虚拟博物馆展示系统的构建方法、构建系统和展示系统

摘要

本发明涉及虚拟博物馆技术领域，尤其涉及一种虚拟博物馆展示系统的构建方法、构建系统和展示系统，构建方法包括：将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果，将博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至虚拟空间三维模型中，得到第一中间虚拟空间三维模型，并依次进行模型减面处理、场景搭建，得到第二中间虚拟空间三维模型；构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面，构建多项交互展示内容，得到并将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联，得到博物馆的虚拟博物馆展示系统。能够提高虚拟博物馆的沉浸性、真实性和流畅性，给予用户更加真实的虚拟博物馆参观体验。

说明书

背景技术

传统的虚拟博物馆技术方案中，通常会先在3DsMAX建模导出FBX格式模型文件，导出贴图，将FBX模型和JPEG贴图文件导入Unity3D工程文件，搭建三维场景，再进行场景光照布置，这种方法由Unity3D进行实时光照计算，实时渲染场景，现有技术方案(3DsMAX建模、PS贴图制作、Unity3D虚拟引擎交互制作)存在以下缺陷：

1)模型顶点、三角面数过大导致运行卡顿；

2)画面效果参差不齐，模型及贴图精度高的文件体积大容易卡顿，模型及贴图精度低的演示效果差，无法还原虚拟博物馆的真实性。

3)由于博物馆场景的特殊性，需要在室内布置大量的灯光在Unity3D实时渲染时，会占用大量渲染能力造成卡顿。

4)交互内容少或无，多是走马观花观看文字介绍和文物模型，缺乏可互动的交互体验项目。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种虚拟博物馆展示系统的构建方法、构建系统和展示系统。

本发明的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法的技术方案如下：

构建博物馆的虚拟空间三维模型；

将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中，根据所述博物馆的室内光照系统模拟所述虚拟空间三维模型中的光照效果，将所述博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至所述虚拟空间三维模型中，得到第一中间虚拟空间三维模型；

对所述第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理；

对模型减面处理后的第一中间虚拟空间三维模型进行场景搭建，得到第二中间虚拟空间三维模型；

构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面，构建多项交互展示内容并关联在第二中间虚拟空间三维模型中，得到第三中间虚拟空间三维模型；

将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联，得到所述博物馆的虚拟博物馆展示系统。

本发明的一种虚拟博物馆展示系统的构建系统的技术方案如下：

包括第一构建模块、处理模块、减面模块、场景搭建模块、第二构建模块和关联模块；

所述第一构建模块用于：构建博物馆的虚拟空间三维模型；

所述处理模块用于：将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中，根据所述博物馆的室内光照系统模拟所述虚拟空间三维模型中的光照效果，将所述博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至所述虚拟空间三维模型中，得到第一中间虚拟空间三维模型；

所述减面模块用于：对所述第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理；

所述场景搭建模块用于：对模型减面处理后的第一中间虚拟空间三维模型进行场景搭建，得到第二中间虚拟空间三维模型；

所述第二构建模块用于：构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面，构建多项交互展示内容并关联在第二中间虚拟空间三维模型中，得到第三中间虚拟空间三维模型；

所述关联模块用于：将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联，得到所述博物馆的虚拟博物馆展示系统。

本发明的一种采用上述任一项所述的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法所构建的一种虚拟博物馆展示系统。

本发明的有益效果如下：

能够提高虚拟博物馆的沉浸性、真实性和流畅性，给予用户更加真实的虚拟博物馆参观体验，增加用户参观时长，优化用户体验效果。

附图说明

图1为本发明实施例的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法的流程示意图；

图2为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之一；

图3为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之二；

图4为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之三；

图5为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之四；

图6为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之五；

图7为构建出的虚拟博物馆展示系统的效果示意图之六；

图8为本发明实施例的一种虚拟博物馆展示系统的构建系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法，包括如下步骤：

S1、构建博物馆的虚拟空间三维模型，具体利用3ds MAX建模技术，构建博物馆的虚拟空间三维模型，具体地：

以博物馆展陈大纲文件、可行性分析报告等文件为基础，应用3DsMAX建模技术，对于博物馆展厅、室内空间等物理对象，为达到真实再现的目的，以前期CAD工程图纸数据为基础，1：1完全根据真实空间尺寸来搭建博物馆的虚拟空间三维模型。

S2、将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果，将博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至虚拟空间三维模型中，得到第一中间虚拟空间三维模型；

其中，将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中的具体过程为：

应用Photoshop软件将前期收集到的博物馆图片即预设图像进行贴图处理，应用展UV、绘制等方法进行贴图绘制至虚拟空间三维模型中。

其中，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果的具体过程为：

利用Vray渲染器技术，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果，具体地：

应用Vray渲染器技术，采用目前流行的Vray渲染器下室内光照系统模拟光照效果，Vray的聚光灯、点光源、平面光源能够在全局光照的条件下模拟真实自然光照的照射和阴影效果，能够提高虚拟博物馆对真实性的要求。根据每个具体的场景调节参数，可以控制场景主体与环境的明暗关系对比，更好的烘托主体。渲染出来的贴图导出JPEG/PNG纹理贴图：

①Photoshop绘制的贴图导入3DsMAX中；

②使用Vray的聚光灯、点光源、平面光源布置场景灯光和全局光照效果；

③使用Vray渲染器渲染带有灯光信息的纹理贴图；

④导出JPEG/PNG纹理贴图。

其中，将博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至虚拟空间三维模型中的具体过程为：

将导出的JPEG/PNG纹理贴图进行分类和TXT节点格式信息处理，在虚拟博物馆中展示三维藏品基本信息的贴图通过TXT节点进行记录，系统根据三维物体模型的坐标(x,y,z)实现外部贴图位置的读取与调用，根据Transform/Postition(x,y,z)数值来确定贴图位置。

一条藏品纹理贴图的典型TXT节点格式信息如下所示：

T5JPEG俊采星驰岳瓶W0312 10 90.5 60.5(展厅编号+空格+文件格式+空格+展区+空格+文物名称分类编号+空格+系统内三维物体模型的坐标(x,y,z))，其中，“T5”表示藏品所在展厅序号，“JPEG”表示纹理贴图的文件格式，“俊采星驰”表示展区名称，“岳瓶W01”表示该文物的名字，“岳瓶”为藏品名称，“W”为文物类代码，“01”为文物编号，“10 90.560.5”表示系统内三维物体模型的坐标(x,y,z)；

本设计方法的TXT节点格式信息分类以展厅为一级分类，展区为二级分类，文物名称或材质名称为三级分类。

这些信息记载在TXT文件中，与纹理贴图文件统一存储在高性能工作站的磁盘存储器中，当虚拟博物馆系统运行时，在开始时载入并进行解析。

S3、对第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理，具体利用PolygonCruncher软件对第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理，具体地：

3DsMAX建模后通常模型面数在数百万个三角面，直接导入Unity3D中会造成帧数严重降低，影响流畅度。使用Polygon Cruncher软件进行模型减面可以简化而不损害细节与模型质量。使模型面数降低为原来的十分之一。此步骤流程如下：

①模型导入；

②删除共面的面；删除混淆点；

③通过合并网格或合并；

④将网格分割成单独的元素；

⑤导出FBX模型文件。

S4、对模型减面处理后的第一中间虚拟空间三维模型进行场景搭建，得到第二中间虚拟空间三维模型，具体地：

将减面后的FBX模型导入Unity3D工程，进行场景搭建。搭建流程如下：

①Shader着色器设置，使画面达到应用效果；

②增加反光效果，Hierarchy面板中→→Light选择Reflection Probe，创建一个反射探针；根据博物馆每个展厅的大小，调整反射探针影响的区域；

③采用FirstPeRsonChaRacter组件，创建第一人称视角摄像机④采用Physics组件为场景中的模型加入碰撞体，用于防止角色控制时穿模等不合理的透视现象。

S5、构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面，构建多项交互展示内容并关联在第二中间虚拟空间三维模型中，得到第三中间虚拟空间三维模型；

其中，构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面的具体过程如下：

GUI界面采用黑白灰三色，城市传统色系，突显历史文化氛围。系统界面中的UI设计主要使用户能够将视觉中心放在主场景区域进行参观体验。左侧为功能按键为主，尽量精简，去除无关的图标，减少用户的注意力。

其中，构建多项交互展示内容并关联在第二中间虚拟空间三维模型中的具体过程为：

首先，编写交互功能脚本：

①使用Visual Studio 2019编译器撰写C#脚本；

②根据不同展项制作多项交互展示内容，包括《诗经·邶风》、交互控制台等；

③将交互设备与虚拟博物馆对接，游览博物馆时可开启互动交互体验。

然后，根据虚拟博物馆展示的内容，可在不同的情境设计选择合适的技术可以有效的提升情境氛围和观众体验的参与感。同时一些在现实博物馆中难以实现的场景，可在虚拟博物馆中实现。

S6、将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联，得到博物馆的虚拟博物馆展示系统，具体地：

①连接好虚拟现实设备如VR设备或AR设备等并进行设备激活；

②为场景中Camera添加Steam VR_Camera.cs组件设置；

③封装导出场景程序；

④运行程序；

⑤当虚拟博物馆系统运行时，载入并进行解析，在计算设备的磁盘存储器中的TXT节点信息纹理贴图文件；

⑥程序将解析的外部纹理贴图自动设置到程序场景内的模型上，从而构建出完整的体验场景。

可选地，在上述技术方案中，将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联之前，还包括：

S06、采用Unity3D中Post Processing Stack组件，对第三中间虚拟空间三维模型的场景整体成像质量进行调整。该过程可理解为后期视觉处理的过程，具体地：

采用Unity3D中Post Processing Stack组件，对场景整体成像质量进行调整，所述的调整包括对虚拟场景整体成像质量的真实性进行调整，即现实成像的色差效果、辉光效果、视觉景深效果、环境光遮蔽效果进行调整。具体调节的内容如下：

①主要调整场景中的主体颜色，通过调节光线的色温，能够使整体色调更加逼真；

②通过阴影增强画面的真实感，往往成为决定三维与实景完美融合的关键因素；

③通过视觉景深的使用，模拟现实阴影衰减的效果；

④运用环境光遮蔽果，模拟光线照射到物体的边缘部分产生的弯曲。

本发明的初衷是提高虚拟博物馆的沉浸性、真实性和流程性，给予用户更加真实的虚拟博物馆参观体验，增加用户参观时长，优化用户体验效果。该方法可实现如下技术效果：

1)能够省去在Unity3D中布置灯光效果的步骤，省去Unity3D中实时光照运算渲染的过程，极大的节省渲染能力，提高场景的运算速度；

2)能够创建完全还原真实或超过现实博物馆的拟真度虚拟博物馆；

3)能够提升虚拟博物馆运行性能，实时FPS达到60帧以上；

4)能够在虚拟博物馆的基础上，增加带有艺术属性的交互展示互动。

以某博物馆数字化虚拟博物馆展示系统为例，对本发明的技术方案进行进一步说明：

某博物馆总面积约为4600平方米，布展面积2000平方米。陈列展示共包括历史文化陈列、非遗展示厅、临时展厅三部分，设7个展厅和1个历史文化名人长廊，其中，二层包括序厅、新石器时期展厅、夏商周时期展厅、秦汉至唐代时期展厅、宋元明清时期展厅等；三层包括近现代时期展厅、非遗展厅和历史文化名人长廊等；四层设临时展厅。展览以大量的珍贵文物和艺术场景展示了其文明发展史。

根据本发明的技术流程：展陈大纲策划、建模制作、贴图绘制、Vray渲染器渲染纹理贴图、模型减面、Unity3D场景搭建、制作用户GUI界面、编写交互功能脚本、后期视觉处理、封装导出场景后运行程序文件直接调用外部纹理贴图。具体如下：

S101、与馆方进行多次研讨，修订数字博物馆项目总体规划、博物馆数字化项目可行性报告、博物馆设计方案、历史文化陈列方案。在对博物馆进行全方位策划后，以多项策划内容和设计文件为基础，从博物馆的目标定位、功能分析、受众分析、场地分析进行分析策划、从策划宗旨、策划主题、布展大纲进行内容策划、设计策略、动线布局、色彩分布、展示形式、展墙立面、UI界面进行设计策划，进而进行虚拟博物馆的系统设计。

S102、应用3DsMAX建模技术，对于博物馆展陈空间面积共2070.13㎡，7个展厅和上百件文物进行建模，陈列展示共包括历史文化陈列、非遗展示厅、临时展厅三部分，设7个展厅和1个历史文化名人长廊，其中，二层包括序厅、新石器时期展厅、夏商周时期展厅、秦汉至唐代时期展厅、宋元明清时期展厅等；三层包括近现代时期展厅、非遗展厅和历史文化名人长廊等；四层设临时展厅。展览以大量的珍贵文物和艺术场景展示了其文明发展史。虚拟博物馆建模参照前期CAD工程图纸数据为基础，1：1完全根据真实空间尺寸来搭建虚拟空间三维模型。真实还原博物馆空间。

S103、贴图绘制，应用Photoshop软件将前期收集到的博物馆图片信息进行贴图处理，应用展UV、绘制等方法进行贴图绘制。

S104、将绘制完成的贴图导入3DsMAX中，以位图形式赋予将建模好的博物馆作为材质，使用Vray的聚光灯、点光源、平面光源进行灯光布置，根据7个展厅的具体场景调节参数，分别进行贴图渲染，分别导出JPEG/PNG纹理贴图。

S105、将导出的JPEG/PNG纹理贴图进行分类和TXT节点格式信息处理，本设计方法的TXT节点格式信息分类以展厅为一级分类，展区为二级分类，文物名称或材质名称为三级分类。

①七个展厅分别对应编号为

一、序厅/T1

二、新石器时代/T2

三、夏商周时期/T3

四、秦汉至唐代/T4

五、宋元明清时期/T5

六、近现代时期/T6

七、非物质文化遗产/T7

②二级展区分类为

历史文化陈列

汤水汤汤文明曙光

华夏帝都诗易之源

千年古县汉唐遗韵

俊采星驰辉耀中原

烽火岁月汤河壮歌

承古启今薪火相传

③三级文物名称或材质名称分类为

文物类/W

墙面类/Q

地面类/D

人物类/R

液体类/Y

植物类/Z

材质类/C

各种类纹理贴图的典型TXT节点格式信息如下所示：T1 PNG汤水华章大理石Q02760 16 -76

T1PNG汤水华章大理石D01 16 19.3 2

T1PNG汤水华章铜镜凤纹W032 72 14.3 30T2 PNG汤水汤汤白营遗址猎人R0820.3 43 32T2 PNG汤水汤汤树木Z01 65.7 98 984.1

T3JPEG华夏帝都文王演易半景画W098 76 98.8 77.6T4 JPEG千年古县四面佛W232 12.3 454 98T5 JPEG俊采星驰岳瓶W0312 10 90.5 60.5T6 JPEG烽火岁月金属C07636 98 55

T7JPEG承古启今水面Y02 98.3 120 5

(展厅编号+空格+文件格式+空格+展区+空格+文物名称分类编号+空格+系统内三维物体模型的坐标(x,y,z))

S106、将3DsMAX建模完成的模型应用Polygon Cruncher软件进行模型减面，使模型面数降低为原来的十分之一。模型导入，删除共面面；删除混淆点，通过合并网格或合并，将网格分割成单独的元素，导出FBX模型文件

S107、将减面后的FBX模型导入Unity3D工程，进行场景搭建。①Shader着色器编写，本系统虚拟博物馆的Shader参数：Disable batching:NO、Ignore projector:NO、LOD：300、Render queue:2000、cast shadows:YES、Compiled code:Compile and show code。②本系统根据博物馆每个展厅的大小，调整反射探针影响的区域；具体参数：type:Realtime、Time slicing:all faces at once、Importance:2、Intensity:1、Box projection:开启。③采用FirstPeRsonChaRacter组件，创建第一人称视角摄像机④采用Physics组件为场景中的模型加入碰撞体，用于防止角色控制时穿模等不合理的透视现象。

S108、制作用户GUI界面，GUI界面采用黑白灰三色，城市传统色系，突显历史文化氛围。系统界面中的UI设计主要使用户能够将视觉中心放在主场景区域进行参观体验。左侧为功能按键为主，尽量精简，去除无关的图标，减少用户的注意力。

S109、编写交互功能脚本，①使用Visual Studio 2019编译器撰写C#脚本②根据不同展项制作多项交互展示内容，包括《诗经·邶风》、交互控制台等③将交互设备与虚拟博物馆对接，游览博物馆时可开启互动交互体验。

S110、后期视觉处理，①主要调整场景中的主体颜色，通过调节光线的色温，能够使整体色调更加逼真。②通过阴影增强画面的真实感，往往成为决定三维与实景完美融合的关键因素。③通过视觉景深的使用，模拟现实阴影衰减的效果。④运用环境光遮蔽果，模拟光线照射到物体的边缘部分产生的弯曲。⑤Antialiasing抗锯齿选择，Method:fastApproximate Anti-aliasing模式、Preset:Exreeme Quality模式。⑥Bloom光晕选择，Intensity:0.1、Threshold:1、Soft Knee:0.5、Radius:3、Anti Flicker:开启、Intensity:3。

S111、①连接好VR设备并进行设备激活。②为场景中Camera添加Steam VR_Camera.cs组件设置。③封装导出场景程序④运行程序。⑤当虚拟博物馆系统运行时，载入并进行解析，在计算设备的磁盘存储器中的TXT节点信息纹理贴图文件。⑥程序将解析的外部纹理贴图自动设置到程序场景内的模型上，从而构建出完整的体验场景，应用本系统设计方法后实现了汤阴数字博物馆的高拟真度和流畅度，使用户感受到强烈的沉浸感和临场感，具体效果图如图2至图7所示。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图8所示，本发明实施例的一种虚拟博物馆展示系统的构建系统200，包括第一构建模块210、处理模块220、减面模块230、场景搭建模块240、第二构建模块250和关联模块260；

第一构建模块210用于：构建博物馆的虚拟空间三维模型；

处理模块220用于：将博物馆的预设图片绘制至虚拟空间三维模型中，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果，将博物馆中的藏品的纹理贴图绘制至虚拟空间三维模型中，得到第一中间虚拟空间三维模型；

减面模块230用于：对第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理；

场景搭建模块240用于：对模型减面处理后的第一中间虚拟空间三维模型进行场景搭建，得到第二中间虚拟空间三维模型；

第二构建模块250用于：构建第二中间虚拟空间三维模型的用户GUI界面，构建多项交互展示内容并关联在第二中间虚拟空间三维模型中，得到第三中间虚拟空间三维模型；

关联模块260用于：将第三中间虚拟空间三维模型与虚拟现实设备进行关联，得到博物馆的虚拟博物馆展示系统。

可选地，在上述技术方案中，还包括质量调整模块，质量调整模块用于：

采用Unity3D中Post Processing Stack组件，对第三中间虚拟空间三维模型的场景整体成像质量进行调整。

可选地，在上述技术方案中，减面模块230具体用于：

利用Polygon Cruncher软件对第一中间虚拟空间三维模型进行模型减面处理。

可选地，在上述技术方案中，第一构建模块210具体用于：

利用3ds MAX建模技术，构建博物馆的虚拟空间三维模型。

可选地，在上述技术方案中，处理模块220还具体用于：

利用Vray渲染器技术，根据博物馆的室内光照系统模拟虚拟空间三维模型中的光照效果。

上述关于本发明的一种虚拟博物馆展示系统的构建系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种虚拟博物馆展示系统的构建方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例的一种采用上述任一项所述的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法所构建的一种虚拟博物馆展示系统。

本发明实施例的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一实施的一种虚拟博物馆展示系统的构建方法的步骤。

其中，电子设备可以选用电脑、手机等，相对应地，其程序为电脑软件或手机APP等，且上述关于本发明的一种电子设备中的各参数和步骤，可参考上文中一种虚拟博物馆展示系统的构建方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。