基于VR技术的博物馆展览展示研究＊

侯利霞，王红波

（南昌工学院，江西 南昌 330108）

当前，国内外很多知名博物馆将VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术与展品结合，以增强参观者的互动体验感，从而激发观众学习兴趣。虚拟现实、增强现实技术特有的交互性、沉浸感特征，改变了传统博物馆单一的展陈方式，促使博物馆展陈手段与方式的变革，展示方式开始从“以物为中心”转向“以人为中心”，从而能更好地提升公众的参观体验，实现信息接收与传递的双向交流[1]。

国内VR博物馆技术的研究大多聚焦于数字展示的理论研究，而缺乏数字博物馆实际应用技术的总结归纳。因此，本研究在项目实践基础上，通过整理与分析VR博物馆的实证研究成果，对VR技术在博物馆展览展示的研究进行梳理，详细总结VR数字博物馆开发流程、技术、经验。

1 VR技术概念

虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验[2]。

虚拟现实技术的沉浸性、交互性、多感知性、构想性等特征，给各产业提供了新的可能，虚拟现实技术在医学、军事航天、室内设计、文物古迹保护等领域都有广泛的应用，它不仅改变人们生活的方方面面，同时通过“VR+”也预告新世纪各个产业的革新。

基于VR技术的博物馆展览展示分为三维虚拟展厅和展品展示。三维虚拟展厅是以现实中博物馆场景为素材进行虚拟建模。通过手柄、鼠标等输入设备，以第一人称视角浏览、漫游。包含预定路线导览模式和自由浏览模式，让不在现场的用户体验到类似于身处场馆内浏览的参观感受。

VR+展品以展品为展览展示对象，针对不同展馆、展品的文化特征、工艺特性、价值属性等内容进行设计，从传播和教育出发，以游戏和娱乐作为手段，以VR交互技术为载体，进行三维模型制作、动画制作、植入声音等。相对于传统的静态展示，VR+展品展示可以将文物旋转、切分、拆卸、放大或缩小，可以展示模型的内部结构、工作原理等，有助于观众对模型进行多角度的观察和了解，有很好的可视化效果。

2 VR技术在博物馆中的应用

目前己有较多研究者通过实证研究，从理论上探索了VR技术在博物馆展览中的应用。王硕等[3]从传统博物馆时空特点分析，指出VR技术拓展了博物馆空间多维性、延伸性和融合性，能较好地解决博物馆展品设计缺乏互动性和趣味性的问题。王秀丽[4]指出VR技术引发从“呈现文化”向“模仿文化”、从“静态展台”到“交互观展”、从“人在馆中”到“人馆分离”的传播场域，从而改进了传统博物馆固有的参观方式和展览条件。

苏怡[5]结合故宫博物院近年来VR技术应用研究实践，从保护实体建筑环境、扩展展陈空间、丰富参观体验、完善观众服务等方面探讨如何利用“虚拟”技术拓展博物馆“实体”空间。吕屏等[6]以虚拟现实理论为基础，归纳分析国内外的虚拟博物馆展示中交互设计的特征与原则，探索出新颖的、符合用户体验的沉浸式虚拟博物馆展示中的交互设计。

将VR技术应用于博物馆不仅在理论上发展迅速，而且也有很多引人注目的建设项目值得推广。例如：①模仿现实世界中已经存在的环境的虚拟漫游多点互动项目，包括对馆藏文物的虚拟展示、实体展厅的网络在线展示。2016年四川省文物考古研究院虚拟考古体验馆将广元窑遗址搬进VR设备，观众利用头显设备可进入考古发掘现场，烟道、窑前室火门、火膛、窑床……这些区域都以真实再现的方式呈现在公众眼前。②构建现实中不存在的、由人主观构造的环境。博物馆虚拟的古代遗址复原展示很大程度上是根据历史遗迹和文史资料等片段信息构成，既有真实存在的，又有虚构的。2018世界VR产业大会“神奇海昏”展馆，该展馆由南昌汉代海昏侯国遗址管理局精心打造，运用VR、AR等现代科技，展现海昏侯国灿烂的历史文化。

通过对现有文献资料整理和建设项目分析，VR+博物馆方式突破传统陈列式展示模式的时空维度限制，让人们快速地接受并主动认识、记忆展览所要传达的情感和知识，弥补了传统博物馆展示对观众情感的忽视，使个人情感在交互式的多感官沉浸式体验中得到了满足和关注。

3 中国工艺美术大师虚拟现实博物馆开发

中国工艺美术大师博物馆位于南昌市南昌工学院，是中国迄今唯一一座为532位由政府评定的中国工艺美术大师专门建造的博物馆。

3.1 博物馆展览展示虚拟现实结构功能设计

虚拟博物馆在远程终端是以网站形式呈现的，其结构功能设计主要包括页面设计、导航模块、虚拟展厅、虚拟展品等模块设计与开发。

导航模块：在进入中国工艺美术大师虚拟现实博物馆之前，会进入导航部分，指导用户选择进入不同的展馆区域（序厅、陶瓷工艺展馆、漆器工艺展馆），用户可以使用VR手柄进行控制。

虚拟展厅：中国工艺美术大师虚拟现实博物虚拟展厅依据现实场景进行数字化建模，展示博物馆的内部主体建筑样貌。

虚拟展品：依据现实博物馆的展品进行模型制作，用户可以从各个方位观看展品的每处细节。

3.2 博物馆展览展示虚拟现实系统构架

数字博物馆项目系统的实现需要硬件系统和软件开发2个部分。硬件设备主要是高性能计算机和虚拟现实VR头部显示设备，软件部分包含UI交互设计、模型制作、程序开发。

硬件：高性能计算机、连接PC机/游戏机使用的VR头盔，如HTC Vive、Oculus Rift。HTC Vive可以在15 in×15 in（1 in≈2.54 cm）的范围追踪用户的物理位置，被称为“真正可以走动的VR”。开发过程中可以使用键鼠进行模拟，使用的开发包包括Steam VR1.2.3 SDK、VRTK SDK、Dotween Pro插件。Steam VR SDK为驱动HTC VIVE硬件设备的关键开发包，需要搭配Steam VR软件一起使用。Oculus Rift是消费级头盔，产品包含显示器主题和2款游戏。

软件：UI设计分为交互设计、用户研究、界面设计3个部分。在整个博物馆空间展示的过程中，模拟鼠标手势可以点击的按钮和链接应该从鼠标手势变为手形。使用矢量图形软件Illustrator，此软件主要负责界面图标的设计，可以管理非常复杂的图形布局。Photoshop位图软件专门从事图像处理，功能全面，可填充界面文本、图标和图形等内容。

建模：模型制作包含场景和展品单体。美术建模使用3Dmax创建中、低模，zbrush雕刻高模，TopoGun 2拓扑模型，Unfold3D分UV，Substance Painter绘制纹理贴图。复杂模型使用照片建模方法，首先测量工艺美术大师博物馆展厅、展品实际尺寸；然后利用单反相机对展厅外观、贴图、展品进行360°照片采集，再利用手持扫描仪扫描展品（小型）；最后将采集的照片在PhotoScan软件生成三维点云数据，提取贴图和法线贴图。

程序开发：程序开发使用Unity3d，引擎包含在Unity3d集成平台，用C#语言编写的引擎大量脚本，能够实现所需的交互功能。

3.3 博物馆展览展示虚拟现实开发流程

博物馆展览展示虚拟现实开发流程如图1所示。

图1 开发流程

4 博物馆展览展示系统技术实现

项目主要有浏览模式和VR模式。浏览模式主要是以更加详细地介绍博物馆的藏品为主，通过简洁的页面，向人们展示博物馆藏品的信息。VR模式则是力求通过用逼真的场景，让体验者感受到更真实的参观体验。

4.1 动态场景搭建

虚拟现实技术的目的是实现虚拟环境的构建，不仅是为了满足真实环境完全还原的需要，也是为了展示真实环境的动态性。动态建模首先需要获取真实空间环境中的各种信息，通常使用CAD技术获取局部环境信息，其余信息需要采用可视化技术，以保证动态环境中数据源的完整性。建模过程：CAD布局图导入3DsMax，样条线挤出创建墙体，搭建序厅，陶瓷工艺展馆，漆器工艺展馆，创建展柜；键入数据根据反馈形成计算机可视化3D虚拟模型，再利用虚拟现实技术创建与真实环境一致的虚拟视图；做好场景模型后，在Unity中进行调整，调整场景比例大小、藏品在场景中位置等等。场景搭建如图2所示。

图2 场景搭建

4.2 展品动画

UI的交互是通过美术提供的图片进行再次排版，按钮是赋予代码的逻辑。项目采用了大量位置移动互换的脚本以及大量的碰撞检测触发机制，触发物体使得位置变动，触发物体播放位置音乐，触发物体弹出UI，馆内物品靠近可以触发移动，用户可以直接拾取。作品实现了显示用户使用时间的功能，并伴有音乐。展品动画如图3所示。

图3 展品动画

4.3 立体声合成技术

在创建虚拟场景时，设计师利用声波传递的原理，即声音分离的错觉，这是由用户的两只耳朵从不同方向接收到的声音引起的，提升用户对周围声音的聆听体验，带立体声。通过该技术的合理应用，用户听到的声音与声音传播的实际方向无关，实现了虚拟场景环绕音频体验。

4.4 全局光照技术

全局光照有基于物理的光照渲染、基于光线追踪的全局光照、基于光照探针的全局光照原理。在基于物理的渲染中，使用粗糙度和平滑度来表示物体反射高光的大小。使用法线贴图来描述平面法线向量，PBR渲染严格遵循节能原则。换句话说，为了照亮一个片段，反射光束、折射光束和片段吸收的能量之和等于入射光束的能量。

基于烘焙贴图的全局光照可以实现静态物体的全局光照，实现了出色的图像质量和快速的运行能力，但无法实现动态物体的全局光照，光传感器的全局光照技术需要时间。与基于烘焙贴图的全局光照相比，探针可以以较小的处理压力解决动态物体的间接光照，从而实现全局光照[7]。

该场景使用大量区域灯光进行全局照明。用灯光填充场景，通过改变色调，调整场景的整体气氛。静态烘焙用于在视图中无法移动的对象，可以保留图像质量并减少计算机的负载。借助反射探头，补充环境的反射信息，通过反射将信息返回给物体，增加了环境的真实感。反射探针和光照探针搭配使用，设置调出合理的灯光氛围。场景灯光如图4所示。

图4 场景灯光

为了提高渲染效率，使用基于G-buffer的延迟渲染技术，有效降低运算光照所带来的计算机负载程度。每个光传感器通过球面谐波记录环境光中不同类型的反射光数据，并使用贴图存储环境光数据和镜面光数据。为了提高渲染对象的精度，在此基础上使用物理渲染（PBR）技术，以最终实现与渲染质量和效率兼容的光传感器模型。

本项目通过多次打磨，逐渐完善在VR体验中出现的问题，但仍存在以下需要完善的内容：①界面UI缺乏美观度，藏品目录UI设计需新一步完善；②可以使用Substance Painter工具绘制使材质更加真实，提高材质贴图质感；③研究高清渲染管线（HDRP）的使用，增强画面效果。

5 总结

本文在分析VR技术应用于博物馆展览展示相关文献资料及优秀开发项目基础上，结合中国工艺美术大师博物馆VR项目开发，实践了三维虚拟展厅和展品交互研究，营造人与环境合二为一的场景，使观众在这种沉浸感受之中充分发挥主观能动性，提高信息接收的频率，从而让观众获得知识并产生虚拟现实参与感。文章重点对VR项目开发过程进行了详细梳理与总结，可为同类型项目开发提供一定的经验和借鉴。