虛擬恐龍博物館的設(shè)計與開發(fā)

黃柳 呂晨璟 燕雨 胡永斌

摘 ?要 隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越多地應(yīng)用到虛擬博物館的設(shè)計與開發(fā)中。分析恐龍博物館的教育價值，進(jìn)而分析恐龍博物館的相關(guān)研究，并以虛擬恐龍博物館為例，設(shè)計場館模塊，探討虛擬博物館應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，分析虛擬博物館的開發(fā)流程，通過試用評價分析虛擬恐龍博物館的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 博物館;虛擬恐龍博物館;虛擬現(xiàn)實;Unity 3D

中圖分類號：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）05-0033-04

1 恐龍博物館的教育價值

博物館具有較為豐富的館藏資源，在社會教育中有著較為重要的作用和價值。因此，要認(rèn)識到博物館的教育價值的重要性，充分發(fā)揮和完善博物館的教育功能，促進(jìn)博物館教育功能的全面升級，從而更好地實現(xiàn)博物館的教育價值[1]。

對于人類來說，恐龍是像謎一樣的生物，它們身上還有許多未解之謎，吸引著研究者去探索、研究、揭示謎底。對于科學(xué)家來說，研究恐龍的目的通常有兩個：一是可以服務(wù)地質(zhì)學(xué);二是可以服務(wù)生物學(xué)。從生物學(xué)方面來說，研究古生物可以幫助人們了解生物的進(jìn)化過程，從而更深入地了解地球生物發(fā)展的規(guī)律。從地質(zhì)學(xué)方面來說，古生物可以幫助人們正確地劃分地層，進(jìn)行地層對比和確定地層時代[2]。因此，恐龍無疑可以成為普及科學(xué)文化知識的載體，對青少年成長具有重要作用。

除了可以科普恐龍知識外，恐龍博物館還可以培養(yǎng)青少年的藝術(shù)修養(yǎng)，豐富其精神文化世界。通過參觀恐龍博物館，在教師和工作人員的指導(dǎo)下，學(xué)生可以通過互動來深入了解博物館所展現(xiàn)的歷史文化，借助在真實環(huán)境中再現(xiàn)的教科書中的生硬內(nèi)容，充分體會藝術(shù)所表達(dá)的魅力，從而提高藝術(shù)修養(yǎng)[3]。

作為社會教育的重要組成部分，博物館教育與學(xué)校教育既有差異又密切聯(lián)系[4]。博物館具有傳播科學(xué)文化知識、提高公民科學(xué)文化素養(yǎng)和思想道德素質(zhì)的重要作用，作為學(xué)校教育的補(bǔ)充和延伸，關(guān)系著青少年的教育。青少年作為重要的受教育群體，國家對其教育的不斷重視和對公益性公共文化事業(yè)的大力支持，使得博物館教育在青少年教育中的重要性日益凸顯，并以其獨(dú)特的教育內(nèi)容和通俗易懂的教育方式豐富了青少年的教育形式[5]。

2 虛擬恐龍博物館相關(guān)研究

近年來，由于新技術(shù)的出現(xiàn)及廣泛使用，恐龍博物館的展示模式也出現(xiàn)多種形式。

1）實景展館展示形式。澳大利亞堪培拉的國家恐龍博物館將自身定位為一個互動博物館，游玩者可以在館內(nèi)與不同的恐龍模型和史前化石材料進(jìn)行互動，觸摸館內(nèi)的模型、化石、巖石，或者與擁有特殊恐龍造型的垃圾箱進(jìn)行合照。館內(nèi)開設(shè)了多種與恐龍知識相關(guān)的游戲，寓教于樂，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)恐龍知識和史前歷史。為了實現(xiàn)對幼童的教育，該博物館會定期舉辦公共教育和校園參觀，但能夠參與的人數(shù)有限。同時，位于堪培拉市中心的國家恐龍博物館也無法輻射影響到周邊的城郊地區(qū)，所以實景展館展示形式帶有一定的局限性[6]。

2）APP系統(tǒng)展示形式。廣東省博物館與自貢恐龍博物館共同協(xié)辦的“群龍出沒——恐龍時代大穿越”展出中，除了陳設(shè)大量的恐龍化石文物展品外，還有新研發(fā)的智慧導(dǎo)覽系統(tǒng)，利用手機(jī)APP、導(dǎo)覽機(jī)、講解筆三者結(jié)合對博物館展品進(jìn)行講解。在手機(jī)APP中，除了可以看到展館的概況，還能夠通過圖片與聲音了解相關(guān)內(nèi)容。針對不同的人群，該APP還具有不同的功能，如針對操作不便人群的藍(lán)牙感應(yīng)和針對老年人的智能講解。

阿克蘇博物館的智慧化APP實現(xiàn)了多功能化，進(jìn)行多個版本優(yōu)化的同時加入不同的內(nèi)容。但是該智慧APP仍然無法實現(xiàn)虛擬博物館的全景化，作為實景博物館中的輔助設(shè)備，可以幫助博物館工作人員進(jìn)行日常講解 [7]。

3）線上直播形式的展示形式。自貢博物館聯(lián)合多個直播平臺開展“探秘侏羅紀(jì)——中國恐龍的新家”活動，借助直播的形式講解來自自貢博物館的多種恐龍（包括太白華陽龍、合川馬門溪龍和勞氏靈龍），直播展示多個恐龍化石，同時借助講解員的講解使年輕人對于中國的恐龍有了一個更為深入全面的認(rèn)知[8]。自貢博物館通過新平臺推廣中國的恐龍文化，很好地激發(fā)了青少年對科學(xué)的探索精神。但是由于直播時間、網(wǎng)速、平臺要求等多因素限制，直播只能宣傳到小部分關(guān)注的群體。

通過對當(dāng)前不同模式的博物館進(jìn)行分析可知，傳統(tǒng)博物館相較于虛擬博物館存在一些不足之處。

一是傳統(tǒng)博物館的展示形式單一。傳統(tǒng)博物館通常將展品陳列在玻璃罩中供參觀者欣賞，這種展出方式只能進(jìn)行單一視角觀察，不能進(jìn)行全方位觀察，因此，展品的一些細(xì)節(jié)無法呈現(xiàn)。

二是部分展品對環(huán)境要求較高，須在合適的溫度和濕度環(huán)境下才可以展出，增加了博物館展示的難度。

三是傳統(tǒng)博物館的展出因受時間和空間的限制，受眾群體有限[9]。

因此，本文以虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建虛擬現(xiàn)實博物館，嘗試解決現(xiàn)有博物館存在的問題。

3 虛擬恐龍博物館的設(shè)計

模塊設(shè)計 ?通過分析眾多恐龍博物館可以得出，大部分的實體場館都是按照恐龍分布的時期進(jìn)行劃分，輔以一些體驗類和沉浸類項目。本文根據(jù)實際需求，制作了開始進(jìn)入界面、跳轉(zhuǎn)恐龍世界界面、侏羅紀(jì)時期場館、白堊紀(jì)時期場館、三疊紀(jì)時期場館和測驗學(xué)習(xí)面板，部分模塊構(gòu)成如圖1所示。

本文基于Unity 3D VR引擎進(jìn)行搭建。為了實現(xiàn)全景沉浸式的恐龍館交互體驗，本文采用頭盔和VR手柄結(jié)合，力求還原恐龍所在時代的真實場景，幫助用戶在進(jìn)入虛擬恐龍館之后可以得到觸覺、視覺、聽覺三種感覺融合的沉浸式體驗。

場景設(shè)計 ?本文的開始界面由“開始游覽”“操作信息”“結(jié)束游覽”三個部分組成，用戶通過扣動右手柄的扳機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)按鈕的點(diǎn)擊與操作信息的查看，如圖2、圖3所示。為了簡化主面板的跳轉(zhuǎn)選項，在點(diǎn)擊“開始游覽”按鈕之后會進(jìn)入場景選擇界面，用戶可以通過手柄發(fā)出的射線點(diǎn)擊前后的箭頭，進(jìn)行不同場館的選擇。同時，選擇的場館不同，它所顯示的場館名稱和面板也會不同。如圖4所示，選擇的是三疊紀(jì)時期的場館，出現(xiàn)的就是三疊紀(jì)時期的場景。

為了讓用戶對中生代的恐龍世界有深刻和直觀的認(rèn)識，本文將恐龍世界分為三個場館，依照時間和恐龍活躍時期劃分?？铸堅诘厍蛏戏笔⒌臅r期約為1.6億年，整個中生代大致分為三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)三個時期，不同的紀(jì)也有相對應(yīng)的時期特征和生長植被與代表恐龍。其中，三疊紀(jì)時期的代表恐龍是板龍、幻龍，其場館特點(diǎn)是干旱，缺少植被，巖石標(biāo)志顯著，大型的哺乳動物、小型的恐龍的生存空間出現(xiàn)。侏羅紀(jì)時期的代表恐龍是異特龍、劍龍，其場館特點(diǎn)是氣候濕熱，大陸板塊開始分裂。為了體現(xiàn)時代特征，侏羅紀(jì)主場館采用小島地形，體現(xiàn)其分裂，植被生成，大陸開始從干旱時期恢復(fù)，出現(xiàn)低矮植被的現(xiàn)象。白堊紀(jì)有著最為大家熟知的三角龍、翼手龍等。白堊紀(jì)中期，植被繁茂，大型食肉恐龍遍布，大型恐龍的長度達(dá)到10～20米。

交互設(shè)計 ?在虛擬恐龍場館中，為了讓用戶對不同種類的恐龍骸骨進(jìn)行學(xué)習(xí)和區(qū)分，設(shè)置不同恐龍的學(xué)習(xí)面板。如圖5所示，展示的是三疊紀(jì)時期不常見的南十字龍。為了讓用戶對其印象更加深刻，在介紹面板中加入南十字龍的實體模擬圖片，用戶可以配合場景中的南十字龍骸骨一起觀察。信息面板統(tǒng)一使用的是Panel面板，通過Set-Active調(diào)用代碼實現(xiàn)。

除此之外，為了使學(xué)習(xí)者了解當(dāng)前場館的環(huán)境特性、地貌特征與常出現(xiàn)的恐龍，用戶進(jìn)入場館后，設(shè)置可以播放的恐龍場館介紹詞。除了場館介紹詞外，用戶靠近恐龍一定范圍便可以觸發(fā)相應(yīng)的恐龍介紹詞，只需將VR頭盔的耳機(jī)接口與耳機(jī)相連，便能夠聽見解說詞，獲得視聽的雙重感受。在擺放恐龍骸骨的區(qū)域，用戶通過扣動右手柄的Trigger

按鍵，便可以抓取恐龍骸骨近距離觀看;松開Trigger鍵之后，骸骨就會隨著重力掉落，或者可以通過手柄將骸骨扔向場館的任意處，如圖6所示。

在項目最后設(shè)置一個學(xué)習(xí)測驗環(huán)節(jié)，用戶游覽完三個不同時期場景之后就可以進(jìn)入該環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)測驗題目是根據(jù)用戶瀏覽三個場館時出現(xiàn)的恐龍介紹面板的名稱、特點(diǎn)、生物習(xí)性等方面知識設(shè)置的。學(xué)習(xí)測驗環(huán)節(jié)采用選擇題的形式進(jìn)行測驗，在屏幕上會展示不同的選擇題，當(dāng)用戶勾選的選項正確或者錯誤時，平臺會給予不同的提示。

測試中采用Toggle Group進(jìn)行復(fù)選框的搭建，針對多個選項，復(fù)選框可以在Toggle組中只選擇一個選項，同時配合相應(yīng)的取消和恢復(fù)調(diào)用代碼，可以輕松實現(xiàn)答案的選擇判定效果。

4 關(guān)鍵技術(shù)

三維建模技術(shù) ?Unity 3D作為一款易上手、可操作的軟件，擁有的建模功能雖然不能與專業(yè)的軟件（如Maya、3ds MAX）相比，但是對于新手來說，適合簡單模型的搭建。在Unity 3D的操作界面就能夠直接進(jìn)行場景的搭建，同時需要進(jìn)行一些UVW和貼圖，以及模型的優(yōu)化和放射燈光的渲染[5]。

虛擬現(xiàn)實交互技術(shù) ?利用SteamVR和VRTK插件，可以實現(xiàn)眾多虛擬現(xiàn)實交互功能。

1）瞬移。通過VRTK插件，在操作VR手柄時，用戶按下左手柄的觸控板，可以實現(xiàn)在場館中的漫游。具體的設(shè)置流程是：在導(dǎo)入VRTK插件后，刪除MainCamera對象，創(chuàng)建空對象，命名為VRTK__Manager;在其下建立VRTK__SDKSetup空物體，并為其添加VRTK__SDKSetup組件，Quick?Select選擇SteamVR掛載在VRTK__SDK__Manager腳本;創(chuàng)建VRTK__Controller Scripts，為其創(chuàng)建子物體LeftCon-troller和RightController;為這兩個子物體添加VRTK__Controller Events組件，將兩個子物體搭載到VRTK__Mana-ger對象上VRTK__Manager組件的LeftController和Right-Controller選項上，禁用VRTK__SDKSetup對象。這樣，操作手柄就可以實現(xiàn)相關(guān)的操作。

2）射線交互。該射線可以通過代碼或者VRTK自帶組件進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置射線形狀、顏色、按下后的狀態(tài)、與物體相接觸的描邊狀態(tài)等。

3）UGUI交互。用戶通過手柄發(fā)出的直線可與交互界面進(jìn)行交互。點(diǎn)擊交互界面的按鈕，既可以實現(xiàn)界面之間的跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入新的場景，也可以選擇“小測驗”中的正確選項。該技術(shù)的具體操作步驟如下：

①為LeftController和RightController添加VRTK_UIPointer組件;

②為Canvas對象添加VRTK_UICanvas組件。

通過以上步驟即可以實現(xiàn)UGUI的交互。

4）抓取交互。射線可以定位物體，并通過扣動右手柄上的扳機(jī)對物體進(jìn)行點(diǎn)擊抓取和觀看。借助這一技術(shù)，用戶在虛擬恐龍博物館中可以點(diǎn)擊恐龍模型進(jìn)行近距離觀賞。該技術(shù)可以給用戶帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊力，能給予用戶極大的沉浸式體驗。

5 開發(fā)流程

本文以Unity 3D作為主開發(fā)平臺，輔以3ds MAX、Photo-shop軟件進(jìn)行模型的開發(fā)創(chuàng)建和修改工作，結(jié)合Microsoft?Visual Studio編程軟件進(jìn)行代碼語句的編寫，借助SteamVR、

VRTK等插件配合VR頭盔和手柄進(jìn)行使用，實現(xiàn)虛擬恐龍博物館的創(chuàng)建和游覽。

搭建場景 ?新建一個Unity項目，把恐龍模型和場景模型拖動到Assets文件夾下?；蛘哂覔鬉ssets文件夾，選擇Import New Asset，選擇需要導(dǎo)入的模型。本場館需要搭建五個場景，分別是主界面、恐龍時期選擇界面、三疊紀(jì)時期、侏羅紀(jì)時期和白堊紀(jì)時期。根據(jù)不同場景的需要，把資源直接拖動到Scene窗口中。在主界面和選擇界面中借助Unity 3D的UI插件，設(shè)計背景圖片和按鈕。把不同時期的恐龍模型拖動到相應(yīng)的場景中，并對恐龍和森林模型按照一定比例進(jìn)行編輯。

交互設(shè)計 ?為了實現(xiàn)虛擬場館的交互設(shè)計，需要借助SteamVR和VRTK插件設(shè)置VR場景。首先導(dǎo)入SteamVR和VRTK插件;其次在新建的場景中刪除MainCamera對象;接著在主場景建立空物體VRTK_SDKManager，為其添加VRTK_SDKManager組件，在其下建立VRTK_SDKSetup空物體并為其添加VRTK_SDKSetup組件，Quick Select選擇SteamVR;最后在Assets＼SteamVR＼Prefabs文件夾中找到CameraRig和SteamVR，并添加它們作為VRTK_SDKSetup物體的子物體。

1）UI交互。本場館中UI的交互主要為按鈕的交互，通過HTC Vive手柄發(fā)射的射線與按鈕進(jìn)行交互。在主界面中，當(dāng)射線選中按鈕時，射線變?yōu)榫G色，扣動手柄扳機(jī)觸發(fā)按鈕的點(diǎn)擊事件，實現(xiàn)按鈕功能。同樣，在恐龍時期選擇界面中，射線選中左右箭頭的圖標(biāo)，扣動手柄扳機(jī)，切換三個恐龍時期的圖片。選擇其中的一張恐龍時期圖片，再次扣動扳機(jī)即可觸發(fā)點(diǎn)擊事件，跳轉(zhuǎn)到所選擇時期的恐龍場景中。當(dāng)手柄能夠發(fā)射射線后，為了實現(xiàn)與UI交互，還需要為LeftController和RightController添加VRTK_UIPointer組件。除此之外，還需要給Canvas對象添加VRTK_UICanvas組件。最后，再給按鈕和圖片添加相應(yīng)的代碼，即可實現(xiàn)射線與UI的交互。

2）場館漫游。為了獲得更好的觀光體驗，需要給手柄添加瞬移的功能。用戶借助HTC Vive手柄發(fā)射的貝賽爾曲線，按下手柄上的圓盤即可實現(xiàn)在場館中漫游。首先為LeftController（左手柄）添加VRTK_ControllerEvents組件，接著添加組件VRTK_Pointer和VRTK_BezierPointer-Renderer。此時按下左手柄就可以發(fā)射貝賽爾曲線。為了實現(xiàn)瞬移效果，還得給VRTK_ControllerScripts物體添加VRTK_HeightAdjustTeleport組件。添加完成后，按下左手柄的圓盤就可以實現(xiàn)場館漫游。

3）物體交互。在三個不同時期的恐龍場景中，當(dāng)射線選中恐龍模型時，扣動手柄的扳機(jī)即可顯示相關(guān)恐龍的介紹信息。抓取恐龍的某一塊骨頭時，扣動扳機(jī)可以將恐龍骨頭拿起來仔細(xì)觀看。為實現(xiàn)拾取物體這一功能，需要給被抓取的物體添加RigidBody組件。此外，還要給被拾取物體添加VRTK_InteractableObject組件和VRTK_ChildOf-ControllerGrabAttach組件，勾選“isGrabbable”。最后還要給右手柄（RightController）添加VRTK_InteractGrab和VRTK_InteractTouch組件，可以實現(xiàn)手柄拾取物體。

調(diào)試作品 ?完成作品后，點(diǎn)擊“Play”按鈕運(yùn)行作品，測試各個功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。打開Console面板查看運(yùn)行過程中是否有錯誤信息，若有錯誤信息，則根據(jù)錯誤信息的提示進(jìn)行代碼和功能的調(diào)試與修改。修改完成后，再次運(yùn)行作品，若Console面板沒有出現(xiàn)錯誤信息，則說明作品運(yùn)行沒有問題，可以導(dǎo)出作品。點(diǎn)擊Unity 3D軟件中的“File”，選擇“Build Settings”，在“Platform”中選擇“PC， Mac & Linux Standalone”平臺導(dǎo)出。

6 試用評價

該虛擬恐龍博物館基于Unity 3D建立，希望呈現(xiàn)有別于實體博物館的全息沉浸享受，通過VR頭盔及手柄獲得虛擬體驗，達(dá)到身臨其境的效果。通過游覽場館，了解不同時期不同種類、不同習(xí)性的恐龍，不僅拓寬了用戶的知識面，而且提高了其對不同時期環(huán)境植被的認(rèn)識。研發(fā)完成后，該虛擬博物館面向江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院學(xué)生進(jìn)行相關(guān)體驗調(diào)研，得到以下評價。

交互性方面 ?在交互性方面，師生認(rèn)為該虛擬恐龍博物館的交互方式很豐富，既有UI交互，也有物體交互和場館漫游等交互功能。比如有位學(xué)生說：“在這個場館中行動很自如，想去哪里只需要按手柄上的相關(guān)按鈕就可以。我還可以撿起草地上的恐龍骨頭觀看，這個設(shè)計很好。”

沉浸性方面 ?在沉浸性方面，師生認(rèn)為該恐龍博物館的場景搭建較為逼真，給參觀者帶來較強(qiáng)的沉浸感。張同學(xué)說：“場館里的恐龍?zhí)鎸嵙?，給我一種身臨其境的感覺。恐龍在那里走動的時候，我都不敢靠得太近?！?/p>

多感知性方面 ?在VR恐龍博物館中，師生除了視覺感知外，還可以感受到聽覺感知和運(yùn)動感知。師生認(rèn)為VR館中的語音介紹功能很便捷，將手柄發(fā)出的射線指向自己想要了解的恐龍后，就可以聽到語音講解。一位體驗過的學(xué)生說：“語音講解這個功能很贊，配合恐龍介紹牌可以讓我更好地了解關(guān)于恐龍的科普知識?！?/p>

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