三維虛擬展示技術在高校博物館中的應用

祝嘉

摘 要：高校博物館的發展面臨著空間的制約問題，為了能夠更好地發揮高校博物館文化教育功能，必須緊跟時代步伐，利用虛擬技術借助網絡平臺，將博物館的藏品用全新的方式呈現給更多的觀眾。本文從高校博物館自身需求出發，探討了三維虛擬技術在高校博物館的應用，以及如何以高效、經濟的方式解決三維虛擬博物館建設中的技術問題。

關鍵詞：三維虛擬；高校博物館；關鍵技術

0 引言

我國的博物館擔負著弘揚中華文化的光榮使命，據不完全統計我國收藏于各類博物館的文物達千萬件，每年還有大量新出土的文物，要讓這些文化瑰寶呈現給廣大觀眾就對博物館的展示空間提出了新的要求。然而博物館的建設必然受到空間因素的制約，其展示空間也無法無限擴容，這就使得大量的珍貴文物常年沉睡于庫房無法與觀眾見面。近年來，我國的高校博物館事業蓬勃發展，就高校博物館的定位而言其服務對象主要是高校師生以及學科建設，從籌建之初就明確了自身的特色也區別于一般地方博物館。從選址就受到校園環境的制約，在展示空間上必然面臨著比地方博物館更大的空間限制。隨著計算機、網絡以及三維虛擬技術的發展，數字化博物館開始興起，這也為我國博物館的發展提供了新的平臺，高校博物館事業也迎來了新的發展契機。本文以蘇州大學博物館為例，簡析三維虛擬技術的實際應用。

1 三維虛擬博物館的展示類型

虛擬博物館又稱數字博物館，它通過數字化技術、現代通訊和網絡技術，將傳統實物博物館所擁有的職能通過數字化的形式在網絡上再現。[1]早在20世紀末，西方許多知名的博物館就開始建設自己的博物館網站、建立數字化的藏品數據庫，并開始嘗試利用虛擬技術實現博物館的虛擬化。近些年，我國的互聯網事業迅猛發展，帶動了以互聯網為平臺的相關技術的發展。其中，虛擬技術也在此次浪潮中有了突破，使得原本存在于實驗室的高端技術可以親民的走入日常生活中。

目前，我國的三維虛擬博物館大體分如下幾種類型：

第一類：360°實景全景技術，利用360°實景拍照實現全景呈現。利用此技術的有：國家博物館、中國美術館、陜西歷史博物館等。此技術主要是通過專業相機來拍攝整個場景，使用軟件進行合成即把二維空間模擬成三維空間呈現出來。這類技術具有真實感強、制作周期短、文件數據小等優勢，為我國大多數虛擬博物館所采用的技術形式。實現已有場館的虛擬化具有較高的應用價值，但同時也存在一些不足。當前，我國博物館遇到的較為突出的問題是展陳空間不足，此類技術是已有展廳的虛擬化解決方案，但對展陳空間不足的問題并不適用，不能拓展展示空間。

第二類：全三維虛擬技術，此類技術通過全三維建模的方式呈現展廳。這類技術最為經典的案例就是故宮博物院和IBM公司合作打造的超越時空的紫禁城項目。這是中國首次使用全3D的形式對文化景點進行虛擬展示，在我國全3D虛擬技術發展上具有里程碑式的意義。這類技術滿足了博物館對空間拓展的需求，能夠創造性地在互聯網上呈現出所需的展示空間，不再受到實體場館的空間制約。這類技術在虛擬展陳的空間、形式上獨具優勢，但由于場景全部由3D建模生成所以整個場景的精細程度都由3D建模的技術決定，對于展品來說也存在失真的可能性。展示精度和所耗費的人力和時間成正比，所以此類技術在人力和時間上要遠大于360°實景虛擬技術。

第三類：3D與2D技術相結合。這種3D與2D相結合是一種綜合性的技術手段，以三維虛擬的展廳空間為載體，展品和文字以2D的方式呈現，這種技術在盧浮宮網上博物館、網上上海世博會等網上場景已有成功的運用。此方式是較為先進的虛擬展示解決方案，一方面解決了對展示空間的需求，另一方面不因人為因素影響展品的真實性。但這類技術涉及的技術手段較為全面、綜合，對制作的要求較高。

作為高校博物館應根據實際需求，確定博物館虛擬化的具體解決方案。以蘇州大學博物館為例，因館內展陳空間的限制，許多展品無法呈現，所以可以首選拓展展示空間的技術手段。《東吳碑廊》展廳，碑刻作品多以大理石、漢白玉等石材雕刻而成，其體積大、質量大，對場館的空間、場地的硬度都有較高的要求，目前場館內只能展出少量的碑刻作品（圖1）。然而碑刻作品在陳列中需要配合拓片進行展出，這樣的需求就符合了虛擬化方案中3D與2D相結合的方式進行展出。

2 三維虛擬實現的關鍵技術

建設三維虛擬博物館通常要耗費較高的成本，但對于高校博物館而言建設虛擬博物館的意義又不言而喻，這就需要根據實際需求找到最適合的解決方案。解決方案的確定是虛擬博物館建設的第一步，在人力、經費有限的情況下想要經濟高效地推出三維虛擬館就需要解決一些關鍵技術上的難題。下面根據蘇州大學博物館《東吳碑廊》虛擬館的建設對三維虛擬實現的關鍵技術進行分析。

2.1 目標確立及資料準備

確定場館所要展示的內容，確定展品的數量。根據展品準備說明文字及圖片。在《東吳碑廊》虛擬展廳的準備階段需要準備碑刻作品的正面清晰圖片、拓片高清掃描圖片以及每塊碑刻的說明文字。

2.2 虛擬場景的結構分析

結合展品的特色對虛擬場景進行細致的規劃。一方面，對展陳的流線進行規劃；另一方面，對虛擬展廳人機互動的場景進行規劃。在流線設計方面可根據展品的自身特色來確定，在《東吳碑廊》虛擬展廳中根據碑刻作品的年代進行分類，分為宋、元、明、清以及民國五個版塊，在制作中保證沿著流線參觀展品的時間線是正向延續的。在人機互動的場景設置上區別于實景布展，在虛擬場景中所要實現的功能、觀眾的行走方式、互動方式都需要進行規劃。首先在功能上明確需求，《東吳碑廊》虛擬展廳中需要滿足觀看碑刻原物，可以通過點擊欣賞拓片作品的清晰圖片，需要有背景音樂并且能夠自主開關，能夠迅速地返回起始點，可查閱的操作說明等功能，明確了展陳流線和交互功能后才能開始制作。

2.3 虛擬博物館的三維模型繪制

三維模型繪制是虛擬博物館建設的關鍵，模型制作的好壞直接影響虛擬場館的真實性和用戶體驗，繪制虛擬場館前要明確制作流程：

第一，建立坐標系統：確立場館的坐標系，場館的實際長、寬、高。

第二，建立模型：在制作建筑以及復雜的空間形式時需要運用CAD分別繪制平面、立面和頂面，繪制完成后導入3DMAX進行放樣生成三維模型。在此過程中需要符合網上漫游的特點，控制模型的面片總數，刪除不必要的廢線、廢面，場景中呈現的面需要保證光滑無破面，降低模型對計算機內存、顯存的需求。建模過程中適時調整視口，觀察模型是否平滑。針對《東吳碑廊》虛擬展廳中的碑刻及拓片的模型需要嚴格按照實物的尺寸制作。

第三，模型貼圖：制作貼圖是虛擬展廳呈現的重要步驟，貼圖質量直接影響虛擬場館的觀賞程度。所以3D貼圖之前需要將每一張圖片在PHOTOSHOP中進行編輯，針對展品貼圖需要確定圖片縱橫比與原物一致，避免失真。在3D場景中貼圖選擇合適的貼圖坐標和投射到物體表面的參數，使用快速渲染及時查看效果并進行相應調整。

第四，燈光設置：在3DMAX中燈光分為泛光燈、目標點光源以及面光源。泛光燈和面光源多作為環境光源，可以烘托場館氣氛，目標點光源常作為聚光燈照射展品。根據場館的實際調整光源的反射、折射及陰影參數提高虛擬場館的真實性。精致的光源設置有助于提高展品的觀感，增加展廳的氛圍。

第五，渲染、烘焙：當3D模型完成了以上步驟確認無誤后才能開始渲染工作，場景渲染的效果即為虛擬博物館網上呈現的效果，所以渲染質量直接影響到場館的真實性。渲染是在建模過程中耗時最長的工作，所以在正式渲染前需要渲染小樣進行調整，當各參數調整完成后便可以進行正式的渲染。烘焙是三維虛擬館重要的技術步驟，需要將渲染好的場景表面的光影效果以TGA的格式存入文件。只有完成了烘焙的3D文件才能在后續的制作中保持渲染出的光影效果。

2.4 虛擬展示的實現

目前，基于Web3D技術已經可以實現通過瀏覽器進行跨平臺的三維在線體驗。在此技術上，Unity3D平臺的出現為虛擬實現視覺化的編輯提供了便利。隨著我國虛擬技術的發展出現了許多基于Unity3D自主研發的VR編輯平臺，這也為低成本地實現虛擬技術提供了可能。

三維虛擬博物館的最終實現必須依靠基于Web3D技術的后期開發，有了基于Web3D的交互功能，虛擬博物館不再是實體館的簡單復制而是賦予了虛擬館全新的感官體驗。《東吳碑廊》虛擬展廳實現流暢的網上漫游需要解決如下技術節點：

第一，漫游場景優化：首先將3DMAX烘焙好的模型導入VR編輯平臺，檢查模型表面材質是否完整，模型是否出現遺失等。檢查場景內照明是否正常，可在編輯器中調整燈光。

第二，設置行走相機：在虛擬場館中觀眾通常以第一視角進行漫游，和參觀實體博物館不同的是這個視角是以行走相機拍攝的形式呈現的。相機的設置上需要綜合場館展品的展示高度、場館空間大小以及符合常規的實現角度，結合以上因素調整相機的高度、光圈。

第三，物理碰撞設置：虛擬博物館中所有的物體均是以3D模型的形式出現的，這與實體展廳有著較大的不同。實體展廳所有墻面、展品都是真實存在的，而虛擬館則都是虛擬的圖像，人在其中漫游時難免會觸及模型甚至穿過模型。這就需要對實體的墻和展品設置物理碰撞，從而達到和在實體場館中相似的游覽體驗。

第四，人機交互設計：人機交互設計是虛擬博物館的核心。實現人機交互必須滿足三個基本要素：操作者、機器和人機接口。虛擬博物館的實際使用中操作者即為觀眾，機器為終端電腦，人機接口通常只考慮鍵盤和鼠標。對于高校博物館來說，在交互設計前需要結合實際整理使用需求，不可過于追求新意、動態，減少對內存和服務器的載荷，保證核心功能的使用。《東吳碑廊》虛擬展廳的交互設計中只保留了拓片欣賞、背景音樂等基本的需求，并且在交互設計中使用2D與3D結合的方式。這樣既可以滿足觀眾欣賞高清圖片的需求又可以降低制作和運行成本（圖2、圖3）。

虛擬博物館利用以上的關鍵技術最終生成網絡發布文件即可實現常規博物館許多無法實現的功能，在高校博物館中具有較高的推廣意義。從關鍵技術的難度上看，這是一項綜合的工程只需要對其進行技術分解，就可以降低其技術難度。

3 展望三維虛擬技術在高校博物館的應用前景

在高校博物館建設蓬勃發展之際，需要明確博物館的服務對象與核心功能，根據自身特色有針對性地建設三維虛擬博物館。在啟動三維虛擬博物館項目前做好充分的調研和準備，做好人員的技術培訓，避免因為技術或其他因素導致項目擱置造成不必要的浪費。在項目啟動后應結合虛擬館的展示規模做好技術拆分，分解技術難度，從而降低制作成本，實現低成本運作，在經費、人力有限的情況下在高校博物館中推廣。

隨著虛擬技術的發展，相關衍生技術也隨之興起，作為文化教育事業重地的高等學府更應借助虛擬技術的發展推動教育的發展，更好地服務社會！

參考文獻：

[1]冼楓.虛擬博物館[J].裝飾，2007（9）.