虚拟现实技术在博物馆展览中的应用研究

摘要

虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值。

鄂钢博物馆作为未来一个将要逐步进行的项目，由于目前尚未有比较适合的导览系统，所以本论文的研究目的便是创建一套可以由AI人工智能引擎引导的线上浏览体系。论文首先讨论VR与导览系统结合呈现的最佳可能性以及如何提高用户之间的交互体验性，从案例入手，讨论如何创建微型元宇宙，与之前的呈现方式进行对比，挖掘鄂钢博物馆的VR交互技术的价值。

　关键词：虚拟现实三维数字化VR交互导览系统场景还原

　1绪论

　　1.1研究背景

在新时代科技发展下，越来越多虚拟性物品逐渐进入到人们的生活当中，诸如VR虚拟眼睛,5D电影等。虚拟漫游主要使用成熟的几何建模技术，通过手工方法实时建立场景的三维模型，其漫游场景是由计算机根据一定的光照模型绘制的，色彩层次没有实际的自然景观丰富，带有明显的人工痕迹。为此，近儿年来国际上开始出现基于图像绘制技术来构造虚拟空间的方法,它利用许多外部设备以及人眼误差的方法，结合图像处理生成全景图并对其进行时问或空间的关联，从而建立起具有空间操纵能力的虚拟场景。基于图像的虚拟现实系统具有场景逼真、交互.方使和无需特殊的硬什等优点，目前已用于虚拟旅游和娱乐、虚拟训练、医疗领域和虚拟制造等方面，还可用于科学可视化和系统仿真等方而。由此可以看出，基于图像的虚拟现实技术具有极人的应用前景和研究意义。

　　1.2研究目的与意义

人们研究虚拟现实技术的初衷是“计算机应该适应人,而不是人适应计算机”在传统的信息处理环境中,一直强调的是“人适应计算机”,人与计算机通常采用键盘与鼠标进行交互,这种交互是间接的非直觉的有限的,人要使用计算机必须要先学习如何使用,才能使计算机为人所用而虚拟现实技术的目标或理念是要逐步使“计算机适应人”,人机交互不再使用键盘鼠标等,而是使用数据手套头盔式显示器等,通过视觉听觉触觉嗅觉,以及形体手势或口语等媒体形式,参与到信息处理的环境中去,并获得身临其境的体验结合导览系统的引导性，通过线上漫游的方式将极大提高用户的沉浸感，对未来的展览方式有极大的好处。1.3国内外研究现状

X是VR虚拟技术的起始地，他们主要研究分子建模、航空驾驶、手术模拟、建筑模拟等。洛马琳达大学医学中心的戴维·沃纳博士及其研究团队成功地利用计算机图形学和虚拟现实设备探索与神经疾病相关的问题，开创了虚拟现实儿科治疗的先河。

和一些发达国家相比，我国的VR虚拟现实技术还明显不足，但已引起科学家们的高度重视。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。

2虚拟现实技术与导览系统结合在空间中的应用

　　2.1虚拟现实技术

　　2.1.1虚拟现实技术的含义和特点

虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性，是随着多媒体技术发展起来的一种新的计算机技术。它利用三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，创建了一个三维、逼真的虚拟环境。用户需要特殊的交互设备才能进入虚拟环境。这是一项集数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等信息技术分支于一体的全新综合信息技术，极大地推动了计算机技术的发展。它的主要功能之一是在虚拟空间中创建图形，因此也称为图形工作站。

虚拟现实技术具有多感知性.浸没性.交互性.构想性等几个明显特征，达到以假乱真，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。

　2.1.2虚拟现实技术应用的现状

目前，VR虚拟现实使用数据手套、操纵杆，诸如触觉反馈设备之类的设备实现了它们的交互性，也就是说，操作员控制着机器，创建一个由机械和电子设备组成的系统(力交互设计设备)与计算机内部的虚拟环境交换信息，并进行操作。VR技术的出现使人们的生活发生了巨大的变化，也为艺术设计领域创造了新的表现形式，然而其伴随的问题也逐渐呈现出来，VR可穿戴式显示设备和力触觉交互设备的局限性尤为明显。

所以为了解决目前这一问题，通过线上开放世界的方式来引导用户参览，可无接触地获得人体3D信息，并直接利用关节点之间位置、移动速度、加速度等定义一些阈值来捕捉身体动作的变化和发出的指令，最终满足体验者在不使用可穿戴显示设备及力触觉交互设备的情况下，实现人机体感交互。

　2.1.3虚拟现实技术

3D裸眼屏幕

在导览系统的制作上，一些协助型引导程序也可以加入到鄂钢博物馆的实际建设当中，通过一些更加先进但又有趣的小技术同样可以增加博物馆的体验性。裸眼3d显示技术是影像行业最新、前沿的高新技术，它的出现改变了传统平面图像给人们带来的视觉疲惫，也是图像制作领域的一场技术革命，是一次质的变化，它以新特奇的表现手法，强烈的视觉冲击力，良好优美的环境感染力，吸引着人们的目光。

图2-3-3 3D裸眼技术

8da3da4c45f7248ba66e42d0fe387f67 　　图片来源：http://zoepic365.com/nd.jsp?id=17

当前的裸眼3D技术并不能真正像裸眼3D显示，只是大屏幕在以特定角度观看为大屏幕定制的特定视频时才具有强烈的立体效果，否则图像会失真。比如当观众从任何角度观看平面中的直线时，该直线是直线，但当该直线放置在异形屏幕中时，当仅在与眼睛相同的高度观看时，该直线将变为斜线。近年爆红的裸眼3D屏无一例外都是由两个不同角度的画面组成，显示屏将画面折叠90°，利用符合透视原理的视频素材，左侧屏展示图像的左视图，右侧展示图像的主视图，当人站在转角的前方观看时便同时看到物体的侧面和正面，呈现逼真的立体效果。

图2-3-3首尔-COEX

5d8a7ea9a54dfc29de6de0ca3cebcadf 　　图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/394305958

多通道投影显示

虚拟现实中的显示技术需要服务于虚拟现实的需求，目的是创建一个真实的虚拟环境，作为一个虚拟现实。显示设备的视野应与人眼相似、显示良好、显示效果好，能在一定程度上满足人眼的立体视觉。多通道投影显示在裸眼VR交互设计中的应用显示，即通过多对投影仪拼接大屏幕显示，可以为了有效避免头盔显示屏舒适度不足的问题，它可以向参观者展示超大尺寸和特殊形状的投影屏幕，创建高度沉浸式的虚拟环境。因为有多台投影仪投影图片的边缘重叠，因此多通道投影显示不可用。

关键在于不同投影图像之间的拼接，多通道投影融合技术可以解决上述问题，采用软硬件相结合的方法消除这些问题，剪接部分的多余亮度，调整每张图片之间的色差，最后，呈现了一幅没有间隙、亮度和颜色均匀的完整画作。

同时，多台投影仪的组合使用也可以增加图像质量、亮度、改进的图像分辨率和颜色再现。此外，多通道投影显示支持特殊形状，如圆柱形、球形和胶囊表面。投影屏幕，确保用户在转头或环顾四周时可以看到虚拟场景增强了沉浸感

图2-3-3万图公司

0cfb142dc43e87900978a14b1e52442c 　　图片来源：http://www.szzs360.com/shop/3047/news-detail/news-detail-8682.html

CAVE沉浸系统

洞穴自动虚拟环境是一个沉浸式的投影，基于多通道视觉同步技术和立体显示技术的显示系统，基于房间投影的视觉协作环境，形成一个四边形(或六面)立方体投影显示空间，参与者可以完全沉浸在其中。由3D立体投影包围的高级计算机生成图像在虚拟仿真环境中。使用洞穴自动虚拟系统，通过使用Kinect体感交互设备，它将实现裸眼VR交互设计具有更高的沉浸度和更自由的互动性。

图2-3-3 cave

0f23872d6bf809e6b8584d2c9b25ea5e 　　图片来源：https://www.sohu.com/a/113331920_452337

　2.2虚拟导览系统

　　2.2.1导览系统的原则

在导览参观的活动中，导览系统应该从使用者的感受去出发，分析用户提出的诉求，确定导览系统所需要的功能和性能，自动讲解展品等功能。

(1)可靠稳定性。对于一个由人工智能AI所领导的导览系统，为了让游客能够更加方便快速的使用，或能够快速的了解。可靠稳定的智能导览系统能处理游客的误操作，保证系统的正常进行。

(2)连接性。导览系统结合虚拟现实技术，将人们的感官连接终端，游客们在虚拟世界参观、询问、学习，即可达到足不出户就能看馆的目的，也能更加深刻的体会鄂钢历史文化的重要性。

(3)可扩展性。不同的展区可以溶于不同时间段游客的提议或增添新型项目。

(4)实时性。系统要求移动终端能够根据游客位置实时地提供展品讲解内容，方便游客了解当前展品信息。除此之外，也需要配合一些功能需求来提高系统的用户体验性。

1.用户能够通过智能手机或VR交互头盔等设备进行探索。

2.智能导览系统能够理解用户的实时需求并快速做出反应。

3.虚拟现实能够让用户体验舒适，内容新颖

　2.2.2虚拟导览系统

虚拟VR目前广泛应用于游戏、商场、展览馆等地区，而在2022年春晚的三星堆青铜器节目也是引进比较新颖的数字化技术，为了能够创建一个能够让游客自由探索的导览体系，我们借由元宇宙的概念，创建一个“平台”，基于这个“平台”游客可以在导览系统的带领下自由探索鄂钢博物馆所提供的时间变迁史，或参加由工作人员开发的小游戏，身临其境的体验鄂钢文化的传承。

导览系统则是由一个虚拟的只能AI组成，负责管理整个结构的稳定性和秩序性。虚拟可视化导览系统的概述在博物馆思考和寻求变革的同时，数字文化旅游行业的观众也对博物馆参观提出了新的要求，比如“借用导航机和下载应用程序非常麻烦，还有其他更方便的导航方式吗？”我怎样才能很快找到市政厅的宝藏？“我能有更多创新的显示方法吗？”？“在听介绍时，我能同时显示说明的内容吗？”？“有没有导航可以快速找到厕所和紧急出口？”？“新时代的观众希望在导游工具的帮助下，他们能够独立参观和探索博物馆和展览，从内心欣赏和学习人文和历史知识，传承优秀的传统文化。

　2.2.3虚拟导览系统的应用

虚拟校园

虚拟校园是通过先进的数字化技术，将学校的环境、教学信息等各种资源信息化。将学校风光和地图相结合，可以使采访者足不出户便可饱览校园风光，这不仅可以使广大师生更加便捷了解学校建设和周边环境，也给外来者提供了更加便捷的信息方式，也为学校树立了良好的对外形象。虚拟校园与学校信息的有机结合，使导航操作界面焕然一新，虚拟现实技术可以通过三维立体显示。苏文软件运用VR技术可以在多维空间进行模拟仿真，提供给师生们一个集视觉、听觉、触觉为一体的具有新鲜感的信息查询与介绍的方式，设计出虚拟智慧校园导览系统解决方案。

图2-2-3上海视觉艺术学院

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智慧博物馆

智慧博物馆以公众服务需求为核心，用多维展示互动形式，实现公众与博物馆藏品的高度交互，为公众提供无处不在的服务。在体验方面，智慧博物馆能够结合虚拟现实等科技，丰富陈列形式和信息供给，开启高品质、沉浸式的轻松文化之旅。对于非现场观众，则通过互联网和移动互联网打破博物馆传统的时空界限，拓展博物馆的公众服务广度、深度与时限。当然，也可利用移动互联网和手机实现线上线下的融合，达到全渠道、互动式、场景化的体验和服务。这样的互联互动，不仅建立起观众之间交流的平台，更针对不同群体间对展览的理解和体会，让他们可以实时分享。实现线上线下参观相结合，将展览“带回家”。

图2-2-3上海视觉艺术学院

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　2.3虚拟现实技术结合导览系统的应用方法

　　2.3.1虚拟导览系统转化为博物馆展示的媒介途径

所谓导览系统，其组成结构主要是由一部智能AI人工引擎所引导的超现实虚拟空间，游客可以通过终端机来连接进入，穿梭在鄂钢历史的“元宇宙”中，探索时代的流动性。鄂钢工厂的还原是通过明确虚拟还原的目的和认识古建筑、选择还原的策略与途径、还原工具和技术结合成一个系统来完成的。

图2-3-1

85d317f63f091f38f2d063a287cb8aac 　　图片来源：作者自绘

鄂钢旧址庄红壮丽，给予强大的支持这种方向性具有强烈的精神感染力，这种方向性决定了古代文化的恢复建筑方式。路径选择有两个标准：“效率”至于“效果”，就效率而言，避免走弯路是非常重要的。在追求效率的过程中，经常会犯关于古代宫殿的错误这种判断对文化本身也是致命的。在效果方面另一方面，古宫殿虚拟修复的另一个评价标准是修复。宫殿的精确性和细节。原则上，“修复效果”非常好优先级高于“还原效率”，且效果达到一定阈值。

另一方面，我们仍然需要追求效率。也就是说，应该根据不同的情况进行修复选择相应的策略和方法。为了实现要达到预期效果，需要选择合适的工具(如3D软件Maya、纹理绘制软件Substance Painter和PS等)，最后，运用操作知识来理解和改造鄂钢旧址。

　2.3.2虚拟导览系统的模拟方法

利用现有数字化技术，结合新时代导览系统的设计思路，不管是线上的开放世界，还是线下的裸眼交互，目的是为达到提高用户在参览时刻的体验感。通过三维软件的复制制作流程，进行高度的场景还原。

首先在模型上需要用zbrush进行细致化雕刻处理，若非是硬表面模型，则可只用三维软件的传统建模布线流程。Zbrush的好处便是能够快速处理大量细节布线，达到精致雕刻的效果。之后在将模型导入substancepainter里进行纹理细节的绘制。当模型资产都处理完毕后，则可导入MAYA中进行动画,场景的还原，渲染器自选。最后将导出的动画导入AE进行aov后期合成化处理，并导入到UE4区模拟人物视差合成。

　2.3.3场景还原模型的优化处理

钢厂建筑造型复杂，3D动画才能呈现出更好的视觉效果感知，模型的优化部分非常关键，适当优化可以使制作过程平滑，渲染过程耗时减少，其中通常使用以下模型优化方法。

由于模型数量众多，有必要评估模型的准确性进行分类。如树木、旗帜等都是低多边形，不需要花费太多面数，复杂模型应控制在2000面以下。例如对于像太极馆这样有大量人脸的模特来说，应该控制在10000张。可以归纳统一，不同的模式有不同的特点。模型分组所需的面数大大减少了总体面数，要为后续动画渲染铺平道路，保留面数以满足焦点的需要。雕塑模型。利用钢柱框架群布局的特点，按区域优化模型。

低模替换高模的PBR流程PBR是physically based rendering的缩写，翻译过来是基于物理的渲染。然而这只是一个名字，只能说是一定程度上接近物理，离真正的物理还是有差距。不过PBR流程已经可以非常优秀地描述日常生活中我们遇到的大多数材质了。

对于从事影视工作的很多朋友来说，理解PBR材质的属性有一定的困难，因为使用的词汇跟我们用的材质球上的有些不一样。PBR使用的属性主要是这四个——diffuse、roughness、metallic、normal(这里主要讨论的是最流行的metal-rough模型，而不是specular-glossiness模型或者其他)，其中diffuse、roughness、normal都和影视行业中使用一致，分别指代材质的漫反射颜色、反射模糊粗糙程度、以及法线。

通过高模转低模的PBR流程这种方法可以用3到5种不同类型的贴纸建立一个模型。贴图(如法线贴图、镜面反射贴图、凹凸贴图等)到逐步增强模型的表达能力，并在Maya中构建低层模型的基础上面，导入Zbrush以增加面数，以便描述细节导出的法线贴图粘贴在低多边形上，它将显示近似高倍细节性能。在绘制纹理部分，可以使用Substance Painter软件，该软件有大量笔刷可以直接使用，有很多木材、金属和其他材料可以增加现实感。这样，在降低模型复杂性的同时，模型也得到了更好的优化。通过以上方法优化后，钢厂模型达到了一个高度，在虚拟恢复的基础上，它还表现出更好的表现力。

使用实例及代理

在大型场景的制作中，为了节省使用资源，使用实例及代理(proxy)的方式能够更快更有效的节省资源。代理本是讲文江的信息记录在外部文件当中，再通过软件指点每一个代理点集的大小、位置、旋转等信息。这样就可以通过一个文件的大小复制并克隆一片点集。

图3-2-3 redshift实例

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　2.3.4虚拟场景环境光搭建及氛围还原

灯光模拟及设定

高度恢复场景环境也是一个非常重要的部分。难点在于灯光与场景的完美结合，以烘托时代氛围。在C4D照明设置中，添加阴影光线和光线深度限制选项，将灯光形状设置为球体，并通过圆顶灯和高精度HDR贴图模拟自然光。在一个相对复杂的场景中，应该没有太多光源，而有反射光。注意主光和次光之间的强烈对比。设置环境光需要不断调整，注意直射光和反射，以软化整个动画。

由于场景较大，光源类型应设置为多个光源：位置光、区域光、光谱光。大多数定位灯设置在穹顶上方，需要调整灯的锥半径和衰减面积；区域灯光用于设置类型，如路灯、散光灯等，使光线跟踪使灯光效果更逼真；移动灯光需要调整运动轨迹，绑定相机可以更好地表达画面的感觉。

阴影设定

阴影也是画面真实表现的一部分，必须注意调整。为了平衡和对比场景中物体的阴影，场景必须包括投影灯，并且必须同时将这些灯照射到投影上，阴影曲面和捕捉阴影曲面，但在考虑渲染，只有特定的光源和音乐被适当地添加到作品中。通过以上操作，创建整个环境的真实反射，然后可以通过控制优化的光线跟踪来减少渲染时间，限制反射和反射曲面的数量。

与白天相比，清晨环境的模拟在实践中得到了应用，可视性有限，对图片的表现力要求更高的虚拟场景的环境照明，恢复了鄂钢的氛围。

场景后期AOV通道使用

第一道渲染的出图效果必定是与预想的效果差上许多，所以为了能更加完整的达到预想的效果，需要对其进行后期的效果处理。常用AE或PS等图片处理软件来进行加工。

常用的AOV通道有Difusse、Reflections、Depth、AO、PuzzleMattle等。

图3-3-3 redshift aov通道

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3虚拟现实技术的实际应用

　　3.1选题分析

　　3.1.1选题背景

自2020年新型冠状病毒爆发以来，全世界各地陷入与疫情抗争之中，在严峻的抗疫之下，由于各国对外来旅客的不同态度，旅游业逐渐走下坡路，原本门庭若市的景区现在也人迹罕至。想要出国观光的人也不得不放下原定的计划。不论是谁都在疫情笼罩的阴影之下，往复的做着核酸检测。

而虚拟现实技术也在目前的技术上足以做到以假乱真，模拟场景原本的样貌。并配合听觉，触觉，视觉来增强观感，但在目前结合虚拟导览系统的博物馆展示体验中做的尚且不足，并没有一套完善的智能体系。

　3.2项目策划

　　3.2.1设计概念

博物馆设计发展到现在，从展示方法来说，并不局限于实地参览，我们要规划的是体验感。体验展区将会分别记录鄂钢工业园的发展历程，游客如同行走在时光隧道中，观览如同走马灯一样在眼前缓缓转过，游客能够快速还深刻的体会到“钢铁是如何炼成的”故事，了解整个鄂钢文化的旅程。

根据现有的方案规划，能够展示的仅有以材料为主的板厂、炼钢厂、湿地公园以及一号炉。湿地公园虽与钢铁厂的结合，将钢铁降温废水形成小型湖泊，展现鄂钢给城市美化起到的作用，给城市环境带来的提升，起到了提高工作环境的作用，但相对于传统的博物馆展示并无太大区别。我们就鄂钢历史文化变迁为主要展示特点，为旅客呈现出不一样的鄂钢文化，同时结合一些线上的小游戏模式，让旅客更加有沉浸感。

就此问题，如何通过先进的数字化技术将与导览系统结合，创造出能够在虚拟世界引导游客体验全息技术的设计方案。

3.2.2虚拟现实技术结合导览系统的方法

本项目为改造遗弃的钢厂旧建筑，通过C4D结合Redshift渲染器的方法模拟出真实无偏差的渲染效果，将模型以实例的方式代替，极大地减少设备的承载压力，在通过UE4模拟出3D裸眼及多通道投影的方式将效果以假乱真的趁现在用户眼前，达到线上线下都可参览的目的。

总结

通过对现有的案例进行调研思考、改进，设计出现有的数字化导览系统，统一并管理，裸眼VR交互设计，是在原有VR虚拟现实的基础上，融入新技术来拓展VR的使用功能和视觉效果。运用三维建筑漫游的渲染制作720全景VR视频，并利用投影融合技术或CAVE沉浸式环绕技术，打造具有高度沉浸感的虚拟环境。

线上端，我们采用虚拟开放世界的方式，将用户聚焦于导览系统管理AI世界中，，运用VR眼镜来提高虚拟现实程度，提高用户体验感。

最后还讨论以目前现有的技术如何制作3D裸眼技术的模型等，找到最适合的优化方式。综上所述，本研究在VR场景的基础上有所创新,改进了VR交互场景下AI智能与线下端使用的设想。对未来的智能虚拟导览系统有着一个高度发展的期待。

参考文献

[1]王惠良.智能导览系统的设计与实现[M].2014.

[2]鲁敏.生态农业观光园规划设计-以鄂钢农场为例[M].2011.

[3]刘柏亨.基于VR的辽宁战役纪念馆场景交互设计研究[M].哈尔滨工业大学，2019.

[4]马寰.裸眼VR交互设计[A].西安美术学院，2018.

　致谢

大学三年的学习生涯转眼即逝，在此期间，我收获颇多，对营销这个专业有了更多的了解，认识了许多优秀的老师，也结识了很多好朋友。首先，我衷心的感谢论文指导老师，在论文的写作中从选题到定稿给予我很多指导和帮助。其次，感谢老师大学三年对我们的关心和照顾。还要感谢身边那些同学和朋友，尤其是我的室友们，四年来我们生活、学习在一起，一起度过了很有意义的大学生涯。最后，感谢我的父母及家人，他们既是我生活上和精神上的支柱，也是我不断前进的动力。