基于Unity3d的虛擬博物館設計與關鍵技術研究

李昂軒 蒲鑫 陶光輝 陳創

關鍵詞：虛擬博物館；Unity引擎；3D建模；A Star算法；互動體驗；LOOP細分算法

0 引言

隨著數字技術的快速發展，虛擬博物館作為新興形式正嶄露頭角。傳統博物館受限于時間和空間，無法滿足沉浸式、自主探索的需求。因此，基于虛擬現實的博物館體驗成為當今數字時代的迫切需求[1]。Unity作為跨平臺游戲引擎和開發工具，能創造高品質2D/3D游戲、虛擬現實和增強現實應用[2]。本文以Unity引擎為基礎，致力于打造逼真、互動、沉浸式的虛擬博物館。通過Unity 的實時編輯器和交互式工具，展示藏品、提供互動功能。本研究探討虛擬博物館設計與實現的方法和技術，滿足參觀者對數字化文化體驗的需求，促進數字文化遺產的保護和傳承。通過新動力和創新思路，推動數字文化的發展。

1 場景設計與開發

1.1 架構圖

此虛擬博物館是基于Unity3d進行開發，模擬真實世界中的博物館的構造與布局，包含登錄和注冊模塊、漫游、展品檢索、建議提交等功能[3]。系統架構圖如圖1所示。

1.2 建立博物館和展品的相關模型

在確定好相應博物館后，通過對博物館進行多方面收集資料采集數據，包括歷史文物資料、文物照片、平面布置圖等，得到了博物館的基本資料。利用3dsMax等軟件對前期調查的博物館進行建模與整個虛擬展示設計場景的構建。

1.3 材質貼圖

在設計虛擬博物館時，對真實世界環境的理解和分析以及相關知識的藝術素養具有十分重要的意義。材質貼圖在設計中是必不可少的一環，需要使用3dsMax軟件進行貼圖。本設計中采用位圖貼圖，通過精細調整，讓虛擬場景具有一定真實感。對于特殊圖案紋理的制作，需要將相應模型的UV坐標導出，然后利用Photoshop軟件編輯制作成貼圖，再貼回模型上，使物體的紋理比例和場景大小更加真實且美觀。同時，需要規范材質球、材質和模型的命名，以便在后續修改時方便快捷，避免出錯。貼圖的效果直接關系到后續場景烘焙的效果和整體場景的逼真性[4]。

1.4 燈光布置

燈光在虛擬場景設計中起著重要作用，產生反射和陰影效果，增強真實感。虛擬場景中，材質、模型和貼圖的表現依賴于燈光。不同類型的燈光可呈現不同效果，因此在實現逼真虛擬場景時，需要考慮多個因素的協調，如模型、材質、貼圖和燈光等。

本設計采用了室內燈光效果，通過巧妙設置不同位置的燈光來營造明暗層次和真實感。仔細調整燈光可使場景更真實吸引人，提升虛擬博物館展示效果。

1.5 烘焙

烘焙貼圖是將場景中的材質、貼圖和燈光等信息轉換為二維貼圖的過程，以減少內存占用并提升展示效果。3ds Max中的兩種烘焙方式分別是Lightingmap 和Completemap[5]。渲染效果圖前需檢查燈光效果，確保理想結果。重命名模型避免后期設置困難，檢查模型是否存在破面和重面問題。烘焙貼圖能有效減少內存占用，并提升展示效果。

2 虛擬博物館的功能實現

2.1 數據庫設計

虛擬場館將與后臺數據庫進行數據對接，用戶通過虛擬展館前端頁面搜索入口，可以遍歷檢索平臺大數據內容，并按要求格式與規則排序呈現所有搜索內容[6]。基于這個條件下，為數字展覽廳系統設計支撐的數據表，如圖2所示。根據網站、后臺管理、數字展廳三大模塊的信息抽象，為整個系統設計數據表，包括但不限于：公告表、評論表、圖片資源表、語音資源表、視頻資源表、管理員表、操作權限表、權限表、角色表、投票人氣表、解說詞資源表、展覽通知表等。

2.2 登錄模塊設計

登錄模塊設計包含登錄和注冊功能。用戶可以注冊新賬戶并提供個人信息和登錄憑證。已注冊用戶可以使用登錄功能輸入用戶名和密碼進行身份驗證。模塊包括輸入字段、登錄按鈕、注冊鏈接和密碼重置選項。登錄功能會驗證用戶憑證，確保安全性和身份驗證的準確性，并提供錯誤提示和良好用戶體驗。

2.3 主頁設計

虛擬博物館主頁設計包括場館介紹、漫游模塊、信息檢索和心得提交四個選項。主頁循環播放文物圖片，吸引用戶注意。場館介紹提供背景、歷史和特色概述。漫游模塊允許用戶探索博物館區域和展品。信息檢索模塊讓用戶快速搜索感興趣的文物信息。心得提交鼓勵用戶分享觀展感受。主頁設計方便用戶獲取信息、參觀展品并與其他用戶交流體驗。

2.4 場館相關介紹模塊

場館相關信息介紹模塊包含場館概要介紹和詳細信息。概要介紹提供地理位置、開放時間等基本信息。詳細信息部分包括場館現狀、歷史沿革、展覽概況和展品介紹。信息統計部分展示展品分類、地理分布等圖表數據。通過該模塊，用戶可以全面了解博物館的背景和特色，并深入了解展覽和展品信息。

2.5 漫游模塊

漫游模塊包括主動漫游和自動漫游。主動漫游允許用戶自由移動，點擊物品查看詳細信息。自動漫游通過相機動畫導覽，帶領用戶自動游覽博物館。用戶可根據興趣自主探索或選擇自動導覽。漫游模塊提供便利參觀體驗，讓用戶輕松欣賞博物館的內容。在漫游模塊中添加語音播報等媒體，用戶可以深入了解博物館的文化和展品。漫游場景如圖3所示。

在漫游模式中，對于路徑的選擇至關重要，通過采用尋路算法可以快速高效地完成漫游和尋路功能，本系統使用A*算法作為虛擬場館漫游的尋路算法。A*算法融合了廣度優先遍歷和深度優先遍歷的優勢，通過不斷計算找到匆匆起點到目標的最短路徑A*算法通過綜合代價選擇節點，計算公式如式（1） 所示：

其中f（n）是節點n 的綜合代價，表示從起點到目標經過節點n 的總代價的估計。A*算法會選擇具有最小f（n）值的節點，因為它們被認為是最有希望的節點；g（n）是從起點到節點n 的實際代價，通常是通過已知路徑計算的；h（n）是啟發式函數，它估計從節點n 到目標節點的剩余代價。A*算法搜索流程圖如圖4所示。

為了將該算法適用于虛擬場館漫游中，本系統對傳統的A*算法進行改進，使其更加方便集成到本文的虛擬場景中，可以準確尋找到最優的路線同時又減少了工作量。使用Matlab 對改進的A*算法進行測試，如圖5所示，分別對簡單場景和復雜場景分別進行了測試，可以看出本文通過改進的A*算法能夠很好地應用到智能漫游模式之中。在場景較為簡單時，為了節省系統的運算能力，該算法在滿足避障的前提下，對其他區域簡化處理，從而能夠快速計算出一條相對最優路徑，同時也節省了大量的運算時間；在場景較為復雜時，該算法在規避障礙物的同時，計算出的路徑更為準確，從而滿足任務的需求。

2.6 檢索模塊設計

檢索模塊設計允許用戶通過文字搜索查找文物信息，并提供時間、地點、文物類型分類等多種方式來查找相關的文物。用戶可以在搜索框中輸入關鍵詞進行文物的文字檢索，系統將返回相關的展品信息。此外，用戶還可以根據特定的時間范圍、地點或文物類型進行分類檢索，以獲取更具體和精準的結果。通過檢索模塊，用戶可以快速定位和瀏覽感興趣的文物，提供了便捷的檢索方式，幫助用戶在龐大的文物數據庫中迅速找到所需信息，提升了用戶的參觀體驗和研究效率。

2.7 展品展示

在虛擬博物館的展品展示功能中，用戶可以通過點擊場景中的物體或在檢索界面中點擊按鈕，展示展品的細節信息。這包括展品的模型展示，用戶可以自由旋轉、縮放和觀察展品的三維模型；文字介紹提供了展品的相關背景、歷史和文化信息；圖片展示呈現了展品的高清圖片，展現其細節和美感。

2.8 用戶心得提交

用戶心得提交功能允許用戶輸入個人信息和心得建議，提交至管理后臺。反饋用于博物館改進和提升。收集用戶需求，優化展覽和服務。促進用戶與管理層互動，提升用戶體驗。

3 系統優化

場景采用AB包加載資源信息，通過Loop網格細分技術可以增加模型的細節并提高渲染質量，這些場景優化技術的應用可以提升虛擬博物館的表現力和流暢性，提供更好的用戶體驗，并確保博物館的展示內容在不同的設備和平臺上都能夠良好運行[7]。

3.1 Asset Bundle 資源打包的使用

使用AB包加載展品詳細模型可提升虛擬博物館性能和資源管理效率。獨立打包展品模型為AB包實現按需加載，減少內存占用和加載時間。用戶查看展品時，動態加載對應AB包，提供高質量模型展示。減輕加載壓力，提升交互體驗，展示效果和性能表現優化。

3.2 Loop 細分技術

Loop細分是一種針對低多邊形模型的技術，通過在原始模型的邊、頂點和面上插入新的幾何元素來提升模型的細節和平滑度[8]。在現有的相關技術和研究現狀的基礎上，本文對傳統的Loop細分算法進行了改進和優化，以適用于本系統的設計與開發。經過實際測試驗證，新的改進算法證明了其在提高模型細節的可行性。

在實際場景中，采用低多邊形模型可以有效減輕加載壓力，降低模型的多邊形數量和內存占用。用戶在詳細查看展品時，可以對已加載的模型進行網格細分，從而增加細節和真實感。這使得用戶能夠在展品的詳細查看過程中獲得更高質量的細節展示和更逼真的模型呈現，同時仍然保持了相對較低的場景加載壓力。這一改進的Loop細分算法為系統的設計與開發增添了更多的實用性和性能優勢。

將圖7所示模型進行細分結果如表1所示。

如圖7所示為模型網格細分對比圖，模型經過一到兩次細分已經達到了較高的精細度，而多次細分耗時較長，因此采用一次或者兩次細分最佳。

4 場景發布

開發、測試、修復、打包和發布虛擬博物館場景。檢查加載速度、模型顯示等問題。修復和調整以滿足要求。打包為獨立應用程序供虛擬現實設備使用。選擇適合平臺的打包格式，并進行配置和優化，提供最佳體驗。

5 總結

本論文全面介紹了虛擬博物館的建設和功能實現。通過借鑒先進技術，確保了系統成果更為完善和邏輯清晰。重點包括：博物館和展品模型建立，采用先進建模工具確保場景真實性；貼圖烘焙與光照信息，關注提升視覺效果和真實感；登錄模塊和主頁設計，提供用戶友好的進入方式；多功能場館介紹與漫游，支持虛擬環境中的自由漫游；檢索和用戶心得提交功能，方便用戶瀏覽展品和互動；性能優化，確保加載速度和流暢度；AB包和Loop細分技術應用，提高展示效果。最終，通過場景發布成功實現了一個完整的虛擬現實系統，為數字文化遺產的傳承與傳播提供了新途徑。這項研究為虛擬博物館的搭建和功能實現提供了深刻的指導，旨在推動數字文化的傳播。