數字博物館的沉浸性研究1

文/張蘇卉（上海大學 數碼藝術學院）

沉浸性是虛擬現實技術的主要特征，指人沉浸在計算機創造的仿真世界中，產生一種仿若身臨其境的真實體驗。在數字博物館中，沉浸性的產生主要依賴于功能性和審美性兩方面，運用虛擬現實技術能夠營造多感官的體驗、高效逼真的虛擬場景、身臨其境的空間體驗和逼真的細節紋理等，參觀者能夠在數字博物館中虛擬漫游、與文物互動，模擬現實中的參觀行為，從而產生強烈的沉浸感，并獲得更深刻的參觀體驗。同時，通過審美的形式營造與主題相適的氛圍，能夠使人產生情境交融的沉浸體驗。多元的展示形式、高效逼真的建模、真實的空間感與質感設計、契合情境的光效與音效設計都是對數字博物館沉浸性的產生有所裨益的手段。

一、多元的展示形式：營造多感官的體驗

一個賦有吸引力的數字博物館需要通過豐富的多媒體形式，給人帶來視覺和聽覺，甚至觸覺等多重感官的體驗，僅僅平面的圖形文字這些傳統網站的主要形式在如今網絡的視聽盛宴中難以引人入勝，而結合聲音、視頻、動畫、漫游等多媒體的形式，則會充分調動人們的多重感官，使人產生身臨其境，甚至超越現實的逼真感，全身心地沉浸到虛擬的場景中。這種沉浸與交互式的體驗被證明有多重的作用。能夠提升人掌握知識的自主性，數字博物館的參觀者不是作為被動的信息接受者，而是作為主動的參與者投身其中的。參觀者可通過各種輸入設備在場景中漫游，并且對虛擬現實系統進行交互操控，在此過程中，抽象復雜的概念得以形象化詮釋，學習知識的效率得以提高，也有利于數字博物館的文化傳播、教學科研、知識普及等方面價值的體現。

通常，圖片是數字博物館的基本展示形式，數字博物館應以高質量的圖片配上詳細的文字說明，并能通過豐富的超鏈接與其它多媒體形式關聯。除此之外，具有三維立體感和較強交互性的全景圖是增強沉浸性的重要展示形式，參觀者可通過鼠標、鍵盤等自主選擇觀看的視角和位置，全方位地觀看虛擬場景與文物展品，多角度觀察展品細節，模擬現實中的參觀行為。同時，通過Java特效，還可賦予圖片加光照、變換背景、放大鏡等個性化操作，享受個性化的服務和體驗特殊的視覺效果。

除了圖片外，文字、解說與圖解也是數字博物館的重要展示形式，在觀看數字博物館的圖片時，應配以詳盡的說明文字，以幫助人們更好地了解展品信息，這就避免了泛泛地觀看，為沉浸式瀏覽創造條件。聲音解說在某種程度上比文字更有主動性，能夠將信息即時、有效地傳遞給參觀者。虛擬場景中參觀者閱讀說明文字的效率比在現實中要低，且閱讀時會干擾在虛擬場景中漫游體驗的連貫性，從而制約沉浸感的產生，而聲音可以自然地傳遞信息，使參觀者在虛擬漫游時自然而然地接收更多的信息。除了語音解說外，如設置虛擬人物解說則會有更好的收效。同時，結合與主題、欄目相適的背景音樂，能夠強化參觀者對知識及內涵的理解。而視頻、FLASH動畫、三維動畫等形式能夠直觀、有效地展現學科的歷史、專業的知識、文物的背景等，有助于提升人們參觀數字博物館時的興趣、注意力和理解力。數字博物館兼容了聲響（Sound）、語言（Language）、文字（Word）、圖形（Graphic）、圖像(Image)等符號的網絡信息交流平臺給數字博物館的受眾帶來層次豐富的聲響與音效效果以及動感的圖像和視覺效果，尤其在模擬現實和制造虛擬空間方面效果非凡，同時具有信息高速及時傳播和迅速與受眾溝通并獲取反饋的特點。1許鵬等，新媒體藝術論，北京：高等教育出版社2006年版，P153-156.

圖、文、聲、視頻、動畫等多媒體形式能帶給人多感官的體驗，但在交互性上存在不足，一個具有高度沉浸性的數字博物館還需包含虛擬漫游，加上數據頭盔、數據手套等輔助設備的運用，使人們獲得更為真實的身臨其境之感。參觀者可以通過自身動作控制虛擬場景和文物展品，如數據手套可以提供力的反饋，產生觸摸感、重量感和握力感，被抓取的物體會相應移動，使這種參觀體驗更為逼真。實時變化的場景、交互操作的展品、360 度旋轉的觀察視角，使參觀者進入虛擬的空間，操控、觀察展品，極大增強了數字博物館的沉浸性。

這些豐富的多媒體形式不僅可以直接展示具體的場館建筑、文物藏品，也可詮釋具體的概念、描述某種現象與過程，同時還能將抽象的邏輯推理以直觀、動態、形象的方式呈現。這些信息除了按照傳統的主題進行分類之外，還可借助超媒體的鏈接方式將不同知識點之間組織成非線性的網狀結構，進行多層面、多視角、多方位的剪輯，把思想語言轉換成屏幕語言，從而使得人們能夠按照大腦的聯想思維方式把相關信息聯系在一起，使跳躍式獲取信息成為可能，并給人留下生動、形象、豐富和具有啟迪性的交互感受。2董少春、徐士進等，大學數字博物館在高校基礎教學中的應用，中國大學教學2009年第10 期，P36-37.這些多媒體形式能夠使專業的知識一目了然，也增強數字博物館寓教于樂的功能，觀眾在虛擬漫游、交互操作的過程中能夠對博物館文化和知識產生濃厚的興趣，也提高知識接收的效率。

二、高效逼真的建模

影像的真實性是數字博物館沉浸性的制約因素，沉浸性的實現首先需要逼真的三維模型。由于博物館中多數展品紋理細致、構造復雜，簡單的幾何建模難以表現細節的豐富性，而復雜的幾何建模雖可逼真再現文物展品，但建模時費時費力，且由于數據量大以及計算機性能的制約等，又會限制實時繪制效率和速度，影響使用效果，沒有流暢連貫的畫面也會制約沉浸性的產生。因而采用高效逼真的建模是更合理的方式，即在模型的逼真和繪制速度方面取一個折衷值，在提供逼真畫面的同時，又保證系統的流暢性。

建模是構筑數字博物館場景及展品的主要方法，包括基于幾何圖形的建模和基于圖像的建模。就前者而言，通常采用3dmax、Maya 等三維建模軟件。模型包括高精度模型和低精度模型，高精度模型細節豐富、邊角平滑，但面數過多使文件增大而運行速度減慢。低精度模型精度較低，但可以通過貼圖來達到逼真的效果，具有文件小的優勢。建模時可按主次建筑依次采取高精度建模和低精細建模的方式，在保證效果的同時降低場景實時渲染的復雜度。同時，還需進行建筑模型面數優化，以提高運行速度。基于圖像的建模是以真實照片來建構虛擬場景和展品的技術，它不依賴于幾何模型，而是利用拍照所獲圖像生成全景圖，因而其繪制速度與場景復雜度無關，從而擺脫了基于圖形的建模方式在復雜度、真實感和運行速度等方面的矛盾，為實時生成逼真、復雜的虛擬場景和展品提供了可能性。同時，它還具有對計算機要求較低、數據量小等特點。盡管如此，基于圖像的建模技術也有著自身的局限性，由于這種模型僅具有視覺上的三維立體感，而不具有真實的三維形體，因而，交互性不強。

實踐證明，利用基于幾何圖形的建模技術與基于圖像的建模技術結合，能有效解決數字博物館建模中的復雜度、真實感和運行速度之間的矛盾。以簡單的三維幾何形體建構場景及展品的模型，使之具有交互性，同時，利用多角度拍攝的照片對模型進行貼圖，并進行紋理凹凸、光學效果、色彩等加工處理，得到模型簡單、造型逼真、細節細膩、渲染快速的建筑及文物展品模型，既能保證真實感，同時，又使得交互性得到增強。逼真的虛擬場景及可交互的文物展品能使人在參觀時獲得較為強烈的沉浸感。

三、真實的空間感與質感設計

對于數字博物館的虛擬場景及文物展品而言，良好的空間組織和質感設計也是使得虛擬現實系統更為真實可信的設計創意手法，會對沉浸感的產生有所裨益。當人們在數字博物館漫游時，逼真的空間感和質感設計能夠使人獲得一種身臨其境的空間體驗和細致入微的真實感受。

1、身臨其境的空間體驗——空間感設計

圖1 上海博物館三維藏品

圖2 上海博物館3D 陶瓷館

虛擬現實系統能夠模擬現實中的參觀行為，參觀者可在虛擬場景中自由漫步，選擇觀賞的對象，感受整個虛擬場景的空間信息。借助數據頭盔、手套等還能產生更強的空間臨場感。良好的空間組織與設計會增強虛擬現實系統的空間感，使參觀者獲得較強的沉浸感。與人們在真實空間中的感受類似，在數字博物館中，一個一覽無余，缺乏變化和層次感的空間會令人索然無味。因而，有意識地將空間分為幾個部分，使之具有空間上的起承轉合和視覺的高差，會更具視覺的懸念，當參觀者在虛擬場景漫游時也能感受到空間的變化與層次感，產生類似于在真實空間中的行走體驗。就此而言，中國傳統空間設計的一些做法值得借鑒，如設置一些前景物體，像石柱、雕像、墻體等，以阻擋人們的視線，避免整個空間一覽無余，不僅會增加空間的層次和景深，也使人產生進一步探尋的興趣。

此外，參觀者在虛擬場景漫游時，常常會碰到一些墻體，一些較為低級的虛擬現實系統會出現視線穿墻而過的效果，這會使空間的真實度降低，也會降低參觀時的沉浸感。而運用碰撞檢測技術等，能夠防止虛擬漫游時穿墻而過之類不符合常理的情形出現，從而保證空間體驗的真實性。

2、逼真的細節——質感設計

文物展品的欣賞價值在于細節的展示，在實體博物館中，一些精美的文物展品觀眾可能難以靠近欣賞，而數字博物館的文物展品容許參觀者近距離和多角度觀看，此時，細節和質感的展示就顯得尤為重要。在一些數字博物館中，那些過分艷麗的色彩和夸張的紋理會帶給人一種不真實的感覺，從而降低沉浸感，而逼真的質感設計會帶給人細致入微的真實感受。上海博物館的三維藏品不僅具有交互性，且文物藏品的紋飾清晰、細節真實，滿足人們近距離觀看和深入了解藏品的需求。（圖1）

文物展品的構造大多細膩復雜，若要逼真表現文物的精細之感，采用幾何建模方式往往需要多達數十萬的面片，這樣的模型難以適應實時渲染的要求。因而，在幾何建模構建基本形體的基礎上，采用貼圖的方式，不用增加模型的復雜度就可表現更多細節，并且可經特殊處理表現凹凸、鏤空，以及金屬、陶瓷等不同材質的質感。因而，通過貼圖賦予文物展品細膩的紋理質感是更高效逼真的方式，能使文物展品不僅擁有三維立體感，還擁有逼真細致的紋理質感。此外，在制作一些精細模型時，在高分辨率拍照的基礎上對照片進行光色處理，然后通過全景環視技術生成文物展品的三維立體效果，同樣能夠呈現較為真實的質感。全景圖突破了普通照片在網上展示的局限性，可交互操控，觀眾看到的不再是由生硬的幾何模型、過分鮮艷的材質貼圖、機械的光影效果等組合成的三維動畫，而是由實地拍攝全景照片形成的球型環視場景，使人在三維互動瀏覽過程中體驗身臨其境的感覺。1白木等，全景攝影：制造影像新感覺，照相機，2003年第12 期，P60.

四、契合主題的光效與音效設計

光效設計是影響虛擬現實系統真實感的另一個重要因素，光能表示不同的環境和氣氛。光同時也具有色彩，因而光與色往往是結合在一起進行探討的。3Dmax、 Maya 等軟件可以模擬不同光源照射在物體上的受光效果，如陽光及不同的燈光，渲染引擎能夠實時呈現物體表面的顏色和亮度變化，產生真實自然的效果。金上京虛擬現實博物館展現的是一個光線暗，且明暗反差大的地下藏寶庫場景，它采用較暗的藍灰色調，在保持整體暗色調的同時又注重層次及陰影的表現，以豐富的層次來構成場景中的光線條件，營造出一種神秘的氛圍，與歷史久遠的地下宮殿主題相適應。上海博物館的3D 陶瓷館采用了暖灰色調，營造了一種博物館的文化感和歷史厚重感。（圖2）光與色的結合能夠使影像產生不同的情緒，暖色往往給人溫暖和親切感、冷色一般給人疏離感和理性感，不同的色彩還能與文化、觀念、情緒等建立某種對應。這都是在數字博物館中可加以充分利用的設計元素，以烘托場景氣氛，從環境氛圍的角度助益于沉浸性的實現。數字博物館可根據不同的定位，有針對性地采用與屬性相關的光效設計，更好地營造與主題相適的氛圍與意境。

聽覺是僅次于視覺的感知途徑，通常與視覺形成一個整體性的聯覺。它向參觀者提供的輔助信息，可增強視覺的感知，一定程度上可彌補視覺效果的不足，使虛擬現實系統的真實度增強，也有助于沉浸性的產生。音效設計在數字博物館中對于沉浸性的作用體現為以下幾點：

1、契合現實情境，營造環境感

在現實中，人們常常會有如此的體驗，很多情緒、感受通過聲音瞬間激發，可以是一個遙遠的回憶，某種心境，或某種環境氛圍，從而產生一種畫面感，這就是一種心理學上所謂的視聽“聯覺效應”。“聯覺出現在各種不同的感覺中，其中最常見的是視聽聯覺，即在聲音刺激作用下，主體產生視覺形象。”[ 姚國強等，審美空間延伸與拓展——電影聲音藝術理論，P134]虛擬現實系統模擬的是不同的場景，除了虛擬場館外，還有一些復原圖、遺址、古代都城等現實中不存在的場景，這些不同的環境存在各自的聲音特性。數字博物館可通過背景音效、語音等為參觀者提供與現實情境相符的聽覺信息，以營造真實的環境感和臨場感。如西安建筑科技大學建筑數字博物館在中國民居、館藏文物、古代都城、文物建筑等欄目下，設置了與內容契合的背景音效，古箏、笛子、二胡等傳統民樂，將人帶入一種古典建筑的氛圍中，適當的背景音效使人獲得良好的沉浸感。

數字博物館應根據不同的主題類別，如地球科學類、生物類、人文類、科學技術類，以及不同的欄目，設置與主題相適的背景音效，有助于參觀者融入其所營造的意境氛圍中。合適的音效設計會使聲音與畫面相得益彰，合情合理，使參觀者沉浸其中。反之，一個與環境不契合的聲音會令參觀者無所適從，降低沉浸感。

2、營造空間感

合適的音效設計還有助于空間感的營造。聲音是人辨別方位的重要因素之一，人耳通過聲源到達兩耳的時間差來辨別聲源的方位。“聲音的空間感是指人耳對聲源所處立體空間的感覺。”[ 姚國強，影視錄音——聲音創作與技術制作，北京廣播學院出版社2002年版，P108]參觀者在場景中漫游時，所聽到的聲音也相應的發生變化，而虛擬人物由遠到近，聲音也會由小到大，反之亦然。數字博物館的音效設計如充分考慮到聲音的變化，能有助于營造真實的空間感和環境感，使虛擬現實系統更為真實可信，使參觀者產生情境交融的沉浸感。

3、提高藝術表現力

虛擬現實技術往往是和虛擬現實藝術的稱謂結合在一起的。在提高藝術表現力上，音效設計功不可沒，聲音雖不具有造型藝術的直觀性，但音效與其他藝術手段相結合，能營造不同的心境和意境，民族的音樂能營造一種地域感，歡快的音樂給人運動感，舒緩的聲音能營造一種輕松感，低沉的聲音能營造一種神秘的氛圍，空靈的聲音能營造一種科技感，回音能營造開闊的空間感。當然，這樣一種分類并非十分精確，而是需要在具體設計的時候結合具體的情境不斷加以嘗試。北京08 數字博物館的首頁音效采用了動感十足的音樂，給人運動感與活力，與奧林匹克運動的精神相符。從現實的使用效果來看，音效設計在數字博物館中對于沉浸性有較強的激發作用。音效設計本身是一門綜合藝術，一個沉浸性強的虛擬現實系統，音效與畫面應該是和諧統一、相得益彰的整體，兩者的契合使虛擬現實系統更具魅力和吸引力。

結語

一個成功的數字博物館，應該充分開發沉浸性強的虛擬現實系統。結合多元的展示形式、高效逼真的建模，真實的空間感與質感設計，契合主題的光效與音效設計等，能夠使數字博物館以多感官的體驗、逼真的虛擬場景、真實感強的展品及與主題相適的聲光色環境等，給人身臨其境之感，引發參觀者人們在虛擬的展廳中參觀體驗和不斷探尋，并產生強烈的沉浸感，使其獲得更深刻的觀看體驗和更深入的理解。

[1]許鵬等.新媒體藝術論.北京：高等教育出版社.2006.

[2]董少春、徐士進等.大學數字博物館在高校基礎教學中的應用.中國大學教學.2009.

[3]白木等.全景攝影：制造影像新感覺.照相機.2003.

[4]姚國強等.審美空間延伸與拓展——電影聲音藝術理論.北京廣播學院出版社.2002.