虛擬現實技術在數字化博物館中的運用研究

一、引言

近年來，信息化、數字化已經成為社會發展的主要方向之一。在這一趨勢下，虛擬現實技術也得到廣泛應用，對社會創造的價值也越來越突出。虛擬現實技術可以帶給人們交互式、沉浸式的感受。將虛擬現實技術應用于博物館，能夠突破時間、空間、場地等因素的限制，人們通過登錄數字博物館，置身于虛擬的三維場景中，在虛擬的世界中獲得沉浸式的體驗。

二、數字化博物館與虛擬現實技術

（一）數字化博物館

博物館是重要的公共文化場所，其主要功能是對館內藏品的歷史、藝術、科技、文化等方面展開研究，對館內藏品進行有效的保護，并將藏品及其代表的豐富文化對外展示，承擔著傳播技術知識、傳承優秀歷史文化的重任。[1]博物館還具有旅游開發功能，將研究藏品所蘊藏的歷史、藝術、科技、文化價值進行深度挖掘，開發出深層次、高品質的文化旅游項目。數字化博物館則是通過信息技術、數字技術將博物館實體搬到網上，參觀者登錄相應的網站即可欣賞到珍貴的藏品，了解藏品背后的歷史文化信息。博物館藏品在展示過程中難免會受到外界環境因素的影響，而通過數字化博物館展示平臺，參觀者既能夠近距離接觸藏品，也更有利于藏品的妥善保管。針對數字化博物館的研究與探索在20世紀末就已經開始了，“超越時空的紫禁城”正是故宮博物院與IBM深度合作創建的我國首個虛擬體驗型博物館，博物館數字化建設已經成為時代發展的主流方向。

（二）虛擬現實技術

虛擬現實技術（virtual reality，簡稱VR）早在20世紀就已經出現了，人們利用計算機技術和傳感技術制造出一個讓人感覺很真實的虛擬世界。[2]從廣義上看，VR就是利用數字化技術制造出一個與現實生活相同感受的世界。從狹義的角度分析VR技術是運用計算機技術、信息技術、三維立體成像技術等，通過傳感設備、立體成像設備等模擬真實的世界，人們通過佩戴專業設備在虛擬環境下可以獲得與真實世界相同的視覺、聽覺、觸覺等方面的感受，使用者還能從中獲得交互式體驗。目前VR技術的應用非常廣泛，比如醫療、航空航天、軍事、工業等尖端科技領域，同時還進入到人們的生活當中，比如影視娛樂、教育、設計等行業，VR技術已逐步發展成為一個新的科學技術領域。[3]

三、數字化博物館的功能特性

VR技術的應用賦予了數字化博物館更多元、更新穎的功能，將博物館、文化和游客更好地聯系起來，為游客參觀和學習研究提供了更加便捷的途徑。[4]

（一）開放性

實體博物館存在一定局限性，一方面博物館內藏品特別是珍貴文物，不宜遠距離搬運和轉移，只能選擇就近或就地建立實體博物館對文物進行保護和存放。另一方面，實體博物館內展廳空間有限，尤其是一些珍貴文物，考慮到文物的安全性，還需要限定每次參觀人員的數量。而數字化博物館則打破了這種空間上的限制，利用虛擬現實技術將實體文物進行數字化處理，通過網絡和數字化平臺對外展示，人們可以隨時隨地瀏覽館藏文物，數字化博物館的開放性為博物館文物展示提供了便利，增添了新的活力。

（二）交互性

博物館數字化平臺改變了傳統博物館的展示方式，通過交互性設計提升參觀者在博物館空間中的感受。博物館中的交互設計大致包含四個方面，一是利用傳統的硬件設備（比如鼠標、手柄、鍵盤等）點擊操作界面中相應的區域達到交互的目的；二是利用現代智能終端設備達到視覺上的觸控交互，參觀者通過作出相應的手勢（比如點擊、滑動、放大、縮放、旋轉等），利用屏幕為媒介進行展示；三是利用聲、光、電營造一種特殊的氛圍，提升參觀者聽覺、視覺上的感官效果；四是利用虛擬現實技術提升參觀者的參與度與互動性，這也是現階段博物館數字化建設的主要方向，比如借助體感技術可以實時獲取場景中的圖像信息，動作捕捉系統可以實時獲取關鍵部位，交互系統可以將用戶做出的動作進行解析后轉換為操作指令，完成精準人機交互。

（三）沉浸性

沉浸性的含義是參觀者仿佛進入了一個真實的世界，利用虛擬現實技術的感知系統獲取虛擬世界中的觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，達到實時交互的目的，這也是虛擬現實技術運用的基本特征。博物館沉浸式設計是為了讓參觀者在瀏覽過程中解讀歷史、觀賞文物，將傳統文化與現代生活聯系起來，滿足現代人們對旅游和文化的新需求。通過虛擬現實技術，利用色彩、光電、聲音、圖像營造出一個絢麗、超時空的空間效果，充分調動參觀者感官、想象、情感與思維，融入極具藝術效果的中心。沉浸式設計是現代博物館數字化建設與轉型的關鍵，是一種超越主流視角詮釋展覽敘事空間的新模式。

四、虛擬現實技術在數字化博物館中的實現

數字化博物館建設的重點在于場景和氛圍的營造，通過模擬在視覺、聽覺、觸覺上給參觀者營造一種身臨其境的沉浸式體驗，利用交互性設計可以近距離欣賞館藏文物，突破時空與地域的限制，在輕松愉悅的新奇體驗中學習歷史文化知識。[5]

（一）整體架構

基于虛擬現實技術的數字化博物館整體架構分為兩大部分，即場景的營造和交互性設計。在設計時可以采用多種圖形技術，比如以Unity3D為平臺，采用Maya軟件完成三維建模和動畫制作，使用PS軟件對圖像中的紋理部分進行處理。參觀者可以通過平臺導航系統實現與館藏物品的互動，用戶通過控制HTC VIVE手柄在虛擬世界中自由轉換各種場景，并且允許用戶轉換到虛擬場景中不同的預定義位置，還可以根據自己的興趣標記圓形特效。在虛擬世界中參觀者有著較高的自主性，可以自由確定訪問位置和停留時間。當參觀者選中某一件藏品時還可以進入一個虛擬的三維場景中，使用VR手柄與藏品進行交互，在虛擬場景下進行旋轉、縮放調整，也可以進行語音互動，查詢相關信息等，增強了用戶與藏品之間的交互性，完成一系列操作后可以選擇返回博物館大廳，也可以退出當前場景繼續漫游。

（二）系統場景的搭建

使用Maya軟件搭建虛擬的數字化博物館，在博物館的不同展示場館中放置各種虛擬文物藏品，每件文物藏品都要建立三維模型，同時還要展示該文物藏品的歷史文化背景，以便參觀者深入了解文物藏品的內涵。[6]在將文物藏品由靜態轉換為三維立體圖像時應當呈現其原貌，不能影響文物自身所代表的歷史背景和文化內涵，因此在構建虛擬場景時應保證能夠準確感受原作的氛圍與精神。當前Maya軟件在三維場景建模中的應用比較廣泛，可以把握每件文物藏品的細節，再使用PS軟件對文物藏品的紋理進行處理，使虛擬場景中的每種元素都符合該文物藏品所處的歷史朝代，既保證了文化內涵，又具有科學研究價值。

在虛擬場景中很多復雜效果需要通過燈光來呈現，合理使用燈光可以增加虛擬場景的真實感與美感。虛擬場景中的網格與紋理決定了場景的輪廓與外觀，燈光則是場景顏色與氛圍的營造者，因此燈光的使用在數字化博物館中非常重要。為使燈光效果更加逼真，可以采用燈光烘焙設計，將實時全局光照燈光信息添加到紋理貼圖，使光照信息內容更加豐富，同時也減少了資源的消耗。

（三）系統操作流程

當用戶進入虛擬數字化博物館大廳后，面臨兩個選擇，一個是漫游，另一個是選中某件藏品。漫游的方式主要有三種，即連續漫游、固定點漫游和瞬移。連續漫游是用戶控制手柄調整漫游的方向，可以設置成按照固定的移動速度和視角進行瀏覽；固定點漫游是選擇某個預定義的關鍵位置進行瀏覽，避免錯過重要的信息；瞬移則是控制手柄發出一條射線到虛擬空間中可移動區域的某個位置并瞬間到達。[7]這三種漫游模式可以根據用戶的需求自由控制。如果參觀者想瀏覽查看某件藏品時，可以通過控制手中的手柄選擇，該功能主要是通過UI交互設計來實現。在虛擬場景下每件藏品都對應一個“確定”按鈕，用戶可以通過手柄發出的射線控制或者通過觸碰的方式控制，選中相應藏品的UI按鈕后進入。這兩種控制方式有一定的差別，當用戶與所選中的藏品UI按鈕較遠時可以使用射線控制的方式，如果距離較近時可以使用觸碰的方式，用戶可以自由選擇。

（四）燈光效果的呈現

科學合理的燈光設計是虛擬場景氛圍的營造者，也是提升參觀者體驗效果的關鍵，在燈光的使用上應注意以下幾點：突出重點，館藏文物是博物館展示的重點，在光源配置上應重點關注藏品光照效果；光源的選擇，針對不同材質的藏品使用不同的照明方式，比如陶器適合聚光源，甲骨類比較小的文物適合在較矮的展示柜中使用點光源；光源的分布，根據場景內實際情況合理分布光源，以免出現陰影、重影等，影響展示效果；光源的控制，合理調整光源的照射距離和光源半徑，使光照達到最佳效果。

可以通過展示柜中光源產生的漫反射效果影響虛擬場景的整體效果，相對暗一點的環境更能夠突出展示柜中藏品的呈現效果，一般館內藏品都具有一定的歷史文化價值，相對較暗的光照效果也能夠更好地呈現藏品的神秘感。在Maya軟件中創建應用場景，選擇球體與相應的材質，再選擇菜單中的“燈光”選項，繼續點擊擴展欄中的“區域光”，光源的各項屬性都可以編輯，最后點擊“渲染”按鈕完成光源的設置，如果需要同時設置多個光源可以采用云渲染平臺提高工作效率。

（五）交互性的實現

在數字化博物館大廳中，各場景可以看作是多個“關卡”，在大廳中控制手柄就可以進入相應的關卡漫游。

在虛擬場景中可以采用“Pawn”設計實現對用戶視角下的前進、后退、旋轉等一些交互性操作，比如旋轉視角、角色移動、射線檢測等，用戶通過點擊相應的按鈕進入某件藏品“關卡”?！癙awn”對于視角的控制是通過一個膠囊體和一個攝像機來完成的，利用鼠標輸入事件，讀取鼠標 “X、Y” 坐標軸的值調整攝像機的朝向。角色移動是利用鍵盤輸入事件觸發的，在獲取角色的朝向后，移動單位距離。設計完成后需要進行碰撞試驗，以免發生角色穿透模型的問題。進入藏品“關卡”的設定是通過鼠標點擊相應場景按鈕實現的，通過“射線檢測線條”節點從鼠標所處位置發出一條射線，系統則會記錄下與射線發生碰撞的模型ID，然后按照ID開啟相應的“關卡”。系統會檢測角色所處的位置與朝向，當角色從某個“關卡”中退出并返回大廳時，可以還原至原來的位置與朝向。

五、虛擬現實技術對數字化博物館互動體驗效果的提升

利用虛擬現實技術，數字化博物館可以提供個性化服務，按照不同年齡、性別、領域的目標群體采取針對性設計方案，每個參觀者都能夠按照自己的需求在同一博物館中使用相應的VR設備進行瀏覽學習，滿足不同群體的個性化需求。數字化博物館雖獨立存在于虛擬環境當中，但虛擬環境中的藏品、陳列、展廳布置等都要與現實環境相符。數字化博物館建設目前可以選擇的展示方案有多種，可選用的技術設備也較多，不同類型的博物館可以按照自己的需求制定合理化方案，比如，在比較寬敞的大型博物館中可以根據藏品特點設置相應的VR體驗區，在相對封閉的環境中不會受到其他因素的干擾；而一些小型博物館則適合采用3D投影或者使用便攜式VR設備，這樣可以減少空間的占用，提高游客參觀的效率。[8]

虛擬現實技術的運用也需要考慮參觀者的內心感覺與需求，設計出具有個性化、人性化的展示方式，增強參觀者沉浸式的體驗效果。此外，在運用虛擬現實技術時也應考慮到展示時間的限制，尤其是一些包含了較多復雜信息的文物藏品，應從觀者的角度創建舒適、友好的操作界面，遵循美學設計理念，不能產生視覺疲勞，不能增加觀眾的認知負荷。[9]

六、結語

信息化時代背景下，數字化技術、虛擬現實技術的運用為我們呈現了一個具有融合性、交互性的數字虛擬空間，人們在虛擬化的場景中獲得沉浸式、交互式體驗。博物館數字化建設是時代發展的必然需求，通過虛擬現實技術的運用將需要展示的文字、圖片、音頻、視頻等內容以三維立體的形式展現在參觀者面前，將博物館所陳列的文物、資源進行空間化、信息化、虛擬化，給參觀者以身臨其境的感受。

參考文獻：

[1]石峰.徐州戶部山傳統民居建筑木雕裝飾藝術數字博物館設計研究[J].鄂州大學學報，2022，29（01）：65-68.

[2]徐光霽.博物館數字化建設與文物管理探討[J].中國科技信息，2021（17）：108-109.

[3]馬自萍，郭貝貝，李海東，等. Pano2VR的寧夏虛擬博物館全景漫游實現[J].現代電子技術，2021，44（08）：149-153.

[4]胡小青，蔡雨欣，許潔.基于VR技術背景下井岡山紅色文化虛擬博物館設計[J].建筑結構，2021，51（19）：142.

[5]于雨.游戲引擎中玻璃材質的藝術表現探究——以UE4為例[J].大眾標準化，2020（23）：

144-145.

[6]游越，趙濤.燈光——博物館展覽陳列的渲染巨匠[J].大眾標準化，2021（21）：41-43.

[7]李妍，程璐璐，郭驍煊.基于虛幻引擎技術的蘭州戰役紀念館數字化場景設計[J].工業設計，2021（12）：157-158.

[8]馬紹江，傅睿.基于UE4藍圖編程的建筑結構可視化交互應用設計研究[J].山西建筑，2020，46（10）：197-198.

[9]楊傳貴，楊瑩.靜寄山莊泠然閣景區UE4仿真漫游設計研究[J].天津城建大學學報，2020，26（04）：243-248.

（作者簡介：趙冬，女，本科，宜昌博物館，副研究館員，研究方向：博物館陳列展覽）

（責任編輯 張云逸）