一、引言

　　近年来，信息化、数字化已经成为社会发展的主要方向之一。在这一趋势下，虚拟现实技术也得到广泛应用，对社会创造的价值也越来越突出。虚拟现实技术可以带给人们交互式、沉浸式的感受。将虚拟现实技术应用于博物馆，能够突破时间、空间、场地等因素的限制，人们通过登录数字博物馆，置身于虚拟的三维场景中，在虚拟的世界中获得沉浸式的体验。

　　二、数字化博物馆与虚拟现实技术

　　（一）数字化博物馆

　　博物馆是重要的公共文化场所，其主要功能是对馆内藏品的历史、艺术、科技、文化等方面展开研究，对馆内藏品进行有效的保护，并将藏品及其代表的丰富文化对外展示，承担着传播技术知识、传承优秀历史文化的重任。[1]博物馆还具有旅游开发功能，将研究藏品所蕴藏的历史、艺术、科技、文化价值进行深度挖掘，开发出深层次、高品质的文化旅游项目。数字化博物馆则是通过信息技术、数字技术将博物馆实体搬到网上，参观者登录相应的网站即可欣赏到珍贵的藏品，了解藏品背后的历史文化信息。博物馆藏品在展示过程中难免会受到外界环境因素的影响，而通过数字化博物馆展示平台，参观者既能够近距离接触藏品，也更有利于藏品的妥善保管。针对数字化博物馆的研究与探索在20世纪末就已经开始了，“超越时空的紫禁城”正是故宫博物院与IBM深度合作创建的我国首个虚拟体验型博物馆，博物馆数字化建设已经成为时代发展的主流方向。

　　（二）虚拟现实技术

　　虚拟现实技术（virtual reality，简称VR）早在20世纪就已经出现了，人们利用计算机技术和传感技术制造出一个让人感觉很真实的虚拟世界。[2]从广义上看，VR就是利用数字化技术制造出一个与现实生活相同感受的世界。从狭义的角度分析VR技术是运用计算机技术、信息技术、三维立体成像技术等，通过传感设备、立体成像设备等模拟真实的世界，人们通过佩戴专业设备在虚拟环境下可以获得与真实世界相同的视觉、听觉、触觉等方面的感受，使用者还能从中获得交互式体验。目前VR技术的应用非常广泛，比如医疗、航空航天、军事、工业等尖端科技领域，同时还进入到人们的生活当中，比如影视娱乐、教育、设计等行业，VR技术已逐步发展成为一个新的科学技术领域。[3]

　　三、数字化博物馆的功能特性

　　VR技术的应用赋予了数字化博物馆更多元、更新颖的功能，将博物馆、文化和游客更好地联系起来，为游客参观和学习研究提供了更加便捷的途径。[4]

　　（一）开放性

　　实体博物馆存在一定局限性，一方面博物馆内藏品特别是珍贵文物，不宜远距离搬运和转移，只能选择就近或就地建立实体博物馆对文物进行保护和存放。另一方面，实体博物馆内展厅空间有限，尤其是一些珍贵文物，考虑到文物的安全性，还需要限定每次参观人员的数量。而数字化博物馆则打破了这种空间上的限制，利用虚拟现实技术将实体文物进行数字化处理，通过网络和数字化平台对外展示，人们可以随时随地浏览馆藏文物，数字化博物馆的开放性为博物馆文物展示提供了便利，增添了新的活力。

　　（二）交互性

　　博物馆数字化平台改变了传统博物馆的展示方式，通过交互性设计提升参观者在博物馆空间中的感受。博物馆中的交互设计大致包含四个方面，一是利用传统的硬件设备（比如鼠标、手柄、键盘等）点击操作界面中相应的区域达到交互的目的；二是利用现代智能终端设备达到视觉上的触控交互，参观者通过作出相应的手势（比如点击、滑动、放大、缩放、旋转等），利用屏幕为媒介进行展示；三是利用声、光、电营造一种特殊的氛围，提升参观者听觉、视觉上的感官效果；四是利用虚拟现实技术提升参观者的参与度与互动性，这也是现阶段博物馆数字化建设的主要方向，比如借助体感技术可以实时获取场景中的图像信息，动作捕捉系统可以实时获取关键部位，交互系统可以将用户做出的动作进行解析后转换为操作指令，完成精准人机交互。

　　（三）沉浸性

　　沉浸性的含义是参观者仿佛进入了一个真实的世界，利用虚拟现实技术的感知系统获取虚拟世界中的触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，达到实时交互的目的，这也是虚拟现实技术运用的基本特征。博物馆沉浸式设计是为了让参观者在浏览过程中解读历史、观赏文物，将传统文化与现代生活联系起来，满足现代人们对旅游和文化的新需求。通过虚拟现实技术，利用色彩、光电、声音、图像营造出一个绚丽、超时空的空间效果，充分调动参观者感官、想象、情感与思维，融入极具艺术效果的中心。沉浸式设计是现代博物馆数字化建设与转型的关键，是一种超越主流视角诠释展览叙事空间的新模式。

　　四、虚拟现实技术在数字化博物馆中的实现

　　数字化博物馆建设的重点在于场景和氛围的营造，通过模拟在视觉、听觉、触觉上给参观者营造一种身临其境的沉浸式体验，利用交互性设计可以近距离欣赏馆藏文物，突破时空与地域的限制，在轻松愉悦的新奇体验中学习历史文化知识。[5]

　　（一）整体架构

　　基于虚拟现实技术的数字化博物馆整体架构分为两大部分，即场景的营造和交互性设计。在设计时可以采用多种图形技术，比如以Unity3D为平台，采用Maya软件完成三维建模和动画制作，使用PS软件对图像中的纹理部分进行处理。参观者可以通过平台导航系统实现与馆藏物品的互动，用户通过控制HTC VIVE手柄在虛拟世界中自由转换各种场景，并且允许用户转换到虚拟场景中不同的预定义位置，还可以根据自己的兴趣标记圆形特效。在虚拟世界中参观者有着较高的自主性，可以自由确定访问位置和停留时间。当参观者选中某一件藏品时还可以进入一个虚拟的三维场景中，使用VR手柄与藏品进行交互，在虚拟场景下进行旋转、缩放调整，也可以进行语音互动，查询相关信息等，增强了用户与藏品之间的交互性，完成一系列操作后可以选择返回博物馆大厅，也可以退出当前场景继续漫游。

　　（二）系统场景的搭建

　　使用Maya软件搭建虚拟的数字化博物馆，在博物馆的不同展示场馆中放置各种虚拟文物藏品，每件文物藏品都要建立三维模型，同时还要展示该文物藏品的历史文化背景，以便参观者深入了解文物藏品的内涵。[6]在将文物藏品由静态转换为三维立体图像时应当呈现其原貌，不能影响文物自身所代表的历史背景和文化内涵，因此在构建虚拟场景时应保证能够准确感受原作的氛围与精神。当前Maya软件在三维场景建模中的应用比较广泛，可以把握每件文物藏品的细节，再使用PS软件对文物藏品的纹理进行处理，使虚拟场景中的每种元素都符合该文物藏品所处的历史朝代，既保证了文化内涵，又具有科学研究价值。

　　在虚拟场景中很多复杂效果需要通过灯光来呈现，合理使用灯光可以增加虚拟场景的真实感与美感。虚拟场景中的网格与纹理决定了场景的轮廓与外观，灯光则是场景颜色与氛围的营造者，因此灯光的使用在数字化博物馆中非常重要。为使灯光效果更加逼真，可以采用灯光烘焙设计，将实时全局光照灯光信息添加到纹理贴图，使光照信息内容更加丰富，同时也减少了资源的消耗。

　　（三）系统操作流程

　　当用户进入虚拟数字化博物馆大厅后，面临两个选择，一个是漫游，另一个是选中某件藏品。漫游的方式主要有三种，即连续漫游、固定点漫游和瞬移。连续漫游是用户控制手柄调整漫游的方向，可以设置成按照固定的移动速度和视角进行浏览；固定点漫游是选择某个预定义的关键位置进行浏览，避免错过重要的信息；瞬移则是控制手柄发出一条射线到虚拟空间中可移动区域的某个位置并瞬间到达。[7]这三种漫游模式可以根据用户的需求自由控制。如果参观者想浏览查看某件藏品时，可以通过控制手中的手柄选择，该功能主要是通过UI交互设计来实现。在虚拟场景下每件藏品都对应一个“确定”按钮，用户可以通过手柄发出的射线控制或者通过触碰的方式控制，选中相应藏品的UI按钮后进入。这两种控制方式有一定的差别，当用户与所选中的藏品UI按钮较远时可以使用射线控制的方式，如果距离较近时可以使用触碰的方式，用户可以自由选择。

　　（四）灯光效果的呈现

　　科学合理的灯光设计是虚拟场景氛围的营造者，也是提升参观者体验效果的关键，在灯光的使用上应注意以下几点：突出重点，馆藏文物是博物馆展示的重点，在光源配置上应重点关注藏品光照效果；光源的选择，针对不同材质的藏品使用不同的照明方式，比如陶器适合聚光源，甲骨类比较小的文物适合在较矮的展示柜中使用点光源；光源的分布，根据场景内实际情况合理分布光源，以免出现阴影、重影等，影响展示效果；光源的控制，合理调整光源的照射距离和光源半径，使光照达到最佳效果。

　　可以通过展示柜中光源产生的漫反射效果影响虚拟场景的整体效果，相对暗一点的环境更能够突出展示柜中藏品的呈现效果，一般馆内藏品都具有一定的历史文化价值，相对较暗的光照效果也能够更好地呈现藏品的神秘感。在Maya软件中创建应用场景，选择球体与相应的材质，再选择菜单中的“灯光”选项，继续点击扩展栏中的“区域光”，光源的各项属性都可以编辑，最后点击“渲染”按钮完成光源的设置，如果需要同时设置多个光源可以采用云渲染平台提高工作效率。

　　（五）交互性的实现

　　在数字化博物馆大厅中，各场景可以看作是多个“关卡”，在大厅中控制手柄就可以进入相应的关卡漫游。

　　在虚拟场景中可以采用“Pawn”设计实现对用户视角下的前进、后退、旋转等一些交互性操作，比如旋转视角、角色移动、射线检测等，用户通过点击相应的按钮进入某件藏品“关卡”。“Pawn”对于视角的控制是通过一个胶囊体和一个摄像机来完成的，利用鼠标输入事件，读取鼠标 “X、Y” 坐标轴的值调整摄像机的朝向。角色移动是利用键盘输入事件触发的，在获取角色的朝向后，移动单位距离。设计完成后需要进行碰撞试验，以免发生角色穿透模型的问题。进入藏品“关卡”的设定是通过鼠标点击相应场景按钮实现的，通过“射线检测线条”节点从鼠标所处位置发出一条射线，系统则会记录下与射线发生碰撞的模型ID，然后按照ID开启相应的“关卡”。系统会检测角色所处的位置与朝向，当角色从某个“关卡”中退出并返回大廳时，可以还原至原来的位置与朝向。

　　五、虚拟现实技术对数字化博物馆互动体验效果的提升

　　利用虚拟现实技术，数字化博物馆可以提供个性化服务，按照不同年龄、性别、领域的目标群体采取针对性设计方案，每个参观者都能够按照自己的需求在同一博物馆中使用相应的VR设备进行浏览学习，满足不同群体的个性化需求。数字化博物馆虽独立存在于虚拟环境当中，但虚拟环境中的藏品、陈列、展厅布置等都要与现实环境相符。数字化博物馆建设目前可以选择的展示方案有多种，可选用的技术设备也较多，不同类型的博物馆可以按照自己的需求制定合理化方案，比如，在比较宽敞的大型博物馆中可以根据藏品特点设置相应的VR体验区，在相对封闭的环境中不会受到其他因素的干扰；而一些小型博物馆则适合采用3D投影或者使用便携式VR设备，这样可以减少空间的占用，提高游客参观的效率。[8]

　　虚拟现实技术的运用也需要考虑参观者的内心感觉与需求，设计出具有个性化、人性化的展示方式，增强参观者沉浸式的体验效果。此外，在运用虚拟现实技术时也应考虑到展示时间的限制，尤其是一些包含了较多复杂信息的文物藏品，应从观者的角度创建舒适、友好的操作界面，遵循美学设计理念，不能产生视觉疲劳，不能增加观众的认知负荷。[9]

　　六、结语

　　信息化时代背景下，数字化技术、虚拟现实技术的运用为我们呈现了一个具有融合性、交互性的数字虚拟空间，人们在虚拟化的场景中获得沉浸式、交互式体验。博物馆数字化建设是时代发展的必然需求，通过虚拟现实技术的运用将需要展示的文字、图片、音频、视频等内容以三维立体的形式展现在参观者面前，将博物馆所陈列的文物、资源进行空间化、信息化、虚拟化，给参观者以身临其境的感受。

　　参考文献：

　　[1]石峰.徐州户部山传统民居建筑木雕装饰艺术数字博物馆设计研究[J].鄂州大学学报，2022，29（01）：65-68.

　　[2]徐光霁.博物馆数字化建设与文物管理探讨[J].中国科技信息，2021（17）：108-109.

　　[3]马自萍，郭贝贝，李海东，等. Pano2VR的宁夏虚拟博物馆全景漫游实现[J].现代电子技术，2021，44（08）：149-153.

　　[4]胡小青，蔡雨欣，许洁.基于VR技术背景下井冈山红色文化虚拟博物馆设计[J].建筑结构，2021，51（19）：142.

　　[5]于雨.游戏引擎中玻璃材质的艺术表现探究——以UE4为例[J].大众标准化，2020（23）：

　　144-145.

　　[6]游越，赵涛.灯光——博物馆展览陈列的渲染巨匠[J].大众标准化，2021（21）：41-43.

　　[7]李妍，程璐璐，郭骁煊.基于虚幻引擎技术的兰州战役纪念馆数字化场景设计[J].工业设计，2021（12）：157-158.

　　[8]马绍江，傅睿.基于UE4蓝图编程的建筑结构可视化交互应用设计研究[J].山西建筑，2020，46（10）：197-198.

　　[9]杨传贵，杨莹.静寄山庄泠然阁景区UE4仿真漫游设计研究[J].天津城建大学学报，2020，26（04）：243-248.

　　（作者简介：赵冬，女，本科，宜昌博物馆，副研究馆员，研究方向：博物馆陈列展览）

　　（责任编辑 张云逸）