新闻资讯

三维数字虚拟现实技术在博物馆的应用

说到三维数字虚拟现实仿真技术，大家都可以举出很多事例，比如我们熟悉的3D电影、3D电视、虚拟现实VR)游戏等，这些都属于三维数字虚拟现实仿真技术，它带给我们的是一种与平面和二维截然不同的感觉，三维效果能给我们一种身临其境的、沉浸式的体验，仿佛亲身经历过那个“环境”一样，从而给我们留下了深刻的印象和记忆，这就是三维数字虚拟现实仿真技术最具魅力的地方。

我国的博物馆数字化发展历程，无论是在对社会大众的宣教方面还是在文物研究等业务方面，采用的数字信息大都是平面的，比如图片、照片、视频、动画等。随着计算机技术的迅猛发展，三维数字虚拟现实仿真技术应运而生，其中虚拟现实技术已经被广泛应用到各个领域。这些走在科技前沿的技术，同样被博物馆界所关注并吸纳，例如，虚拟博物馆作为一种新生事物被引入了博物馆。传统博物馆的展陈方式、文物保护、宣传教育手段都存在不足之处，3D 技术可以轻而易举地弥补这些不足，从而更好地服务于观众、服务于文物、服务于博物馆，使博物馆的功能得以充分发挥。以下就三维数字化的概念及实现步骤、三维数字化技术在博物馆中的应用及存在的问题做简要的分析。

▲三维坐标图

     三维数字化的概念及实现步骤 

三维数字化从广义上讲，就是运用三维工具(软件或仪器)来实现模型的虚拟创建、修改、完善、分析等一系列的数字化操作，从而满足用户的需求。从狭义上讲，就是将我们用肉眼所看到的物体的整体或局部结构使用外部采集设备获得实物整体参数，然后通过二维、平面的媒介，如投影屏、电子显示屏等展示出来，具有视觉及感知上的立体三维效果。其原理就是利用三维坐标系即空间直角坐标系，来描述三维空间的物体的位置，它由X轴、Y轴、Z轴构成，两两垂直。采集所得的三维数字化信息内容通过三维处理、模型查看软件及应用程序，比如3Dmax、AutoCAD、Solidedge等呈现出来，查看对象可以在软件中通过指令对载入的三维数字化信息旋转变换观察角度及光源信息，从而获得“立体”感和“真实”感。

三维数字化的实现步骤分为三维扫描技术、逆向建模技术、三维贴图渲染技术和虚拟现实技术。

(1) 三维扫描技术是通过三维扫描仪或三维拍摄仪对物体外观或建筑结构进行扫描或拍摄，获得物体或场景的三维数字信息即虚拟场景，其画面真实感较强。

(2) 三维贴图渲染技术是在三维模型基础上，将实景照片处理之后进行贴附、渲染，以求在查看时得到与实物极其接近的效果。这一技术是完成虚拟现实前极为关键的一步，并且直接关系到虚拟现实的最终体验。

(3) 虚拟现实技术则是将三维扫描取得的信息进行整合和分析，然后通过计算机虚拟现实软件进行建模，生成实体虚拟模型，或直接利用计算机虚拟现实软件进行建模，最终达到如同进入现实世界的、有如身临其境的效果。

  三维数字化技术在博物馆中的应用 

1. 虚拟博物馆的应用

随着 3D 技术的风靡流行，当今虚拟博物馆的展示方式已广泛运用三维虚拟技术，通过 3D 和网络技术就可以全方位地展示博物馆的场景以及展品的各个角度。虚拟博物馆的发展历程从起先以图像为主的方式到以二维动态展示方式，再到现在的普遍应用三维动态展示方式，经历了具有代表性的照片、图片、flash 动画、视频、全景、三维虚拟，由二维的平面效果逐渐进入三维立体效果的过程。

▲三维建模

由于观众能看到的画面受馆方展出照片的数量限制，或因观众不能接触文物而对展品不能进行全面的了解，给参观带来不少遗憾。现在通过三维互动方式，观众从只能被动地、有限制地观看博物馆展出文物的一个或几个画面，到可以全方位地了解博物馆的建筑、内部构造、展厅布局以及展厅里的各种文物，这种新的方式为观众提供了大量的信息和极高的参观自由度。

▲三维动态展示（三维虚拟展厅）

博物馆的各项业务工作都是紧紧围绕文物来开展的，文物在博物馆有着举足轻重的地位，因此三维数字化技术在博物馆的应用首要考虑的就是文物的三维数字化。为了做到“让文物说话”，即展示的文物必须是其真实的面貌，在做文物三维数字化采集方法的选择时，笔者建议优先考虑使用三维扫描或拍摄的方法，从而获得更真实、更精确反映文物的各个画面以及文物的纹饰、文字、结构等各个细节部位的三维信息。

在获取了文物的三维数字化信息之后，我们就可以通过三维建模软件进行逆向建模工作了，将这些文物的细部构造等信息通过建模软件逆向重建文物并且贴图渲染得到三维数字档案，然后即可展示给观众。有了文物的三维数字档案，我们就可以建立虚拟博物馆了，如果经费较为宽裕，可对小型物品用三维扫描或拍摄的方法，对于大型建筑的外部结构可以采用航拍方式，室内采用大空间三维扫描获得与现实博物馆的建筑外貌、展厅等相一致的画面数字信息，而后经过逆向重建、贴图渲染，可以使观众有进入实体博物馆、走进展厅的感觉，仿佛置身于实体博物馆中参观游览。

三维建模很费时间，所以这种方法并不简单和节省费用。

除此之外，还有一种相对于三维数字化实景观赏体验稍逊一筹但还是可以了解到大部分馆内布局信息的虚拟技术——全景图像技术，即对博物馆整体场景布设全面覆盖的站点进行 360 度全景照片拍摄，而后将整个场馆的所有全景照片进行站点链接。采用这种方法，只要全景拍摄时站点布设足够全面就可以将整个展馆尽收眼底，制作速度快，但是整体自由度因会受到站点影响而比前一种三维虚拟技术方法低。

虚拟博物馆与实体博物馆相比具有很多优势，比如:首先，所展示的藏品可以制作成无损的，给观众一个完整的展品，从而弥补有些藏品有缺损的遗憾;其次，展厅的风格及展示的形式可以不受客观条件的约束，可以运用多种多样、不拘一格的展厅风格，渲染和提高展示效果，帮助观众理解，从而加深对展品的印象，比建设实体展厅费用要低很多，工作效率也要高很多;再次，观众的参观自由度大大提高，观众可以近距离地接触文物;最后，虚拟博物馆跨越了时间和地理位置的限制，它可将实体博物馆的信息服务拓展到超越时间、空间之外而进行，可以更加广泛和深入，让网络观众可以随时随地看到博物馆的展览。

2. 文物复制、修复的应用

文物的保护在博物馆的业务工作中是重中之重。文物的保护主要包括文物的复制和文物的修复。传统的文物复制过程很复杂，其中最主要的是对文物进行各个方面的拍摄以及各个细节部位的测量等工作，遇到形状复杂的文物，有些数据无法测量或测量不精确，这样做出来的复制品可能会与原件存有很大的差异。若将三维激光扫描技术应用于文物的复制，则可以容易地获得文物的精确几何信息，便于对文物进行高准确度的复制。

另外我们还可通过先进的 3D 打印技术进行文物的复制。计算机将文物的三维数字存档传达给打印机，打印机软件会将数字存档进行解读编码传达至 3D 打印机，把物体的形象打印出来。3D 打印产品有极高的仿真度，但是在一些较为复杂的细节还原度上，要根据所选择的3D 打印机级别来定夺。3D 打印机的成型方法有很多种，不能以一概全。

三维数字化技术在文物修复方面也有着极其广泛的应用。我们可以将受损文物通过三维扫描建立起三维模型，便于对受损文物进行精确的数据测量来辅助文物的修复工作;同时还可对文物进行虚拟修复的试验，利用三维扫描技术获取文物的数据，并通过虚拟现实技术进行建模，通过预览其修复效果以及与修复前的原型进行对比，避免修复过程中因取用文物反复对比而对文物造成损坏，对文物修复方案的制定具有指导性的意义。

▲3D打印复制文物

3. 互动娱乐、宣传教育的应用

利用虚拟现实技术可以实现许多交互娱乐功能，这种互动性在数字游戏行业已经得到了广泛地应用。虚拟博物馆通过其数字娱乐的互动性，利用形式多样化、实现娱乐功能所需经费少等优势，使博物馆逐渐摆脱传统的利用藏品、文字说明等进行静态、被动、单向的观众教育模式，将被动的参观过程变为主动性、探索性、思考性、参与其中体验的双向性的学习模式，来实现历史文化知识的传播。观众通过戴上特殊的光学眼镜可以看到和感受到与真实展品相同的虚拟影像，并可以用手指将展品进行任意的翻转，从而满足了观众“触摸”式、“交互”式观看展品的需求。这种互动型、寓教于乐型的传播教育方式吸引了观众的参与积极性，激发了观众的兴趣，观众会主动参与到虚拟博物馆设计的互动、娱乐、教育等活动中，且在这轻松活泼的氛围里，享受“娱乐”的同时有所收获了知识，较好地解决了不能让观众触碰文物但又想让观众耐心细致了解文物的矛盾。

三维数字技术在不同类别的博物馆、纪念馆的应用是有很大差别的。比如综合类、艺术类的博物馆、纪念馆，这类馆的展品因为其形体相对于人物类、专题类、故居类馆的展品更为复杂，观赏性更强，爱好者往往想对展品进行全方位的观看，就连小心的细节也不会轻易放过，因此这类博物馆、纪念馆的三维数字技术应用主要侧重于展品上;人物类、专题类、故居类的博物馆、纪念馆则是以建筑本身或场景为主要宣传对象，这类馆的展品大多以文献为主，平面的展品较多，其立体的文物，因缺乏观赏性和立体表现性，一般不建议运用三维数字扫描技术进行数字采集，这类馆的三维数字技术主要应用于建筑本身或场景的扫描。

三维数字化技术在博物馆应用中存在的问题

三维数字化技术在博物馆的应用是博物馆事业发展的必然趋势，目前三维数字化技术在博物馆的应用还是处于尝试阶段。从实际应用看，无论是三维数字化技术本身还是怎样运用三维数字化技术为观众呈现文物的内在，都还存在不少问题。

(1) 三维扫描仪的技术不够完善。许多三维扫描仪的光学技术不易处理闪亮(高反光率)、镜面或半透明的表面，比如博物馆里的瓷器、玉器等能反光的器物。

(2) 只对文物运用了三维虚拟现实技术却忽略了对文物背后故事的虚拟制作。

博物馆的数字化建设发展至今，已经不是“人无我有”的阶段了，而是进入到“人有我优”的阶段。博物馆信息化的发展不缺技术，而是要挖掘文物的内在文化，这需要花费大量的人工、时间和经费，有了三维虚拟技术可以实现实体博物馆不能实现的功能，提高工作效率。国内大多数博物馆在建设虚拟博物馆时往往偏重于形式的追求，觉得采用了新颖的高科技手段就提高了本馆的科技含量，走在了时代的前沿。据调查虚拟博物馆的建设存在的问题较多，很多虚拟博物馆的网上观众访问率比较低，观众对此没有太大的兴趣，博物馆耗费重金建设的虚拟博物馆最终成了摆设。产生这种结果的主要原因，笔者认为是设计者只注重展陈形式的改变，追求一种新颖的展现方式，而忽略了观众的需求，只是简单地将实体展厅的展示方式转变为运用三维数字方式展示，而不注重文物本身的内涵以及对文物审美的展示，没有将观众的需求放在第一位。其实能够吸引观众的主要因素有:第一，展品的外形和色彩，这是第一感觉，有了好的第一印象，观众就会对展品产生兴趣，才会有继续学习和探究的可能;第二，展品的功能，我们经常会被观众问到“这件展品是干什么用的”，很多展品一般人很难判断其功能，由此可见观众对展品的功能也是非常感兴趣的;第三，展品的内在故事，比如展品的制作过程、流传经历、轶事趣闻，没有将文物背后的故事或者该文物在当时的作用及使用方法通过电脑特有的虚拟现实技术演绎给观众，没有充分运用计算机可以虚拟现实的特点，而是简单地将实体博物馆的展览陈列形式照搬到虚拟博物馆上，虚拟博物馆的展示设计缺少了审美的、艺术的元素。

▲克里夫兰艺术博物馆多媒体藏品陈列墙

结束语

总而言之，三维数字虚拟现实现实技术为博物馆、纪念馆的文物展示、宣传教育、文物的保护和研究带来了新的思维模式，给观众带来“真实”的感觉并留下了深刻的印象，为文物的修护和复制提供了大量的精确信息。

然而博物馆、纪念馆的中心任务是通过文物来宣教历史的，高科技术在博物馆的运用不能靠简单的展示形式的改变，要实现吸引观众、教育观众、给观众留下深刻印象的目的，这就需要我们深挖文物内在的故事，把文物本身不能表现出来的故事通过高科技、计算机三维虚拟现实技术等来表达，通过改变或制作虚拟环境、虚拟人物等，以一定的演绎手段直观地表达一个完整的、能吸引人的故事。

文物一直是博物馆、纪念馆的“主角”，怎样利用三维数字虚拟现实现实技术与文物保存环境相结合，模拟文物的腐蚀、老化过程以及怎样能让文物信息更准确，包括外观形状、颜色、厚重感等，这将是我们进一步研究的新方向。