基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字博物館的開發(fā)與應用

王利麗 李永馳

摘? 要：中國傳統(tǒng)文化博大精深，數(shù)字博物館是推動傳統(tǒng)文化傳播的媒介和載體。通過數(shù)字交互技術，使用Unity 3D軟件開發(fā)和制作數(shù)字博物館，展示具有代表性的傳統(tǒng)文化物品，通過與傳統(tǒng)文化物品的交互，使人們在體驗過程中認識和熟悉傳統(tǒng)文化，交互館中的人機交互方式和文化主題的游戲可以增加對傳統(tǒng)文化的興趣，從而在一定程度上起到弘揚中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的作用，也是交互媒體在傳統(tǒng)文化中的有益嘗試。

關鍵詞：傳統(tǒng)文化；數(shù)字交互；Unity 3D；交互媒體；數(shù)字交互館；數(shù)字博物館

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）04-0022-07

Development and Application of Digital Museum Based on Virtual Reality Technology

WANG Lili， LI Yongchi

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： Chinese traditional culture is broad and profound， and digital museums are the media and carriers to promote the spread of traditional culture. Through digital interaction technology， the digital museums are developed and produced by using Unity 3D software to display representative traditional cultural objects. Through interaction with traditional cultural objects， people can know and get familiar with traditional culture in the experience process. The human-computer interaction mode and cultural theme games in the interactive museum can increase their interest in traditional culture， thus playing a role in promoting Chinese excellent traditional culture to some extent. It is also a beneficial attempt of interactive media in traditional culture.

Keywords： traditional culture; digital interaction; Unity 3D; interactive media; digital interactive museum; digital museum

0? 引? 言

在信息技術飛速發(fā)展的今天，交互媒體應運而生。在技術層面，交互技術是一種通過計算機輸入、輸出設備，使人與計算機進行有效交流的一種技術。目前，傳統(tǒng)展廳的交互媒體作品都以“介紹性”為主，即以很多的實物照片輔以文字，灌輸式地向觀者呈現(xiàn)出大量的傳統(tǒng)文化實物。而這種傳統(tǒng)的交互媒體作品往往會削弱互動的效果，不能為觀者提供更好的互動體驗。因此，基于數(shù)字交互媒體的創(chuàng)新性需求，以弘揚中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化為主題，使用Unity 3D等軟件開發(fā)和設計數(shù)字博物館。

1? 虛擬現(xiàn)實技術的內涵和發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? 虛擬現(xiàn)實技術的基本概念

虛擬現(xiàn)實（VR）技術是系列高新技術的交叉和融合，主要含計算機技術、計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機交互理論、人體工程學等相關的多種重要技術。2021年三月中旬，具有“Metaverse（元宇宙）第一股”之稱的羅布樂思在美國紐約證券交易所上市，以虛擬現(xiàn)實技術為核心的元宇宙概念熱度高漲，臉書、微軟、英偉達、高通、騰訊、字節(jié)跳動、華為等國內外巨頭持續(xù)發(fā)力虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)。而且已基本建立了從硬件、軟件、內容、應用和服務的全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)系統(tǒng)。

1.2? 虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1? 發(fā)達國家虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展現(xiàn)狀

2021年10月28日，臉書首席執(zhí)行官扎克伯格宣布將FACEBOOK正式改名為Meta，旨在全力打造“元宇宙”，其實早在2015年他們在虛擬現(xiàn)實（VR）實驗室團隊下成立元宇宙產(chǎn)品團隊，持續(xù)在虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實及其他元宇宙相關領域進行產(chǎn)品服務研發(fā)；在2021年上半年，微軟獲得美國軍隊增強現(xiàn)實設備訂單，價值大約有219億美元，為美國軍隊提供了高達12萬套軍用設備；英偉達創(chuàng)建了Omniverse虛擬工作平臺，已在建筑、娛樂、游戲等領域得以實現(xiàn)和應用，并在全球有大約2萬的用戶體驗版。羅布樂思和Epic等美國游戲公司逐步加大對虛擬現(xiàn)實技術的資金投入，使全球虛擬現(xiàn)實頭盔顯示市場將保持強勁增長，據(jù)根據(jù)IDC的預測，2022年頭盔顯示出貨量將同比增長大約30%，五年后，將會達到大約3 000萬臺，復合增長率約為41.4%。

1.2.2? 我國虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展現(xiàn)狀

2018年，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《關于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》推動了我國虛擬現(xiàn)實（VR）產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，持續(xù)突破重點核心技術，產(chǎn)品供給日益完善，應用創(chuàng)新生態(tài)逐步強盛，初步形成完整的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈條雛形。同時國家政策紅利、5G商用化“非接觸式”經(jīng)濟的新需求等利好地客觀因素也極大地推動我國虛擬現(xiàn)實行業(yè)應用加速落地。

在硬件優(yōu)化和性能方面，逐步向輕薄化、超清化加速演進。近幾年，虛擬現(xiàn)實終端市場急劇擴張，給虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了較為有利的增長空間。虛擬現(xiàn)實設備的常見的顯示分辨率、幀率、自由度、延時、交互性能、重量、眩暈感等性能指標日趨優(yōu)化，用戶體驗感穩(wěn)步提升。我國歌爾聲學代工生產(chǎn)了全球大部分高端虛擬現(xiàn)實的頭戴設備。華為發(fā)布了輕薄型的VRGlass，采用分體式設計，其佩戴部分的重量僅有166克，機身厚度僅26.6毫米。小米研發(fā)了單目光波導AR智能眼鏡探索版，通過Micro LED光波導顯像技術，可以實現(xiàn)信息顯示，通話，導航和翻譯等功能，而整機重量只有50克。小鳥看看公司也推出PicoNeo3VR一體機，具有6DOF的自由度，但頭盔部分重量還不到400克。

2? 數(shù)字博物館的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1? 國內研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2022年3月份《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》發(fā)布，文物工作內容篇幅明顯提升，兩次提到“博物館數(shù)字化”，數(shù)字化內容從第六篇提前到第五篇，明確提到“推動景區(qū)、博物館等發(fā)展線上數(shù)字化體驗產(chǎn)品，建設景區(qū)監(jiān)測設施和大數(shù)據(jù)平臺，發(fā)展沉浸式體驗、虛擬展廳、高清直播等新型文旅服務。” 這些規(guī)劃中的布局調整昭示著：文博數(shù)字化大發(fā)展的機遇已經(jīng)到來，國家政策的傾斜和資金的支持會使我國數(shù)字化博物館產(chǎn)業(yè)迎來嶄新的、更為廣闊的發(fā)展。

2.2? 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著計算機與虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，簡單的圖片加文字的展示方式已經(jīng)完全無法滿足觀眾對數(shù)字化博物館的參觀需求，新的三維交互技術表現(xiàn)形式逐漸出現(xiàn)在觀眾的面前。以世界四大博物館之首——盧浮宮博物館為例，2019年是達·芬奇逝世500周年，盧浮宮便推出了一項《蒙娜麗莎：越界視野》的VR體驗，以此來紀念這位優(yōu)秀的人類巨匠?，F(xiàn)場參觀者可在虛擬空間里與這幅畫作進行互動，觀眾將突破玻璃保護罩的限制，以一種全新的、革命性的方式近距離地欣賞這幅迷人的肖像作品，并完全沉浸于這副世界名畫當中，獲得獨一無二的體驗。人們也可以在線上平臺的虛擬世界里，游一游盧浮宮博物館，走進建筑大師貝聿銘所設計的玻璃金字塔入口，看一看意大利繪畫區(qū)的大畫廊，感受更多達·芬奇的作品和盧浮宮的其他珍藏。

在歐洲博物館行業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《未來的博物館：來自10家國際博物館的見解和思考》報告中指出，21世紀的博物館與20世紀的博物館不同，它不再是封閉的系統(tǒng)，而是科學、文化和區(qū)域關系中更廣闊系統(tǒng)的一部分。未來的博物館將會是集體性創(chuàng)作的產(chǎn)物，否則它將難以生存。數(shù)字創(chuàng)新提供了許多便利，促進博物館與其所在社區(qū)之間的交流，提升可及性以及公眾參與，使“遺產(chǎn)的數(shù)字化”對藏品信息的獲取變得更加快捷，不斷增加博物館藏品的可及性。

3? 虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字博物館的開發(fā)與應用

3.1? 場景的設計與布局

3.1.1? 場景布局建模

本次設計的場景在3ds Max軟件中制作完成，不同于其他的數(shù)字化博物館，此設計的場景為一個書房，需要觀者自己探索交互方式，此設計包攬了樂器、名畫、民間藝術等八類傳統(tǒng)文化的設計。利用3ds Max軟件中的多邊形（Polygon）建模將場景的結構制作出來，如圖1所示，并通過可編輯多邊形修改器進行建模。

3.1.2? 場景優(yōu)化

在保持場景輪廓不變的情況下，使用擠出、布爾、軟選擇、插入循環(huán)邊等命令完善模型的細節(jié)，對模型的點、線、面進行調整。在完成模型的初步細化之后，對模型的布線再次調整，利用焊接頂點工具合并頂點，并將看不到的面剔除，以此來減少資源冗余。在優(yōu)化后，利用清理工具對場景中大于四邊的非法平面進行清理。在網(wǎng)上下載一些貼圖素材，將貼圖素材賦給建好的材質再將材質賦給模型，如圖2所示。

3.1.3? Unity 3D搭建場景

Unity 3D支持多種標準和專有模型文件格式，Unity 3D內部使用FBX文件格式作為其導入鏈。故在3ds Max軟件中完成場景的建立后，需要導出FBX格式，再將FBX格式的模型導入進Unity。接下來需要完善Unity場景，在Unity里添加環(huán)境和燈光，同時將在資源商店下載的一些小模型擺放到場景，使場景更真實。

3.2? 界面UI設計

3.2.1? 確定主題配色

中國古典配色，低調而有節(jié)制，高雅而不庸俗。在古人眼中，四季、節(jié)氣、天地、生活處處都有動人的色彩，中國的傳統(tǒng)色彩很多，本次設計作品中多采用了這種黃色系，黃色是中國傳統(tǒng)五色中的一種，是帝王之色，在中國的傳統(tǒng)文化中，黃色還有另外的意思，黃道吉日，寓意吉祥、萬事如意，更增添了一種古典的魅力，故這種色系在傳統(tǒng)文化的宣傳設計中被廣泛應用。

3.2.2? 字體的選擇和設置

在UI設計里，字體的選擇不容忽視，一個頁面里字體種類盡量不要超過3種，字體種類太多會使信息層級混亂，缺少主次；界面文字也要盡量少點，可以使界面更為整潔美觀。

本次設計主要使用了3種字體，如圖3所示，分別為方正FW筑紫明朝簡體，屬于舊式風格的宋體（明朝體），其特點是起筆頓落、收斂提勾，中宮的收緊使文字能超越圖形形態(tài)，體現(xiàn)出文字自身的氣質，襯托出漢字的豐富神態(tài)和濃郁的魅力；方正蘇新詩柳楷秉承柳體，筆力雄渾，字跡娟秀，符合當代書法的設計法則，非常適合用于傳統(tǒng)文化類的宣傳設計，在充滿古典韻味的樂器篇和名畫篇均使用了這種字體；以及方正心海龍體，這種顏體楷書用筆以中鋒為主，有含忍之力，起筆收筆以隱鋒居多，形成了一種外剛內柔、蒼勁有力的獨特風格，用筆隨意，不刻意頓挫，筆法自然流暢，精神內斂，卻又能傲視古今，這也正是中華民族的民族精神所在。

3.2.3? 界面排版

排版是界面設計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，個人認為也是最難的環(huán)節(jié)，它按照內容呈現(xiàn)在界面上的方式不同，分為純文本排版，圖形文排版，圖片文本排版等。一個好的排版不但可以把重要的信息有效傳達給用戶，而且還能在本次作品中提高用戶的互動體驗。

本次設計的交互界面基本都是圖文排版，研究表明，人們通過圖片獲取信息的速度比通過閱讀文字獲取信息的速度要快很多。在Photoshop軟件中導入自己制作的UI元素和網(wǎng)上下載的圖片，再進行排版，再將排版好的背景圖導入到Unity，從Unity里將那些UI元素再按照Photoshop中設計的排版進行擺放，如圖4所示。

3.3? 交互效果的實現(xiàn)

3.3.1? 選擇交互方式

中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化博大精深，僅用一個作品包攬所有的傳統(tǒng)文化是不可能實現(xiàn)的，所以本次設計選擇了幾個具有代表性的傳統(tǒng)文化，觀者通過點擊主場景的物體，可以進入到圍棋篇、名人篇、文學篇、工藝品篇、樂器篇、民間藝術篇、名畫篇、農(nóng)歷篇和書法篇這幾個交互界面。

在圍棋篇，放了一段關于圍棋的小動畫，可以使觀者在短時間內了解圍棋；在名人篇，以第一人稱對山東各個城市的歷史文化名人進行了介紹；在文學篇，列出了一些文學經(jīng)典；在工藝品篇，觀者點擊一個展示品就可以720°全方位立體展示當前工藝品；在樂器篇，展示了中國十大傳統(tǒng)樂器，觀者通過點擊不同的樂器，就可以聽到不同樂器發(fā)出的聲音；在民藝篇，展示了中國十大民間藝術，還制作了一個卡牌小游戲使交互過程更為娛樂化，提升交互體驗感和趣味性；在名畫篇，展示了中國十大名畫，其中《唐宮仕女圖》里包括5幅，所以十大名畫其實有14幅，觀者通過滑動屏幕可以選擇和瀏覽喜歡的名畫；在節(jié)氣篇，設計了24節(jié)氣排序的程序，增加了趣味性和益智性。

3.3.2? 滑動列表的實現(xiàn)

3.3.2.1? 控制列表按照頁數(shù)滑動

構建Level Button Scroll Rect類來監(jiān)測列表滑動開始和結束；調用IbeginDragHandler（拖拽開始）和IendDragHandler（拖拽結束）兩個接口，這種拖拽相關事件需要提前引用命名空間EventSystems；

頁面滑動通過使用Unity中的ScrollRect組件，最主要的屬性是HorizontalNormalizedPosition（頁面在水平方向滑動的值）和VerticalNormalizedPosition（頁面在垂直方向滑動的值），根據(jù)此次項目需求，選用水平滑動組件；

定義pageArray數(shù)組來存儲每一頁的位置，滑動列表時，使用for循環(huán)判斷到當前滑動的界面離數(shù)組里哪個頁面最近，就直接顯示到哪個頁面。為了增加用戶體驗，在腳本上開放一個Float數(shù)據(jù)類型數(shù)值來控制頁面滑動時的平滑度，命名為Smooth，使滑動效果不僵硬，更為平緩自然。

3.3.2.2? 利用單選按鈕控制列表滑動

創(chuàng)建ToggleGroup來存放單選按鈕，如圖5所示，因為本次作品中有十大民間藝術，所以有十個Toggle，分別定義按鈕點擊觸發(fā)事件方法，將方法賦給Toggle。

此時已經(jīng)實現(xiàn)了利用單選按鈕實現(xiàn)頁面跳轉，但是鼠標拖拽頁面切換的Toggle并不與之相通，因此還需定義Toggle數(shù)組來訪問isOn屬性，最后再給Toggle數(shù)組賦值。最終控制列表滑動功能完美實現(xiàn)，不僅可以鼠標拖拽，還可以利用按鈕跳轉，如圖6所示。

3.3.2.3? “民藝”翻翻樂游戲的實現(xiàn)

翻翻樂游戲界面，該游戲的元素為中國民間藝術，如圖7所示。游戲規(guī)則為隨意翻轉兩張牌，一樣的圖案則記配對成功一對；圖案不一樣，則兩張都恢復初始未翻牌狀態(tài)，當所有紙牌配對成功后，則會自動洗牌，游戲重新開始，如圖8所示。

玩家進入游戲后，界面上會顯示系統(tǒng)自動初始化出的一組未翻開的民藝紙牌；點擊紙牌將紙牌翻開，系統(tǒng)自動檢測當前翻開的紙牌數(shù)，當翻開的紙牌數(shù)為2時會自動判斷，若圖案相同則算配對成功一對，若不同則兩張紙牌在0.8秒后均恢復為未翻牌狀態(tài)；重新翻牌直到全部配對成功，系統(tǒng)重新洗牌。

當有兩張紙牌同時處于翻開狀態(tài)時，則需要等待0.8秒的時間再點擊其他紙牌，而在0.8秒之內，所有的紙牌點擊都會失效，并且已匹配的紙牌無法再次翻轉。首先，搭建翻翻樂游戲界面，卡牌池使用自動布局（Grid Layout Group和Content Size Fitter組件），4×4排列組合；其次，構建Card類，卡牌會有三種顯示情況：未翻牌狀態(tài)，已翻牌狀態(tài)，配對成功狀態(tài)。這三種狀態(tài)用不同的圖片來區(qū)分，均為Sprite類型；構建GameManager類，設計比對卡牌的清單、卡牌種類清單和已配對的卡牌數(shù)量，以比對成功后卡牌數(shù)量，判斷是否重新洗牌；配置卡牌列表，隨機排列卡牌（List，Random.Range）；設計發(fā)牌的規(guī)則，使最大亂數(shù)不超過8，可以兩兩相配，如圖9所示。

游戲開始會自動生成卡牌作為卡牌子物體，翻牌添加到數(shù)組（List），兩張翻牌時，使玩家點擊失效0.8秒，配對成功不可再點擊（Button interactable=false），全部配對成功等待兩秒系統(tǒng)會重新洗牌，如圖10所示。

3.3.2.4? 節(jié)氣排序的實現(xiàn)

二十四節(jié)氣是中華傳統(tǒng)文化中不可或缺的一部分，它是農(nóng)歷歷法中二十四個特定的節(jié)令，本次設計也為此設計了一個節(jié)氣排序的程序。

當用戶進入到節(jié)氣排序界面后，會看到界面下方有24個待拖拽的節(jié)氣圖標，節(jié)氣圖標的順序是被打亂的，圖11為該程序流程圖，依次拖拽節(jié)氣圖標至對應季節(jié)的正確位置，當圖標接近正確位置時，底色會呈高亮顯示，松開鼠標即可精準入位，否則將圖標歸回下方原位，圖標全部精準入位后，彈出成功提示，可以選擇再來一次。

節(jié)氣排序功能增強了本次設計作品的互動性和趣味性，開發(fā)過程中需要將每個節(jié)氣UI的目標位置精準記錄，如圖12所示；拖拽松放時判斷UI位置，如圖13所示，接近目標區(qū)時底色成高亮顯示，松開將UI精準入位；同時制作設計成功提示和再來一次功能。

3.3.2.5? 工藝品交互的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的物品展示交互界面多為平面式的圖文編排，本次設計中的工藝品交互界面參考了國內著名博物院的官方網(wǎng)站，打破了展覽櫥窗的禁錮，采用三維式的展示，觀者可以720°全方位欣賞工藝品，可放大觀看工藝品的刻畫細節(jié)，這種展示方式更為直觀和方便。圖14為交互編輯器邏輯圖，開發(fā)過程如下：

（1）使用繞物相機實現(xiàn)用鼠標控制物體的旋轉和縮放；

（2）控制物體的自動旋轉和暫停；

（3）使用圖片瀏覽器功能欣賞更多同類工藝品；

（4）控制文字介紹的顯示隱藏和語音介紹的播放暫停。

3.3.2.6? 名人篇交互的實現(xiàn)

山東，古為齊魯之地，有著悠久的歷史，在中華文明的發(fā)祥與發(fā)展過程中，做出了許多重大的貢獻，山東省歷史上名人輩出，不勝枚舉。本次作品以對話的形式，用第一人稱講述了各個城市的歷史文化名人的經(jīng)歷，圖15為名人說交互示例。

3.3.2.7? 文學篇動效導航的實現(xiàn)

圖16為文學篇的導航界面，背景和UI均為動態(tài)效果，背景的設計為孔子站在一幅展開的畫卷上，有“讀萬卷書，行萬里路”之意，上下跳動的UI還可以吸引觀者的注意。Unity自身不支持GIF圖片的播放，通過編寫C#腳本把GIF序列逐張播放達到動態(tài)圖的效果，如圖17所示。

4? 結? 論

展望未來的博物館發(fā)展趨勢，沉浸式交互技術的應用將是數(shù)字化博物館發(fā)展的必然方向，也是數(shù)字化展示與傳播方面的探索和延展，有益于傳統(tǒng)文化的歷久彌新，及其在當下時代中的播撒、共享與弘揚。

通過查閱有關弘揚傳統(tǒng)文化與交互技術的文獻，認真閱讀后分析了優(yōu)秀案例中交互技術的實現(xiàn)方法，梳理了自己開發(fā)博物館的思路。其創(chuàng)作大體分為三個過程，一是使用3ds Max軟件進行場景的制作；二是使用Photoshop軟件進行交互界面的設計；三是使用Unity 3D軟件，通過編寫C#腳本等方式實現(xiàn)交互效果。

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作者簡介：王利麗（1990—），女，漢族，山東濟寧人，講師，碩士研究生，研究方向：游戲設計、虛擬現(xiàn)實技術；李永馳（2000—），女，漢族，山東濟寧人，教師，本科，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術、數(shù)字媒體技術。

收稿日期：2022-10-12

基金項目：中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化融入虛擬現(xiàn)實（VR）課程的理論與實踐研究