)燈光效果過程中的各項操作。以得到逼真的模型效果。

2.3 無縫拼接技術(shù)

Pano2VR全景制作軟件可以將3DS MAX中輸出的場景文件進行無縫拼接，將數(shù)張有重疊部分的圖像拼成一幅大型的無縫高分辨率圖像。打開Pano2VR將3DS MAX輸出的圖像拖入其中，并且將其轉(zhuǎn)化為立方體片面，設(shè)置工程文件的平移、俯仰、視場的角分別為0.0、0.0、70.00，進入交互熱點控制面板，選擇多邊形交互熱區(qū)，繪制出需要添加的熱區(qū)面積，并且設(shè)置標(biāo)題欄（$ut=user data：title）、URL（$hu=hotspot URL）。選擇輸出格式為.html，點擊輸出拼接完成的圖像文件。

2.4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)

文件的大小通常是由場景規(guī)模的大小決定的。場景越復(fù)雜導(dǎo)致文件越大，以至于在網(wǎng)絡(luò)上加載所耗費的時間就越長。在相同的頁面中，如果場景加載所花費的時間過長，那么場景制作的再逼真，通過網(wǎng)絡(luò)訪問博物館的游客必然會失去耐心從而放棄對它的訪問。因此，虛擬場景文件應(yīng)在確保瀏覽質(zhì)量的前提下，盡量減小場景文件的小以便控制場景加載所用的時間。針對塔里木大學(xué)西域數(shù)字文化博物館場景文件進行優(yōu)化時，應(yīng)進行多重分辨率漸進瀏覽增加層級數(shù)量的設(shè)置，輸出后的.swf文件較之3DS MAX文件大小有了極大的改進，從而降低了客戶端的加載負(fù)擔(dān)及增大了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，可在訪問者進行訪問時實現(xiàn)局部到整體的瀏覽。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館系統(tǒng)主要由三部分組成：西域文化研究所網(wǎng)站、信息管理系統(tǒng)和虛擬展示平臺。

西域文化研究所信息管理信息系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，提供了針對博物館相關(guān)多媒體信息以及主要文物信息的錄入、查詢、修改和刪除等功能，為博物館網(wǎng)站和虛擬平臺的搭建提供了數(shù)據(jù)支持。

博物館虛擬展示平臺是系統(tǒng)核心，利用在博物館數(shù)字化過程取得的所有模型的數(shù)據(jù)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人機交互技術(shù)，對外提供對更加人性化的展示方式，對博物館環(huán)境和文物藏品的保障得到了進一步的提升。

博物館網(wǎng)站（http：//www.xywhyj.net/）是該系統(tǒng)的主要展示平臺，游客可以通過終端設(shè)備對數(shù)字博物館進行訪問。博物館網(wǎng)站以數(shù)據(jù)庫為后臺驅(qū)動，虛擬展示為手段，一方面可以查看博物館相關(guān)文物的資料，另一方面可以通過動畫演示和三維模型進行文物的全方面展示。

4 結(jié)論

本文概述了塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館的設(shè)計和實現(xiàn)的基本過程和關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)采用JSP動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)平臺、SQL Server2005數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺、3DS MAX三維建模軟件和Pano2VR全景制作軟件實現(xiàn)，并使用了多種設(shè)計模式，減少了數(shù)據(jù)冗余，增加了三維模型的真實感，進行了圖像之間的無縫拼接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，為數(shù)字博物館的設(shè)計和實現(xiàn)提供了一條新的思路。目前，已完成的塔里木大學(xué)西域數(shù)字博物館系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，獲得了良好的效果。

目前本系統(tǒng)采用的是鼠標(biāo)交互式漫游，用戶可以通過鼠標(biāo)的移動在網(wǎng)頁上進行博物館的瀏覽。多通道的人機界面技術(shù)[5]是采用頭盔顯示器、立體眼鏡、三維鼠標(biāo)和數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實設(shè)備，利用手勢、語音、感覺反饋等新的交互技術(shù)與計算機進行交互，旨在提高人機交互的自然性和高效性。如何利用多通道交互技術(shù)加強沉浸感要在接下來的工作中進行研究和實現(xiàn)。

【參考文獻】

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[4]劉廣濤，吳升.基于X3D的場景交互技術(shù)在虛擬生物博物館中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，9（20）：348-351.

[5]董士海，王堅，戴國忠，等.人機交互和多通道用戶界面[M].北京科學(xué)出版社，1999.

[責(zé)任編輯：王楠]