基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的博物館數(shù)字化應(yīng)用

王 騰

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

研究表明參觀博物館和文化機(jī)構(gòu)的人數(shù)在逐年減少,特別是年輕人群體對(duì)博物展館的關(guān)注越來越少。這一趨勢(shì)表明需要新的藝術(shù)途徑來改善人們對(duì)博物展館的關(guān)注。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以極大地促進(jìn)用戶與文物之間的關(guān)系。 文章介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化展示系統(tǒng),即沉浸式藝術(shù)。 沉浸式藝術(shù)［2］是一種交互式的、沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn),通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備,用戶被帶入虛擬的三維場(chǎng)景,成為虛擬世界的一部分。 筆者用三維建模軟件重建選定的文物,這些場(chǎng)景中的物體必須符合該文物的歷史、朝代、文化內(nèi)涵以及科學(xué)價(jià)值,將這些虛構(gòu)的物體制作為三維動(dòng)畫,使場(chǎng)景變得栩栩如生,并將其帶入該文物誕生時(shí)所處的歷史環(huán)境。 在虛擬場(chǎng)景中允許用戶在這個(gè)虛擬世界中移動(dòng),并能與構(gòu)成虛擬世界中的關(guān)鍵元素進(jìn)行交互,觀看者的視角隨著360°的自由移動(dòng)而改變,成為視覺空間的中心,觀看者能準(zhǔn)確感受到文物的歷史氛圍和精神世界。這項(xiàng)研究表明,與其他體驗(yàn)藝術(shù)的形式(如插圖書籍和視聽演示）相比,人們更愿意使用虛擬現(xiàn)實(shí)了解文物［2］。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)系統(tǒng)采用了多種圖形技術(shù):使用Unity3D 游戲引擎進(jìn)行開發(fā)；使用Maya 三維建模軟件對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行建模和動(dòng)畫制作；使用Photoshop 軟件進(jìn)行紋理處理。 用戶可以通過游戲?qū)Ш脚c藝術(shù)品或文物互動(dòng),通過HTC VIVE 手柄硬件,用戶在虛擬世界中可以自由導(dǎo)航并瞬間移到任何位置［4］。 用戶也可以跟蹤興趣點(diǎn)進(jìn)行交互和導(dǎo)航,允許用戶移動(dòng)到虛擬場(chǎng)景中不同的預(yù)定義位置,這樣就不會(huì)錯(cuò)過關(guān)鍵的位置或信息。 為了更容易識(shí)別興趣點(diǎn),通過添加圓形指示器特效提供視覺提示,即視覺提示顯示是虛擬世界中的元素。 用戶可以自由選擇他們想要訪問的地方以及他們想要在其中停留的時(shí)間。 當(dāng)用戶選中一件文物后,系統(tǒng)就把用戶帶入虛擬的三維場(chǎng)景,允許用戶使用VR手柄拾取不同的顏色畫筆,并模仿虛擬場(chǎng)景進(jìn)行三維繪畫,豐富了虛擬場(chǎng)景內(nèi)容,增添了體驗(yàn)者與作品的交互性。 虛擬現(xiàn)實(shí)博物館體驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 博物館數(shù)字化體驗(yàn)系統(tǒng)流程

2 系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)場(chǎng)景搭建

場(chǎng)景搭建階段需要用三維建模軟件虛擬一個(gè)博物館,場(chǎng)館中放置各種名家作品或文物,每個(gè)文物都需要虛擬一個(gè)三維場(chǎng)景,三維虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)要能展現(xiàn)這個(gè)文物的歷史文化背景,讓作者沉浸式地理解每一件文物的內(nèi)涵。 要想把文物由靜態(tài)物體轉(zhuǎn)為三維的虛擬場(chǎng)景,虛擬場(chǎng)景決不能改變?cè)嘉奈锏臍v史背景和文化內(nèi)涵,虛擬重建的場(chǎng)景必須是一個(gè)能準(zhǔn)確感受到原作氛圍和精神的真實(shí)場(chǎng)景。 因此三維場(chǎng)景中的每一個(gè)細(xì)節(jié)都必須用三維建模,使用Maya 軟件對(duì)該文物相關(guān)的每個(gè)物體進(jìn)行建模,使用Photoshop 進(jìn)行紋理處理。 虛擬場(chǎng)景中的一些元素或關(guān)鍵符號(hào)必須符合該文物的歷史、朝代、文化內(nèi)涵以及科學(xué)價(jià)值,以便能更真實(shí)地還原文物誕生時(shí)所處的環(huán)境。

對(duì)于虛擬場(chǎng)景而言,燈光是非常重要的一部分。在場(chǎng)景中使用更加復(fù)雜的光影效果,可以增加場(chǎng)景的真實(shí)性和美感。 網(wǎng)格和紋理定義了場(chǎng)景的形狀和外觀,而燈光定義了場(chǎng)景的顏色和氛圍。 對(duì)于博物館中的文物而言,燈光就顯得格外重要。 因此為了更加真實(shí)地表現(xiàn)文物作品,在虛擬場(chǎng)景中使用多種光源,若要達(dá)到更好的效果,需要對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行燈光烘焙。 燈光烘焙的目的是將實(shí)時(shí)燈光信息添加到紋理貼圖上,比實(shí)時(shí)渲染看起來更真實(shí),光照信息更豐富,也避免了使用實(shí)時(shí)燈光對(duì)資源的占用,節(jié)省了空間,使系統(tǒng)運(yùn)行更流暢。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的博物館數(shù)字化展示系統(tǒng)的主要開發(fā)流程如圖2 所示。

圖2 開發(fā)流程

該系統(tǒng)的漫游方式主要有固定點(diǎn)漫游、連續(xù)漫游和瞬間移動(dòng)3 種。 連續(xù)漫游是通過手柄圓盤鍵控制漫游方向,并設(shè)置固定速度控制視角進(jìn)行移動(dòng)；固定點(diǎn)漫游是移動(dòng)到虛擬場(chǎng)景中不同的預(yù)定義位置,這樣就不會(huì)錯(cuò)過關(guān)鍵的位置或信息；瞬間移動(dòng)是從手柄上發(fā)出一條射線,射線與場(chǎng)景中預(yù)定義的可移動(dòng)區(qū)域之間的相交點(diǎn)即為瞬間移動(dòng)的位置。 3 種漫游方式可以自由選擇。

該系統(tǒng)中的場(chǎng)景切換主要使參觀者通過手柄對(duì)虛擬場(chǎng)景中的繪畫作品進(jìn)行選擇,交互方式主要是UI 交互,每一幅畫都有一個(gè)確定按鈕,按鈕的選擇主要有射線檢測(cè)和觸碰方式兩種。 即判斷手柄發(fā)出的射線是否與UI 相交或判斷手柄是否與UI“接觸”,若相交或接觸,則玩家可選中UI 按鈕進(jìn)入名畫世界。 兩種交互方式各有特點(diǎn),其中,射線檢測(cè)適用于所選中的作品距離較遠(yuǎn)的情況；觸碰方式更適用于UI 按鈕距離較近的情況。

該系統(tǒng)中的三維繪畫功能的實(shí)現(xiàn)主要是Unity 中的Trail Renderer 組件產(chǎn)生拖尾效果,更改拖尾的顯示時(shí)長(zhǎng)為無窮大,近似讓拖尾效果一直顯示在場(chǎng)景中,將帶有Trail Renderer 組件的物體放置右手柄處,通過揮動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)畫筆效果。 左手柄制作調(diào)色盤,當(dāng)右手柄控制器與調(diào)色盤上的顏料對(duì)象進(jìn)行接觸時(shí),顏料對(duì)象邊緣均出現(xiàn)黃色高亮,表明左手柄成功拾取調(diào)色盤上的顏色,這樣就實(shí)現(xiàn)了在虛擬空間進(jìn)行三維繪畫的功能。

2.3 系統(tǒng)生成

以上技術(shù)適用于開發(fā)任何類型的博物館的數(shù)字化展示系統(tǒng)。 用戶進(jìn)入系統(tǒng)后,可以通過左右手柄的圓盤鍵在虛擬博物場(chǎng)館中漫游,漫游的方式有固定點(diǎn)漫游、連續(xù)漫游和瞬間移動(dòng)3 種。 當(dāng)選擇一個(gè)文物或者名畫后,點(diǎn)擊進(jìn)入場(chǎng)景的UI 按鈕,就進(jìn)入了虛構(gòu)的世界。 在虛擬三維場(chǎng)景中,左手柄設(shè)置了按鈕切換,按下左手柄左右兩邊的抓取鍵后,會(huì)出現(xiàn)提示信息和功能選擇,提示信息在功能選擇的上方。 點(diǎn)擊左手觸控板的上下區(qū)域進(jìn)行功能選擇,選中重置場(chǎng)景功能,點(diǎn)擊左手扳機(jī)鍵確定選擇,可以在三維繪畫場(chǎng)景中重置場(chǎng)景,重新對(duì)虛擬繪畫場(chǎng)景進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。 選中返回大廳功能,點(diǎn)擊左手扳機(jī)鍵確定選擇,可以回到博物館大廳重新選擇文物,進(jìn)入不同的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行三維繪畫。 左手柄上還有一個(gè)調(diào)色盤,使用右手柄去接觸調(diào)色盤上的顏色,按一下右手柄的扳機(jī)鍵進(jìn)行確定,顏色成功選取,用戶可以在虛擬的三維場(chǎng)景中對(duì)繪畫世界進(jìn)行改造,通過右手柄選取調(diào)色板上的顏色,進(jìn)行二次創(chuàng)作。在虛擬場(chǎng)景中的繪畫是面向三維的畫作,因此可以通過固定點(diǎn)漫游、連續(xù)漫游和瞬間移動(dòng)3 種方式,在場(chǎng)景中調(diào)整位置,調(diào)整繪畫的角度和繪畫的位置,合理地豐富三維場(chǎng)景。

3 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)博物館的數(shù)字化作品展示,使得文物變得更有趣,即使藝術(shù)建模和動(dòng)畫將花費(fèi)大量時(shí)間,但使用Unity3D 軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),使新型交互式虛擬現(xiàn)實(shí)繪畫的創(chuàng)作變得更容易。 而且該系統(tǒng)適用于任何類型的博物館數(shù)字化展示,能在現(xiàn)有靜態(tài)文物的基礎(chǔ)上賦予自己的理解和創(chuàng)作,實(shí)現(xiàn)了多元化的展示形式,激發(fā)了人們欣賞文物的興趣。 此外,筆者計(jì)劃將本文中的方法應(yīng)用于VR 一體機(jī),降低虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)成本,減少VR 設(shè)備的束縛,吸引更多的觀眾關(guān)注文物的歷史價(jià)值。