虚拟恐龙博物馆的设计与开发

黄柳 吕晨璟 燕雨 胡永斌

摘  要 随着科技的进步，虚拟现实技术越来越多地应用到虚拟博物馆的设计与开发中。分析恐龙博物馆的教育价值，进而分析恐龙博物馆的相关研究，并以虚拟恐龙博物馆为例，设计场馆模块，探讨虚拟博物馆应用的关键技术，分析虚拟博物馆的开发流程，通过试用评价分析虚拟恐龙博物馆的应用效果。

关键词 博物馆;虚拟恐龙博物馆;虚拟现实;Unity 3D

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）05-0033-04

1 恐龙博物馆的教育价值

博物馆具有较为丰富的馆藏资源，在社会教育中有着较为重要的作用和价值。因此，要认识到博物馆的教育价值的重要性，充分发挥和完善博物馆的教育功能，促进博物馆教育功能的全面升级，从而更好地实现博物馆的教育价值[1]。

对于人类来说，恐龙是像谜一样的生物，它们身上还有许多未解之谜，吸引着研究者去探索、研究、揭示谜底。对于科学家来说，研究恐龙的目的通常有两个：一是可以服务地质学;二是可以服务生物学。从生物学方面来说，研究古生物可以帮助人们了解生物的进化过程，从而更深入地了解地球生物发展的规律。从地质学方面来说，古生物可以帮助人们正确地划分地层，进行地层对比和确定地层时代[2]。因此，恐龙无疑可以成为普及科学文化知识的载体，对青少年成长具有重要作用。

除了可以科普恐龙知识外，恐龙博物馆还可以培养青少年的艺术修养，丰富其精神文化世界。通过参观恐龙博物馆，在教师和工作人员的指导下，学生可以通过互动来深入了解博物馆所展现的历史文化，借助在真实环境中再现的教科书中的生硬内容，充分体会艺术所表达的魅力，从而提高艺术修养[3]。

作为社会教育的重要组成部分，博物馆教育与学校教育既有差异又密切联系[4]。博物馆具有传播科学文化知识、提高公民科学文化素养和思想道德素质的重要作用，作为学校教育的补充和延伸，关系着青少年的教育。青少年作为重要的受教育群体，国家对其教育的不断重视和对公益性公共文化事业的大力支持，使得博物馆教育在青少年教育中的重要性日益凸显，并以其独特的教育内容和通俗易懂的教育方式丰富了青少年的教育形式[5]。

2 虚拟恐龙博物馆相关研究

近年来，由于新技术的出现及广泛使用，恐龙博物馆的展示模式也出现多种形式。

1）实景展馆展示形式。澳大利亚堪培拉的国家恐龙博物馆将自身定位为一个互动博物馆，游玩者可以在馆内与不同的恐龙模型和史前化石材料进行互动，触摸馆内的模型、化石、岩石，或者与拥有特殊恐龙造型的垃圾箱进行合照。馆内开设了多种与恐龙知识相关的游戏，寓教于乐，帮助学生学习恐龙知识和史前历史。为了实现对幼童的教育，该博物馆会定期举办公共教育和校园参观，但能够参与的人数有限。同时，位于堪培拉市中心的国家恐龙博物馆也无法辐射影响到周边的城郊地区，所以实景展馆展示形式带有一定的局限性[6]。

2）APP系統展示形式。广东省博物馆与自贡恐龙博物馆共同协办的“群龙出没——恐龙时代大穿越”展出中，除了陈设大量的恐龙化石文物展品外，还有新研发的智慧导览系统，利用手机APP、导览机、讲解笔三者结合对博物馆展品进行讲解。在手机APP中，除了可以看到展馆的概况，还能够通过图片与声音了解相关内容。针对不同的人群，该APP还具有不同的功能，如针对操作不便人群的蓝牙感应和针对老年人的智能讲解。

阿克苏博物馆的智慧化APP实现了多功能化，进行多个版本优化的同时加入不同的内容。但是该智慧APP仍然无法实现虚拟博物馆的全景化，作为实景博物馆中的辅助设备，可以帮助博物馆工作人员进行日常讲解 [7]。

3）线上直播形式的展示形式。自贡博物馆联合多个直播平台开展“探秘侏罗纪——中国恐龙的新家”活动，借助直播的形式讲解来自自贡博物馆的多种恐龙（包括太白华阳龙、合川马门溪龙和劳氏灵龙），直播展示多个恐龙化石，同时借助讲解员的讲解使年轻人对于中国的恐龙有了一个更为深入全面的认知[8]。自贡博物馆通过新平台推广中国的恐龙文化，很好地激发了青少年对科学的探索精神。但是由于直播时间、网速、平台要求等多因素限制，直播只能宣传到小部分关注的群体。

通过对当前不同模式的博物馆进行分析可知，传统博物馆相较于虚拟博物馆存在一些不足之处。

一是传统博物馆的展示形式单一。传统博物馆通常将展品陈列在玻璃罩中供参观者欣赏，这种展出方式只能进行单一视角观察，不能进行全方位观察，因此，展品的一些细节无法呈现。

二是部分展品对环境要求较高，须在合适的温度和湿度环境下才可以展出，增加了博物馆展示的难度。

三是传统博物馆的展出因受时间和空间的限制，受众群体有限[9]。

因此，本文以虚拟现实（VR）技术为基础，搭建虚拟现实博物馆，尝试解决现有博物馆存在的问题。

3 虚拟恐龙博物馆的设计

模块设计  通过分析众多恐龙博物馆可以得出，大部分的实体场馆都是按照恐龙分布的时期进行划分，辅以一些体验类和沉浸类项目。本文根据实际需求，制作了开始进入界面、跳转恐龙世界界面、侏罗纪时期场馆、白垩纪时期场馆、三叠纪时期场馆和测验学习面板，部分模块构成如图1所示。

本文基于Unity 3D VR引擎进行搭建。为了实现全景沉浸式的恐龙馆交互体验，本文采用头盔和VR手柄结合，力求还原恐龙所在时代的真实场景，帮助用户在进入虚拟恐龙馆之后可以得到触觉、视觉、听觉三种感觉融合的沉浸式体验。

场景设计  本文的开始界面由“开始游览”“操作信息”“结束游览”三个部分组成，用户通过扣动右手柄的扳机，能够实现按钮的点击与操作信息的查看，如图2、图3所示。为了简化主面板的跳转选项，在点击“开始游览”按钮之后会进入场景选择界面，用户可以通过手柄发出的射线点击前后的箭头，进行不同场馆的选择。同时，选择的场馆不同，它所显示的场馆名称和面板也会不同。如图4所示，选择的是三叠纪时期的场馆，出现的就是三叠纪时期的场景。

为了让用户对中生代的恐龙世界有深刻和直观的认识，本文将恐龙世界分为三个场馆，依照时间和恐龙活跃时期划分。恐龙在地球上繁盛的时期约为1.6亿年，整个中生代大致分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪三个时期，不同的纪也有相对应的时期特征和生长植被与代表恐龙。其中，三叠纪时期的代表恐龙是板龙、幻龙，其场馆特点是干旱，缺少植被，岩石标志显著，大型的哺乳动物、小型的恐龙的生存空间出现。侏罗纪时期的代表恐龙是异特龙、剑龙，其场馆特点是气候湿热，大陆板块开始分裂。为了体现时代特征，侏罗纪主场馆采用小岛地形，体现其分裂，植被生成，大陆开始从干旱时期恢复，出现低矮植被的现象。白垩纪有着最为大家熟知的三角龙、翼手龙等。白垩纪中期，植被繁茂，大型食肉恐龙遍布，大型恐龙的长度达到10～20米。

交互设计  在虚拟恐龙场馆中，为了让用户对不同种类的恐龙骸骨进行学习和区分，设置不同恐龙的学习面板。如图5所示，展示的是三叠纪时期不常见的南十字龙。为了让用户对其印象更加深刻，在介绍面板中加入南十字龙的实体模拟图片，用户可以配合场景中的南十字龙骸骨一起观察。信息面板统一使用的是Panel面板，通过Set-Active调用代码实现。

除此之外，为了使学习者了解当前场馆的环境特性、地貌特征与常出现的恐龙，用户进入场馆后，设置可以播放的恐龙场馆介绍词。除了场馆介绍词外，用户靠近恐龙一定范围便可以触发相应的恐龙介绍词，只需将VR头盔的耳机接口与耳机相连，便能够听见解说词，获得视听的双重感受。在摆放恐龙骸骨的区域，用户通过扣动右手柄的Trigger

按键，便可以抓取恐龙骸骨近距离观看;松开Trigger键之后，骸骨就会随着重力掉落，或者可以通过手柄将骸骨扔向场馆的任意处，如图6所示。

在项目最后设置一个学习测验环节，用户游览完三个不同时期场景之后就可以进入该环节。学习测验题目是根据用戶浏览三个场馆时出现的恐龙介绍面板的名称、特点、生物习性等方面知识设置的。学习测验环节采用选择题的形式进行测验，在屏幕上会展示不同的选择题，当用户勾选的选项正确或者错误时，平台会给予不同的提示。

测试中采用Toggle Group进行复选框的搭建，针对多个选项，复选框可以在Toggle组中只选择一个选项，同时配合相应的取消和恢复调用代码，可以轻松实现答案的选择判定效果。

4 关键技术

三维建模技术  Unity 3D作为一款易上手、可操作的软件，拥有的建模功能虽然不能与专业的软件（如Maya、3ds MAX）相比，但是对于新手来说，适合简单模型的搭建。在Unity 3D的操作界面就能够直接进行场景的搭建，同时需要进行一些UVW和贴图，以及模型的优化和放射灯光的渲染[5]。

虚拟现实交互技术  利用SteamVR和VRTK插件，可以实现众多虚拟现实交互功能。

1）瞬移。通过VRTK插件，在操作VR手柄时，用户按下左手柄的触控板，可以实现在场馆中的漫游。具体的设置流程是：在导入VRTK插件后，删除MainCamera对象，创建空对象，命名为VRTK__Manager;在其下建立VRTK__SDKSetup空物体，并为其添加VRTK__SDKSetup组件，Quick Select选择SteamVR挂载在VRTK__SDK__Manager脚本;创建VRTK__Controller Scripts，为其创建子物体LeftCon-troller和RightController;为这两个子物体添加VRTK__Controller Events组件，将两个子物体搭载到VRTK__Mana-ger对象上VRTK__Manager组件的LeftController和Right-Controller选项上，禁用VRTK__SDKSetup对象。这样，操作手柄就可以实现相关的操作。

2）射线交互。该射线可以通过代码或者VRTK自带组件进行设置，可设置射线形状、颜色、按下后的状态、与物体相接触的描边状态等。

3）UGUI交互。用户通过手柄发出的直线可与交互界面进行交互。点击交互界面的按钮，既可以实现界面之间的跳转，进入新的场景，也可以选择“小测验”中的正确选项。该技术的具体操作步骤如下：

①为LeftController和RightController添加VRTK_UIPointer组件;

②为Canvas对象添加VRTK_UICanvas组件。

通过以上步骤即可以实现UGUI的交互。

4）抓取交互。射线可以定位物体，并通过扣动右手柄上的扳机对物体进行点击抓取和观看。借助这一技术，用户在虚拟恐龙博物馆中可以点击恐龙模型进行近距离观赏。该技术可以给用户带来强烈的视觉冲击力，能给予用户极大的沉浸式体验。

5 开发流程

本文以Unity 3D作为主开发平台，辅以3ds MAX、Photo-shop软件进行模型的开发创建和修改工作，结合Microsoft Visual Studio编程软件进行代码语句的编写，借助SteamVR、

VRTK等插件配合VR头盔和手柄进行使用，实现虚拟恐龙博物馆的创建和游览。

搭建场景  新建一个Unity项目，把恐龙模型和场景模型拖动到Assets文件夹下。或者右击Assets文件夹，选择Import New Asset，选择需要导入的模型。本场馆需要搭建五个场景，分别是主界面、恐龙时期选择界面、三叠纪时期、侏罗纪时期和白垩纪时期。根据不同场景的需要，把资源直接拖动到Scene窗口中。在主界面和选择界面中借助Unity 3D的UI插件，设计背景图片和按钮。把不同时期的恐龙模型拖动到相应的场景中，并对恐龙和森林模型按照一定比例进行编辑。

交互设计  为了实现虚拟场馆的交互设计，需要借助SteamVR和VRTK插件设置VR场景。首先导入SteamVR和VRTK插件;其次在新建的场景中删除MainCamera对象;接着在主场景建立空物体VRTK_SDKManager，为其添加VRTK_SDKManager组件，在其下建立VRTK_SDKSetup空物体并为其添加VRTK_SDKSetup组件，Quick Select选择SteamVR;最后在Assets＼SteamVR＼Prefabs文件夹中找到CameraRig和SteamVR，并添加它们作为VRTK_SDKSetup物体的子物体。

1）UI交互。本场馆中UI的交互主要为按钮的交互，通过HTC Vive手柄发射的射线与按钮进行交互。在主界面中，当射线选中按钮时，射线变为绿色，扣动手柄扳机触发按钮的点击事件，实现按钮功能。同样，在恐龙时期选择界面中，射线选中左右箭头的图标，扣动手柄扳机，切换三个恐龙时期的图片。选择其中的一张恐龙时期图片，再次扣动扳机即可触发点击事件，跳转到所选择时期的恐龙场景中。当手柄能够发射射线后，为了实现与UI交互，还需要为LeftController和RightController添加VRTK_UIPointer组件。除此之外，还需要给Canvas对象添加VRTK_UICanvas组件。最后，再给按钮和图片添加相应的代码，即可实现射线与UI的交互。

2）场馆漫游。为了获得更好的观光体验，需要给手柄添加瞬移的功能。用户借助HTC Vive手柄发射的贝赛尔曲线，按下手柄上的圆盘即可实现在场馆中漫游。首先为LeftController（左手柄）添加VRTK_ControllerEvents组件，接着添加组件VRTK_Pointer和VRTK_BezierPointer-Renderer。此时按下左手柄就可以发射贝赛尔曲线。为了实现瞬移效果，还得给VRTK_ControllerScripts物体添加VRTK_HeightAdjustTeleport组件。添加完成后，按下左手柄的圆盘就可以实现场馆漫游。

3）物体交互。在三个不同时期的恐龙场景中，当射线选中恐龙模型时，扣动手柄的扳机即可显示相关恐龙的介绍信息。抓取恐龙的某一块骨头时，扣动扳机可以将恐龙骨头拿起来仔细观看。为实现拾取物体这一功能，需要给被抓取的物体添加RigidBody组件。此外，还要给被拾取物体添加VRTK_InteractableObject组件和VRTK_ChildOf-ControllerGrabAttach组件，勾选“isGrabbable”。最后还要给右手柄（RightController）添加VRTK_InteractGrab和VRTK_InteractTouch组件，可以实现手柄拾取物体。

调试作品  完成作品后，点击“Play”按钮运行作品，测试各个功能是否能够实现。打开Console面板查看运行过程中是否有错误信息，若有错误信息，则根据错误信息的提示进行代码和功能的调试与修改。修改完成后，再次运行作品，若Console面板没有出现错误信息，则说明作品运行没有问题，可以导出作品。点击Unity 3D软件中的“File”，选择“Build Settings”，在“Platform”中选择“PC， Mac & Linux Standalone”平台导出。

6 试用评价

该虚拟恐龙博物馆基于Unity 3D建立，希望呈现有别于实体博物馆的全息沉浸享受，通过VR头盔及手柄获得虚拟体验，达到身临其境的效果。通过游览场馆，了解不同时期不同种类、不同习性的恐龙，不仅拓宽了用户的知识面，而且提高了其对不同时期环境植被的认识。研发完成后，该虚拟博物馆面向江苏师范大学智慧教育学院学生进行相关体验调研，得到以下评价。

交互性方面  在交互性方面，师生认为该虚拟恐龙博物馆的交互方式很丰富，既有UI交互，也有物体交互和场馆漫游等交互功能。比如有位学生说：“在这个场馆中行动很自如，想去哪里只需要按手柄上的相关按钮就可以。我还可以捡起草地上的恐龙骨头观看，这个设计很好。”

沉浸性方面  在沉浸性方面，师生认为该恐龙博物馆的场景搭建较為逼真，给参观者带来较强的沉浸感。张同学说：“场馆里的恐龙太真实了，给我一种身临其境的感觉。恐龙在那里走动的时候，我都不敢靠得太近。”

多感知性方面  在VR恐龙博物馆中，师生除了视觉感知外，还可以感受到听觉感知和运动感知。师生认为VR馆中的语音介绍功能很便捷，将手柄发出的射线指向自己想要了解的恐龙后，就可以听到语音讲解。一位体验过的学生说：“语音讲解这个功能很赞，配合恐龙介绍牌可以让我更好地了解关于恐龙的科普知识。”

参考文献

[1]李悦.博物馆社会教育的重要性[J].才智，2019（34）：240.

[2]魏威.恐龙时代[M].北京：中国建材工业出版社，1998.

[3]王玉兰.博物馆的社会教育作用探析[J].文物鉴定与鉴赏，2020（1）：136-137.

[4]徐媛.浅谈博物馆社会教育工作的开展[J].文物鉴定与鉴赏，2019（18）：132-133.

[5]韩成.浅谈博物馆中的社会教育对青少年的影响[J].课程教育研究，2019（47）：185.

[6]“群龙出没——恐龙时代大穿越”展览在广东省博物馆开幕[M]//中国博物馆协会.2019年中国博物馆文集汇编（下）.2019：2.

[7]卡皮坦尼.澳大利亚堪培拉国家恐龙博物馆的互动教育[M]//中国自然科学博物馆协会.“一带一路”科普场馆发展国际研讨会论文集.2017：8.

[8]让后浪聆听侏罗纪的回响：自贡恐龙博物馆线上直播活动圆满结束[EB/OL].（2020-09-03）[2020-09-12].https：//3g.163.com/local/article/FLKKF59T04269B3J.html.

[9]于丽娜，董连元.浅谈“互联网+”模式下的虚拟博物馆建设[J].地产，2019（20）：22.