高校虚拟美术馆的设计与实现

向文欣

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628017）

1 概 述

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality)，简称VR，又被称为灵境技术或幻真技术。它是20世纪发展起来的一项高新技术。它结合计算机、电子信息、仿真技术于一体，利用计算机三维软件制作出一种模拟真实世界的虚拟环境，通过引擎软件将虚拟与现实有效结合，使用VR设备实现交互，使用户实现沉浸式体验[1]。

1.2 研究背景

我国虚拟现实产业正在高速发展中，VR技术作为近年发展突飞猛进的新兴产业之一，拥有着庞大的潜在应用领域及巨大的市场前景。VR已广泛地应用于教育、地产、工业仿真、医疗、旅游、电力、消防、军事等各行各业中。

随着人们生活水平的不断提高，人们更加注重对精神文化的追求。美术馆、博物馆、纪念馆等已经成为人们生活、旅游、访问、学习的热点。这些展馆对提高人们的艺术欣赏，丰富人民文化生活，促进人类文明进步等发挥越来越重要的作用。但是，一方面由于地域分散、出行费用昂贵，造成很多人不能在世界各地的各种展厅参观游玩。另一方面，由于缺乏资金、场地、人手等不利因素，导致实体展馆难以建设。

四川信息职业技术学院是一所信息类工科院校，数字化、信息化是学校的办学特色，但是在校园文化建设上人文艺术氛围不够浓郁。由于受经费、地理位置等因素限制，学院一直没能建立一座美术馆。虽然师生的作品也在学校的官网上展示，但主要是图片和文字介绍，不能让访客有身临其境的真实感，大大降低了浏览者的兴趣。数字艺术系受办公教学场地限制，大量的师生艺术作品无法得当充分的展示和宣传。

综上所述，寻求一种新的展示方式已成为迫切需要。

1.3 虚拟美术馆产生的意义

首先，虚拟美术馆的建设为我校的师生、家长和其他访客提供了更加便捷，高效的游览方式，为推广我校师生的艺术作品提供了更加开放的展示平台。其次，虚拟美术馆的建设开创了新的对外展示宣传学院的途径和模式，进一步凸显学院的办学特色。再次，充分向社会展示了学校的教学特点和教学成果，促进了数字艺术系的快速发展和教师队伍的快速成长。最后，为学校下一步建设虚拟校史馆奠定了理论和技术基础。

2 三维技术在虚拟美术馆中的应用

2.1 虚拟美术馆概念设计

虚拟美术馆由于不受时间、空间的限制，使设计者能够更加灵活、便捷的在三维虚拟环境中操纵并摆放展出作品。同时可以及时、准确的调整设计方案和参观路线，最大化的提升用户体验和满意度[2]。

虚拟美术馆主要使用虚拟现实技术实现视觉上的仿真功能。通常以真实美术馆为蓝本，按照一定比例缩放建模，借助相关计算机软件实现数字化展示。但是，四川信息职业技术学院由于没有实体展馆为依托，无法通过1:1三维建模来建设虚拟展馆。需要收集大量资料、参考文献，了解国内外美术馆的发展历史、建筑特点、展览特点。经多次调研考察，项目组决定以成都文轩美术馆为参考模型，结合四川信息职业技术学院的特色，制定虚拟美术馆的设计方案，制作具有“川信特色”的虚拟展馆原型图。在美术馆里设置了几个典型的空间进行作品展示，包含了美术作品展示区、摄影作品展示区、雕塑展品区、新媒体艺术展示区、休息讨论区等几个区域。

2.2 虚拟美术馆三维设计制作

三维建模是指利用计算机系统描述一个物体空间形状的技术，具有可视化、多角度、超便捷的特点，在游戏美术、工业设计、虚拟仿真等诸多领域应用广泛。

（1）设计并绘制虚拟美术馆的CAD平面图。根据虚拟美术馆的设计方案，将美术馆进行合理分区，在CAD中绘制平面布局图，为后期三维场景的制作打下基础。

（2）建立和优化三维场景模型。将设计好的CAD平面布局图导入3ds Max 软件，在3Dmax中建立场景模型。模型是整个虚拟美术馆建立的基础，模型质量的优劣关系到整个虚拟系统的成败。模型和场景逼真精细，用户对真实环境的感知体验度高，但庞大的数据量往往导致计算机硬件无法承受，开发引擎无法流畅运行。所以，对三维模型的优化显得尤其重要。由于虚拟场景复杂烦琐，任何虚拟场景的三维模型建立，都涉及上千个多边形。一方面，在保证必需的模型质量情况下尽可能控制模型的数量。另一方面，可以将基于几何的三维对象建模技术与基于图像的建模技术有机结合，最大限度的发挥这两种技术的优点。在保证实时交互的前提下，给用户带来身临其境的沉浸感。

（3）建立其他物件模型。对在雕塑展品区和休息讨论区出现的其他物件进行三维模型的建立。

（4）给模型赋材质和贴图。对场景模型和物件模型赋予材质贴图。材质和贴图主要用于描述对象表面的物质状态，构造真实世界中自然物质表面的视觉表象。它可以增强模型的真实感和感染力。如果说，建模的好坏决定了物体的形状，材质和贴图则决定了物体的质感。

（5）渲染和烘焙。通过场景烘焙为虚拟场景增添表面光影关系，使其与真实物体相符合，增加虚拟美术馆的真实感和体验感。

（6）合并场景。将分开处理的场景模型进行合并。

（7）根据分区合理规划物件模型。在场景内合理规划和摆放物件模型，方便浏览和展示。

3 二维展品展陈方式

虚拟美术馆展览的作品主要分为书法、绘画、平面设计、摄影、雕塑等几类。雕塑作品通过三维建模的方式展示，但其他作品均为二维展品，其展示方式与三维作品不同。二维展品，我们主要使用拍摄照片的方式放入画框，并挂在墙上的展示方式。画框只需要创建样条，设置要显示为集合实体的对象的长度和宽度，然后将面皮模型添加到框架模型，再添加需要展示的照片，以贴图的方式放在面片模型之上即可[3]。

二维展品的拍摄使用现有的超高清影像设备即可完成。2016年，谷歌推出了10亿像素级的相机Art Camera。同时谷歌和莫瑞泰斯皇家美术馆最先合作，利用Art Camera扫描上千幅艺术画作，并将扫描后的数据传回Google的服务器上并制成10亿像素的图片保存和展出。目前，市面上用于拍摄超高清影像的设备很多，以佳能5D Mark IV(单机)为例，全手动操作，有效像素达3 040万，4K超高清视频。这些超高清影像设备完全能够满足虚拟美术馆的作品拍摄。

4 UE4在虚拟美术馆中的应用

4.1 UE4简介

UE（Unreal Engine）是目前世界最知名、授权最广的顶尖游戏引擎，占有全球商用游戏引擎80%的市场份额。UE4诞生于1998年，是美国Epic游戏公司研发的一款3A级次世代游戏引擎，采用PBR物理材质系统，实时渲染效果强大，成为开发者最喜爱的虚幻引擎之一。2020年5月13日虚幻引擎官方发布了虚幻5引擎。

4.2 导入模型

第一，在导入模型前先将世界坐标归零，确定物体的世界位置，导入后物体不会移位，和在3Dmax显示一样，通过相对位置一起移动和改变场景。

第二，需要注意比例单位的问题。3Dmax和UE4 引擎默认的比例单位不一样，3dmax 中是默认的比例单位是 1 米，而 UE4 里默认的单位是 1 厘米。所以，在 3dmax 导出为FBX 格式的时候先将单位调为厘米，再将模型导入 UE4 引擎中。

第三，避免将碰撞体一起导入UE4。物件模型导入UE4后，在UE4中添加碰撞体，可以避免贴合物体不紧密的碰撞体与邻近物体发生碰撞，或者是交叉，导致相邻的物体一起抖动。

4.3 设置物理碰撞

设置物理碰撞是虚拟现实系统中必不可少的内容，为了避免违反现实生活规律，避免用户在进行虚拟现实体验时，发生“穿透墙体”“穿透物体”等现象，我们必须设置物理碰撞。设置物理碰撞，还可以增强用户的真实体验感。在虚拟美术馆中，我们针对墙体、门床、隔板、雕塑等物件均添加了物理碰撞。

5 结语

我院三维虚拟美术馆的设计与研究能够为师生作品提供展示平台，改变展陈方式，开创了新的对外展示宣传学院的途径和模式。但受技术水平限制，还有很多不完善的地方，需要深入研究。进一步提高模型精度和完善场景细节，交互设计方面提高用户体验等。