欧雯辉，郑征，廖加骏，金鑫

【摘  要】 随着科技的不断发展，虚拟现实技术已成为传播文化信息的重要手段。博物馆作为人类文化遗产的载体形势，将虚拟现实技术运用于博物馆的文化传承和教育普及具有重要的现实意义。因此，文章以叶县县衙作为研究对象，基于Unity3D引擎构建一座沉浸式的虚拟博物馆。利用Maya和Substance Painter软件制作完成博物馆场景以及馆内遗物模型、材质的制作，真实还原建筑和展品的原貌，使用Unity3D引擎完成多动态交互方式的设计与制作，实现了叶县县衙虚拟现实博物馆的展示应用。通过结合虚拟现实技术与传统博物馆，成功突破时间和空间的限制，有效解决了传统博物馆的局限。

【关键词】 虚拟现实；Unity3D；历史文化；叶县县衙；博物馆

随着虚拟现实技术的不断发展，其在各个领域都产生了不同程度的影响。在文化教育领域，虚拟现实技术为文化的传播和展示提供了独特的沉浸式体验和交互逻辑，为学习者提供更加全面的学习资源、降低教学成本、进一步提升教学效率和质量、实现情境学习，促进知识迁移、增加文化信息的传播等。博物馆作为一个传播文化信息的关键场所，受限于地理位置、文物保护限制等，很多人无法亲自前往博物馆进行参观学习导致文化信息传播能力受到限制。借助虚拟现实技术特点，将其应用于博物馆场景的虚拟展示和交互中，设计与实现一个基于Unity3D的虚拟仿真博物馆，创新文化传播手段，让用户随时随地感受博物馆的历史文化，更方便快捷地接受文化信息。

一、研究背景

中国博物馆是中国文物和标本的主要收藏机构、宣传教育机构和科学研究机构，是中国社会主义科学文化事业的重要组成部分。而虚拟博物馆能够为用户提供信息化的交流，拉近与真实博物馆的距离，利用Unity3D技术，能够把博物馆里的各种建筑模型建立到计算机上活灵活现地呈现在用户面前，建立一个传递文化信息的虚拟博物馆。

叶县县衙作为中国河南省信阳市叶县的一座历史建筑，从历史上来看为一座五品县衙，占地一万六千多平方米，规模宏大，气势雄伟。主体建筑有大堂、二堂、三堂、狱房、厨院、知县宅、大仙祠、虚受堂、思补斋等建筑都是清同治年间遗留下来的。它是中国封建社会县级政权衙门的实物标本和历史见证，是一座十分珍贵的文史资料库。然而，许多人因种种原因，无法实地了解和感受这些历史建筑的背后故事和历史文化价值。因此，利用虚拟现实技术将这些历史建筑进行数字化呈现，成为博物馆面临问题的解决方案之一。

将虚拟现实技术与博物馆的历史建筑相结合，可讓用户足不出户就能观赏到叶县县衙博物馆内的实景和建筑模型，熟悉博物馆内的各个角落。此技术不仅让用户在潜移默化的过程中学习了解县衙历史文化，还可以提高叶县县衙博物馆的知名度，达到一举两得的效果。

二、基于Unity3D引擎的叶县县衙虚拟现实博物馆系统设计

想要建立叶县县衙虚拟现实博物馆系统，主要使用了Maya作为模型制作工具进行虚拟叶县县衙的建模以及使用Unity3D来实现虚拟博物馆的交互系统。具体步骤如下：

1. 数据采集。为还原真实的叶县县衙样貌，需要采集叶县相关数据，通过实地考察、无人机和相机拍摄的方式获得叶县县衙整体和细节的建筑信息，并通过现场测量来获得更为准确的建筑尺寸和比例相关数据。

2. 模型制作和场景搭建。根据拍摄照片以及测量的数据信息，使用Maya软件进行对照三维建模，制作完成并导入Unity3D引擎中，根据实地考察数据，添加地形、植被、水体、家具等细节，搭建完整的虚拟叶县县衙场景，并根据实景调整场景光照、后处理等以实现逼真的虚拟现实体验。

3. 交互系统。为使用户在体验虚拟博物馆时拥有好的体验感，文章在交互系统中主要设计并实现了这四大功能：自由漫游、九品换装、判案剧情对话、编钟游戏。通过点击主页开始游戏按钮的分支选项，用户能够快捷地体验到各功能模块。自由漫游中用户可以操控键盘自由浏览叶县县衙的不同区域，到达不同地区都会弹出相应的名称和介绍，同时附带自动导游和小地图功能辅助用户熟悉了解虚拟叶县县衙各地区。九品换装可以让用户选择让虚拟人物更换不同的九品官服，通过服装细节的对比和文字解说让用户加深对九品官服的了解。而判案剧情对话、编钟游戏能让用户以第一人称视角体验到古时判官判案和编钟奏曲，在人物对话和编钟击打中让用户身临其境体验叶县县衙的历史文化。

三、叶县县衙虚拟现实博物馆的实施方案

（一）博物馆建模和材质

在叶县县衙内进行实地考察，使用测量工具，按照实际比例对叶县县衙进行测量，如建筑物高度、长度、宽度以及各建筑间的比例大小等，然后使用相机和无人机的拍摄来获取叶县县衙的建筑细节和整体俯视图，为三维建筑模型构建提供重要的基础数据。为了便于实现对叶县县衙建筑的分别建模，需要根据左中右对整个建筑划分为三个区域，对建筑模型进行分类，将其组合搭建成完整场景。根据测量数据，首先创建多个基础几何体勾勒出整体比例形状，其次根据实拍图片的四面图片仔细比对逐渐细化，勾画出细节，利用倒角修改器对照片来修改不同位置达到收缩和凹凸效果完成整体效果，最后将所有多边形面合并，并UV展开完成单个模型建模。

为还原叶县县衙的真实效果，贴图材质也是必不可少的。通过拍摄墙壁、牌匾、石碑等细节部分获取照片素材，使用图像处理软件Photoshop将真实照片素材进行处理和合成，导入材质软件SubstancePainter中使用现有素材和现实贴图的混合制作真实还原的材质贴图，完成后以Unity3D的格式导出，将制作好的材质贴图应用到叶县县衙建模中的各个部分，最后根据实景图片对比，调整材质的平滑度、法线强度等属性，增强虚拟博物馆中的视觉效果。

（二）博物馆场景搭建

将建模好的模型导入Unity后组装形成完整的叶县县衙模型，通过无人机与相机拍摄来获取的叶县县衙整体的俯视图和建筑物三视角的细节图，对导入的建模模型进行整体的位置调放和比例调整。为让效果更加真实、更符合实际，添加Unity自带的地形组件，创建一个贴合场景地面大小的地形，使用地形高度工具制作出叶县县衙的地形，并添加泥土草地落叶纹理，模拟出原本地形的真实感。再使用地形植被绘制工具，将植被放置在俯视图中绿化位置，增加场景的自然感。在场景中的后花园池塘位置需要添加水体材质，通过添加并调整水体材质属性和平面反射组件，实现较为真实的水体。最后为增强博物馆的氛围，根据实际照片布局导入适合叶县县衙风格的家具模型，并将其放置在房间内部，调整家具的位置大小，使其与场景相匹配。在叶县县衙虚拟博物馆的场景搭建完毕后，为保证模型的碰撞精准，需要根据模型实际大小为建筑和地形依次添加物理碰撞器。

（三）游戏交互功能的实现

1. 自由漫游系统。在自由漫游系统中，用户可以通过键盘和鼠标操控摄像机的移动和视角方向，为用户方便了解各地区的详情，在不同地区都挂载了触碰交互脚本，当用户在漫游过程中靠近进入触发器中时，就会展示该区域相关文字介绍、并语音播放文本内容。为帮助用户在虚拟现实博物馆中按照合适的路线访问各个区域，地区介绍脚本还会根据当前地区优先值为用户推荐前往附近的地区路线，自动引导用户从当前区域前往下一个目标区域，计算并显示目的导航线和距离米数，以实现平滑的带用户导游所有建筑区域的效果。同时为帮助用户了解叶县县衙虚拟博物馆的整体情况，用户可以设置打开地图查看该场景的俯视视角，并在小地图上标记出玩家的当前位置和其他地区的标记，用户可以通过点击小地图上的标记来获取导航到对应地区的路线。

2. 九品换装系统。九品换装系统通过用户点击不同按钮的ID通过脚本来切换对应角色服装材质和官服胸前图案贴图，便于用户在交互过程中了解明代文官九品官服等级制度。在切换的过程中，使用了Shader制作的前后溶解效果来丰富换装效果。同时为更直观向用户服装的细节，在换装UI的顶部栏还添加了预设不同的摄像机位置视角以及自由视角的选项展示给用户。

3. 编钟音乐游戏。在编钟音游戏系统中，系统会根据乐曲的节拍有节奏地在编钟上生成音符指引，用户按下对应按键即可敲打编钟，同时一步步完成编钟乐曲的演奏。为满足不同用户习惯，还可以设置更改乐曲的播放速度以及音符的生成延迟时间。系统会根据用户的输入来判断音符的击中情况，根据击中的准确度给予加分和播放编钟摇摆动画并生成音符扩散粒子特效，并在乐曲演奏结束后进行分数结算。

4. 判案对话剧情。判案剧情中用户会以判官的第三人称视角进行游戏，用户将要在对话信息中与纸质证物中寻找真相并达成最终结局。在判案对话剧情制作中使用了Fungus插件，用于管理和制作游戏中的判案剧情对话内容流程，使用文本来呈现对话内容，并提供选项供用户选择，根据用户的选择和剧情的进展，会更新游戏中的角色动画状态和游戏进程。除了对话部分，还需要控制对话人物的摄像机位置、方向、远近，还挂载了一个剧情摄像机控制脚本，在切换人物对话时会做到更改当前摄像机目标。并且在判案过程中，用户会搜集到不同的证物和证据，脚本自动收入右上角证物栏中，便于用户随时比对消息。

（四）性能优化

精美的三维场景制作可以带给用户更加美观和逼真的游览体验，但同时也会增加系统开销，导致系统运行效率低下、响应延时等问题，在设计和开发叶县县衙虚拟现实博物馆时，性能优化是确保游戏在各种设备上流畅运行的关键。为达到真实场景效果和流畅的漫游体验之间的平衡，文章在以下三个方面进行了场景的资源优化。

1. 三维模型的面数优化。在模型制作过程中，为达到圆滑的倒角效果，從而造成大量的面数增加，除去不必要的倒角，改用材质视差贴图的方案替换掉，并且剔除一些看不见的面数，可以有效减少计算机对模型的渲染计算负担。

2. 场景划分。由于大场景众模型过于集中且植被密集会导致加载速度过于缓慢且运行卡顿，可以将大场景划分成为左中右三部分场景，场景交接部分会出现虚线，用户靠近会加载至对应场景中，保证场景的整体性的同时也能有效减少单个场景的模型数量。

3. 三维模型的调度优化。Unity默认会渲染摄像机附近的所有物体会造成不必要GPU渲染计算，可以使用遮挡剔除技术自动剔除视野外的物体从而减少渲染负担。同时使用LOD技术给模型划分细节级别，对远景物体使用低模和剔除以减少渲染开销，并对模型批处理合并也可减少渲染调用提高效率。

四、结语

文章对虚拟现实技术在虚拟博物馆游览中的运用展开了深入研究与探索，并设计开发了基于Unity3D的叶县县衙虚拟现实博物馆，使用户能够通过游戏互动的方式更好地理解和掌握文化知识。未来，希望可以进一步探索虚拟现实技术在教育领域的应用，开发更多具有创新性和实用性的教育游戏，以满足不同年龄段和学习需求的学习者，推动传承与保护历史文化。

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