基于Unity3D开发的虚拟漫游化石博物馆展厅
摘要
虚拟现实技术目前已经广泛应用于各领域，其中医疗健康和教育相关领域是主要应用领域之一。本系统设计将采用目前使用较为广泛的3DMax和Zbrush建模工具、Unity游戏引擎设计开发一个三维虚拟现实漫游系统，用户可以通过对博物馆进行虚拟漫游，获取展品文物信息。
为了提高系统中展品模型的真实感，通过对武汉天人合一奇石博物馆化石展区进行实地数据采集，在经过Photoshop加工处理，得到纹理贴图素材，最后在3DMax的材质编辑器中导入贴图素材并应用于模型表面。关于系统漫游功能的实现采用了OpenXR集成的插件管理包，在系统中配置了Simulator模拟器和VR设备两种漫游方式，并结合高级开发语言C#，调用MonoBehaviour函数库实现虚拟漫游系统的交互功能。为了提升漫游的沉浸感和真实性，还对场景进行了相关的优化以及灯光的渲染。
经过系统的运行测试，无论是在场景的真实性还是模型的细节表现方面都达到了预期的效果。
关键词：虚拟现实；Unity3D；虚拟漫游；三维建模
Virtual Roaming Fossil Museum Exhibition Hall Based on Unity3D Development
Abstract
Virtual reality technology has been widely used in various fields, among which the medical health and education fields are one of the main application fields. The design of this system will adopt the widely-used 3DMax, Zbrush modeling tools and Unity game engine to design and develop a 3D virtual reality roaming system. Users can obtain the information of cultural relics on display through virtual roaming of the museum.
In order to improve the sense of reality of exhibit models in the system, field data were collected from the fossil exhibition area of Wuhan Tianman-Man Unity Museum of Strange Stones, and texture mapping materials were obtained through Photoshop processing. Finally, the texture materials were imported into the material editor of 3DMax and applied to the surface of the model. The system roaming function is realized by using OpenXR integrated plug-in management package, two roaming modes of Simulator and VR device are configured in the system, and combined with advanced development language C#, MonoBehaviour function library is called to realize the interactive function of virtual roaming system. In order to enhance the immersion and authenticity of the tour, the scene was optimized and the lighting was rendered.
After the operation test of the system, both in the authenticity of the scene and the details of the model have reached the expected effect.
Keyword：virtual reality;Unity3D;Virtual roaming;Three dimensional modeling
目录
摘要
Abstract
1绪论
1.1论文研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
1.1.2实体博物馆存在的问题
1.1.3课题研究意义
1.2虚拟现实技术的研究现状
1.2.1国际现状
1.2.2国内现状
1.3虚拟博物馆研究现状
1.3.1虚拟博物馆的发展
1.3.2国内外发展情况
2相关理论综述
2.1虚拟现实简介
2.1.1虚拟现实介绍
2.1.2虚拟现实“3I”特性
2.2 3DSMax建模介绍
2.3模型纹理映射技术
2.4虚拟漫游软件介绍
2.4.1 Unity3D操作界面介绍
2.4.2脚本编辑软件
2.5本章小结
3虚拟博物馆总体开发设计
3.1系统设计流程
3.2系统模块设计
3.3系统设计主要模块
3.3.1三维建模及纹理应用
3.3.2场景搭建
3.3.3交互功能
3.3.4系统优化
3.4化石展品采集和分类
3.4.1化石展品信息采集
3.4.2化石展品分类
3.5三维展品建模
3.5.1展品建模过程分析
3.5.2展品建模前期准备
3.5.3展品建模实现
3.6材质贴图
3.6.1制作材质
3.6.2获取材质
3.6.3使用材质
3.7本章小结
4虚拟博物馆漫游系统实现
4.1漫游系统实现
4.1.1灯光处理
4.1.2交互漫游
4.1.3碰撞检测处理
4.2交互功能实现
4.2.1交互信息展示
4.2.2交互画像展示
4.2.3交互视频播放
4.3系统优化
4.3.1使用天空盒
4.3.2反射探针
4.3.3后处理技术
4.4本章小结
5总结和展望
5.1工作总结
5.2未来展望
参考文献
1绪论
随着科技的突破、信息业的快速发展以及计算机行业发展和网络应用的普及。计算机对数字化信息进行处理加工设计软建项目，与网络通信等相关技术结合，使人类生活从传统媒体传播的方式飞速的发展到现在的数字化媒体发展。可视化技术，数字信息技术等技术将占据未来信息传播的主导位地。
现如今虚拟现实技术已经多个行业得到了快速的发展。例如虚拟场景漫游便是其中的一重点方向。相比于传统的漫游手段，虚拟漫游更具沉浸感。人们通常习惯身临其境的方式去体验新事物，而传统的文字介绍方式将无法满足这一需求。通过虚拟漫游技术，人们可以实现异地漫游，并获得真实的三维体验感。此外，操作的交互性也实现了人机关系的跨越,使用者能更加的身临其境。国内已经有许多的企业公司将该技术应用于房地产、医疗健康等复杂建筑的三维仿真,并进一步开展相关研究工作。其中，虚拟漫游跟博物馆的结合一直饱受社会和政府的关注。虚拟博物馆不仅能够确保文物的安全，同时还能直观的将文物展现给观众，将博物馆的教育意义发挥，同时也能增强博物馆的宣传。
虽说实体博物馆本身是文物承载的一种很好的方式，但也存在部分问题是无法跟虚拟博物馆相较的。而虚拟博物馆对于人们而言是种崭新的方式，它能够提升人们的新思维、提高对艺术的涵养。随着社会文明的前进及科学的讯速发展，实体博物馆的基本职能和社会地位逐渐淡化[1]。
由于各种局限性，大部分实体博物馆都存在着以下几点问题：
1、由于文物的展示陈列需要相对较大的场地，若因为场地空间有限便会导致文物的展示受到制约，也将造成很多大型或者批量的文物藏品无法全部在一个实体博物馆内展示。
2、文物的保护。文物是古人的智慧结晶，不仅能从中学习到古时的知识，还是验证历史的一大重要工具。文物本体的保护是文物保护工作中的重点，因为文物不仅是不可再生的资源，若文物收受到损坏，其他的工作就无从谈起。文物都是经过长时间历史的冲刷而保留下来的，大部分都有着掉落、脱色、脆化等情况。尽管工作人员竭尽心力复原，也难以将其完整还原为其原有的样子。而且文物的展出存在着遭受破坏的风险，这种客观因素是存在的。据了解，2012年在台北故宫博物院典藏的“黄河兰州浮桥图”就遭到了人为损坏，而这种案例也不只有一起，2022年4月，陕西考古博物馆开馆十余天，有多处展陈装置被游客破坏。
3、对于实体博物馆尔而言更重要的是文物的保护与收藏，教育的基本职能偏弱。因为文物的不可再生性，且价值不菲，同时加上广大游客参观时具备的不确定性安全隐患。因此大多博物馆会在展品和游客间设立隔离线、封闭玻璃罩等，防止人为损坏的情况，从而保护文物的安全。但是这样游客就失去了近距离观察展品的机会。虽说这种做法可以很好的保护到文物本身，但是却不利于博物馆对于启发教育作用的发挥。
4、自然因素的影响，如日照和风化等这种自然界存在的不可抗力也是导致展品受损的一重要因素。
总体而言，实体博物馆存在的一些问题是难以避免的，这便导致了实体博物馆不能很好的将本质属性和文化宣传相结合。因此，虚拟博物馆就有了其存在的意义。
随着科技的发展，将传统博物馆和漫游可视化技术融合已然成为了一种趋势。
如今我国博物馆数字化发展历程中，无论是在对社会大众的宣教还是在文物研究等方面，大都采用平面化数字信息，比如图片、视频、动画等。随着科技社会的迅猛发展，三维技术应运而生，3D虚拟博物馆可以轻而易举弥补传统博物馆陈列方式、宣传教育手段存在的不足与短板，通过三维交互的方式，参观者从以往只能被动地、有限地观看博物馆展出文物的几个画面，到可以全方位的了解博物馆的建筑、内部构造以及展厅里的各种馆品，用这种全新的方式为参观者带来了大量的信息和极高的参观自由度。结合虚拟漫游技术以及3D建模,本次毕设基于Unity3D虛拟现实平台,设计并实现虚拟漫游博物馆展厅。
目前而言,国外的虚拟现实技术相比于国内差距并不大，其具体应用涉及生活当中各个领域。上世纪末美国就该技术应用于军事方面训练士兵。通过该技术在训练中模拟出军事设备并映射在计算机屏幕上，并根据不同情形模拟出相应的作战环境，以此来帮助士兵练习。通过虚拟现实技术的应用，士兵可以更加真实地体验战场环境，提高应对复杂情况的能力和应变能力。这种技术的应用也可以减少实地训练的成本和风险，提高士兵的训练效率和安全性。1992年美Ames实验室通过研究提高工程化数据手套的实用性，并进行了实时仿真实验。如今美国航空航天局建立了航空和卫星发射与维护的虚拟现实仿真训练以及空间站虚拟仿真系统[2]。
英国航空公司利用该技术设计了仿真的高级战斗机座舱以此来提升传统模拟器的潜力、西班牙的多用户虚拟奥运会、德国的虚拟环境测试平台和荷兰海牙TNO研究所开发的体能训练模拟系统。同时，这些国家也在优化人机交互过程，以改进现有的模拟系统，让用户更好地融入模拟环境中[3]。
相较而言，在虚拟现实技术的研究方面我国起步虽晚但发展速度极快且正在广泛应用。随着计算机技术高速的发展，虚拟现实技术已引起国家有关部门的重视。如今国内许多科研机构和高校都对此展开了研究且成果显著。现阶段在我国各重要的行业当中都能见到虚拟现实技术的身影。
北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR研究、最具权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室继承了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示和处理[4]。
2022年10月8日，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国家广播电视总局、国家体育总局五部分印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》通知。说明我国十分重视这一项技术的发展。此内同时也提到了推动虚拟现实+文化旅游这一项应用。
相信在不久的将来，随着国内技术的不断提升，虚拟现实系统也将会越来越广泛的运用到人民群众的生活当中，也相信届时新方法、新技术将层出不穷。
“虚拟博物馆”又被称作“数字博物馆”。也被专家称为“没有围墙的博物馆”。尤伦斯当代艺术中心的副馆长尤洋分析了数字博物馆所带来的变化，认为虚拟博物馆能够让观众更加便捷地获取信息。虚拟博物馆的构建通常是根据用户搜索数据和索引构建。也正因为如此，虚拟博物馆得到了快速的发展，一种新型的文化载体方式也逐步在大众的视野中显现[5]。
当前，许多国家都致力于建设独特的虚拟博物馆，而数字典藏计划在欧美国家已有超过20年的发展历程。
(1)美国---美国记忆。
1990年美国一名宇航员提出该计划，目的是要试将一些国会图书馆的珍贵资讯集成一个咨询服务系统供各界人员使用，其计划内容包含美国历史、影像、音频、及照片等。但是由于当时技术不足，这项计划在1994年结束了，原因包括用CD-ROM来保存和使用数字资源的方式不仅效率不高而且成本高昂等。但同年，互联网的飞速发展为数字资源的有效使用提供了很好的机会。美国国会趁着这股热潮，1994年10月13日宣布投入1300万美元建设国家数字图书馆项目。这项计划重新启动了，到2000年该项目的资金已达到4500万美元，并不断在增加[6]。
(2)日本---全球数字博物馆计划
在日本有一个知名的数字典藏计划，名为"全球数字博物馆计划"，由日本民族学博物馆与IBM东京研究所共同合作推动。该计划专注于博物馆教育，并致力于整合和检索网络上的各种数字典藏资料。它为用户提供互动式的网络浏览和编辑功能，让用户可以更深入地探索和参与数字典藏的世界[7]。
(3)中国---数字敦煌
1998年，中国启动了名为"数字敦煌"的工程，该项目是由敦煌研究院与美国梅隆基金会合作开展的。该工程利用数字技术对敦煌遗产进行数字化保护。通过数字化拍摄和处理，敦煌的相关文物被转化为高智能的数字图像。同时，通过实地测量、拍摄和编目对莫高窟进行了详细记录，最终利用QuickTimeVR技术将其制作成虚拟场景。2001年7月16日，故宫数字博物馆网站正式开通，标志着中国第一个真正意义上的数字博物馆诞生[7]。
2相关理论综述
2.1虚拟现实简介
虚拟现实技术作为本世纪的一大主流开发方向，目前正快速地进入人们的生活。就像移动电商的出现，人们可以足不出户就购买到自己想要的东西，甚至连吃饭都可以通过外卖这一种方式实现，而虚拟现实也是如此。虚拟现实技术运用了计算机等高新技术设备，并集成了多种科学技术从而生成接近真实的虚拟环境，且能通过视觉、触觉、听觉等多方面让用户模拟体验到接近真实的场景。也正因为如此，虚拟现实已经很快的投入到了生活的应用当中，虚拟漫游就是最好的例子，用户同样足不出户能很真实的感受到各地的景观等[8]。
运用虚拟现实技术，用户可以在自然条件下通过各方面的感官去体验。简单地说，虚拟现实技术具备以下几点特性：
(1)构想性(Imagination)
构想性是指虚拟现实技术能够创造出新颖、独特和创造性的体验，将人们带入虚拟世界，超越现实的限制，开启全新的想象力和可能性。
(2)交互性(Interaction)
指用户具有作用于虚拟环境中对象的能力，用户不再是被动的去感受，可以通过自主的方式进行操作，在通过虚拟环境的反馈响应，主动感受环境的变换。这代表用户对虚拟场景的物体具有操作性，且可以根据所作的操作从虚拟环境中相应反馈。
(3)沉浸感(Immersion)
沉浸感指虚拟现实技术通过逼真的视听效果、交互性和环境模拟等手段，使用户身临其境地沉浸于虚拟世界中[9]。
图2-1为虚拟现实的“3I”特性。这些3I特性共同为虚拟现实技术提供了独特的优势和吸引力，使其成为一种引人入胜且有广泛应用前景的技术。
