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摘 要：高校博物馆的发展面临着空间的制约问题，为了能够更好地发挥高校博物馆文化教育功能，必须紧跟时代步伐，利用虚拟技术借助网络平台，将博物馆的藏品用全新的方式呈现给更多的观众。本文从高校博物馆自身需求出发，探讨了三维虚拟技术在高校博物馆的应用，以及如何以高效、经济的方式解决三维虚拟博物馆建设中的技术问题。
关键词：三维虚拟；高校博物馆；关键技术
0 引言
我国的博物馆担负着弘扬中华文化的光荣使命，据不完全统计我国收藏于各类博物馆的文物达千万件，每年还有大量新出土的文物，要让这些文化瑰宝呈现给广大观众就对博物馆的展示空间提出了新的要求。然而博物馆的建设必然受到空间因素的制约，其展示空间也无法无限扩容，这就使得大量的珍贵文物常年沉睡于库房无法与观众见面。近年来，我国的高校博物馆事业蓬勃发展，就高校博物馆的定位而言其服务对象主要是高校师生以及学科建设，从筹建之初就明确了自身的特色也区别于一般地方博物馆。从选址就受到校园环境的制约，在展示空间上必然面临着比地方博物馆更大的空间限制。随着计算机、网络以及三维虚拟技术的发展，数字化博物馆开始兴起，这也为我国博物馆的发展提供了新的平台，高校博物馆事业也迎来了新的发展契机。本文以苏州大学博物馆为例，简析三维虚拟技术的实际应用。
1 三维虚拟博物馆的展示类型
虚拟博物馆又称数字博物馆，它通过数字化技术、现代通讯和网络技术，将传统实物博物馆所拥有的职能通过数字化的形式在网络上再现。[1]早在20世纪末，西方许多知名的博物馆就开始建设自己的博物馆网站、建立数字化的藏品数据库，并开始尝试利用虚拟技术实现博物馆的虚拟化。近些年，我国的互联网事业迅猛发展，带动了以互联网为平台的相关技术的发展。其中，虚拟技术也在此次浪潮中有了突破，使得原本存在于实验室的高端技术可以亲民的走入日常生活中。
目前，我国的三维虚拟博物馆大体分如下几种类型：
第一类：360°实景全景技术，利用360°实景拍照实现全景呈现。利用此技术的有：国家博物馆、中国美术馆、陕西历史博物馆等。此技术主要是通过专业相机来拍摄整个场景，使用软件进行合成即把二维空间模拟成三维空间呈现出来。这类技术具有真实感强、制作周期短、文件数据小等优势，为我国大多数虛拟博物馆所采用的技术形式。实现已有场馆的虚拟化具有较高的应用价值，但同时也存在一些不足。当前，我国博物馆遇到的较为突出的问题是展陈空间不足，此类技术是已有展厅的虚拟化解决方案，但对展陈空间不足的问题并不适用，不能拓展展示空间。
第二类：全三维虚拟技术，此类技术通过全三维建模的方式呈现展厅。这类技术最为经典的案例就是故宫博物院和IBM公司合作打造的超越时空的紫禁城项目。这是中国首次使用全3D的形式对文化景点进行虚拟展示，在我国全3D虚拟技术发展上具有里程碑式的意义。这类技术满足了博物馆对空间拓展的需求，能够创造性地在互联网上呈现出所需的展示空间，不再受到实体场馆的空间制约。这类技术在虚拟展陈的空间、形式上独具优势，但由于场景全部由3D建模生成所以整个场景的精细程度都由3D建模的技术决定，对于展品来说也存在失真的可能性。展示精度和所耗费的人力和时间成正比，所以此类技术在人力和时间上要远大于360°实景虚拟技术。
第三类：3D与2D技术相结合。这种3D与2D相结合是一种综合性的技术手段，以三维虚拟的展厅空间为载体，展品和文字以2D的方式呈现，这种技术在卢浮宫网上博物馆、网上上海世博会等网上场景已有成功的运用。此方式是较为先进的虚拟展示解决方案，一方面解决了对展示空间的需求，另一方面不因人为因素影响展品的真实性。但这类技术涉及的技术手段较为全面、综合，对制作的要求较高。
作为高校博物馆应根据实际需求，确定博物馆虚拟化的具体解决方案。以苏州大学博物馆为例，因馆内展陈空间的限制，许多展品无法呈现，所以可以首选拓展展示空间的技术手段。《东吴碑廊》展厅，碑刻作品多以大理石、汉白玉等石材雕刻而成，其体积大、质量大，对场馆的空间、场地的硬度都有较高的要求，目前场馆内只能展出少量的碑刻作品（图1）。然而碑刻作品在陈列中需要配合拓片进行展出，这样的需求就符合了虚拟化方案中3D与2D相结合的方式进行展出。
2 三维虚拟实现的关键技术
建设三维虚拟博物馆通常要耗费较高的成本，但对于高校博物馆而言建设虚拟博物馆的意义又不言而喻，这就需要根据实际需求找到最适合的解决方案。解决方案的确定是虚拟博物馆建设的第一步，在人力、经费有限的情况下想要经济高效地推出三维虚拟馆就需要解决一些关键技术上的难题。下面根据苏州大学博物馆《东吴碑廊》虚拟馆的建设对三维虚拟实现的关键技术进行分析。
2.1 目标确立及资料准备
确定场馆所要展示的内容，确定展品的数量。根据展品准备说明文字及图片。在《东吴碑廊》虚拟展厅的准备阶段需要准备碑刻作品的正面清晰图片、拓片高清扫描图片以及每块碑刻的说明文字。
2.2 虚拟场景的结构分析
结合展品的特色对虚拟场景进行细致的规划。一方面，对展陈的流线进行规划；另一方面，对虚拟展厅人机互动的场景进行规划。在流线设计方面可根据展品的自身特色来确定，在《东吴碑廊》虚拟展厅中根据碑刻作品的年代进行分类，分为宋、元、明、清以及民国五个版块，在制作中保证沿着流线参观展品的时间线是正向延续的。在人机互动的场景设置上区别于实景布展，在虚拟场景中所要实现的功能、观众的行走方式、互动方式都需要进行规划。首先在功能上明确需求，《东吴碑廊》虚拟展厅中需要满足观看碑刻原物，可以通过点击欣赏拓片作品的清晰图片，需要有背景音乐并且能够自主开关，能够迅速地返回起始点，可查阅的操作说明等功能，明确了展陈流线和交互功能后才能开始制作。
2.3 虚拟博物馆的三维模型绘制 三维模型绘制是虚拟博物馆建设的关键，模型制作的好坏直接影响虚拟场馆的真实性和用户体验，绘制虚拟场馆前要明确制作流程：
第一，建立坐标系統：确立场馆的坐标系，场馆的实际长、宽、高。
第二，建立模型：在制作建筑以及复杂的空间形式时需要运用CAD分别绘制平面、立面和顶面，绘制完成后导入3DMAX进行放样生成三维模型。在此过程中需要符合网上漫游的特点，控制模型的面片总数，删除不必要的废线、废面，场景中呈现的面需要保证光滑无破面，降低模型对计算机内存、显存的需求。建模过程中适时调整视口，观察模型是否平滑。针对《东吴碑廊》虚拟展厅中的碑刻及拓片的模型需要严格按照实物的尺寸制作。
第三，模型贴图：制作贴图是虚拟展厅呈现的重要步骤，贴图质量直接影响虚拟场馆的观赏程度。所以3D贴图之前需要将每一张图片在PHOTOSHOP中进行编辑，针对展品贴图需要确定图片纵横比与原物一致，避免失真。在3D场景中贴图选择合适的贴图坐标和投射到物体表面的参数，使用快速渲染及时查看效果并进行相应调整。
第四，灯光设置：在3DMAX中灯光分为泛光灯、目标点光源以及面光源。泛光灯和面光源多作为环境光源，可以烘托场馆气氛，目标点光源常作为聚光灯照射展品。根据场馆的实际调整光源的反射、折射及阴影参数提高虚拟场馆的真实性。精致的光源设置有助于提高展品的观感，增加展厅的氛围。
第五，渲染、烘焙：当3D模型完成了以上步骤确认无误后才能开始渲染工作，场景渲染的效果即为虚拟博物馆网上呈现的效果，所以渲染质量直接影响到场馆的真实性。渲染是在建模过程中耗时最长的工作，所以在正式渲染前需要渲染小样进行调整，当各参数调整完成后便可以进行正式的渲染。烘焙是三维虚拟馆重要的技术步骤，需要将渲染好的场景表面的光影效果以TGA的格式存入文件。只有完成了烘焙的3D文件才能在后续的制作中保持渲染出的光影效果。
2.4 虚拟展示的实现
目前，基于Web3D技术已经可以实现通过浏览器进行跨平台的三维在线体验。在此技术上，Unity3D平台的出现为虚拟实现视觉化的编辑提供了便利。随着我国虚拟技术的发展出现了许多基于Unity3D自主研发的VR编辑平台，这也为低成本地实现虚拟技术提供了可能。
三维虚拟博物馆的最终实现必须依靠基于Web3D技术的后期开发，有了基于Web3D的交互功能，虚拟博物馆不再是实体馆的简单复制而是赋予了虚拟馆全新的感官体验。《东吴碑廊》虚拟展厅实现流畅的网上漫游需要解决如下技术节点：
第一，漫游场景优化：首先将3DMAX烘焙好的模型导入VR编辑平台，检查模型表面材质是否完整，模型是否出现遗失等。检查场景内照明是否正常，可在编辑器中调整灯光。
第二，设置行走相机：在虚拟场馆中观众通常以第一视角进行漫游，和参观实体博物馆不同的是这个视角是以行走相机拍摄的形式呈现的。相机的设置上需要综合场馆展品的展示高度、场馆空间大小以及符合常规的实现角度，结合以上因素调整相机的高度、光圈。
第三，物理碰撞设置：虚拟博物馆中所有的物体均是以3D模型的形式出现的，这与实体展厅有着较大的不同。实体展厅所有墙面、展品都是真实存在的，而虚拟馆则都是虚拟的图像，人在其中漫游时难免会触及模型甚至穿过模型。这就需要对实体的墙和展品设置物理碰撞，从而达到和在实体场馆中相似的游览体验。
第四，人机交互设计：人机交互设计是虚拟博物馆的核心。实现人机交互必须满足三个基本要素：操作者、机器和人机接口。虚拟博物馆的实际使用中操作者即为观众，机器为终端电脑，人机接口通常只考虑键盘和鼠标。对于高校博物馆来说，在交互设计前需要结合实际整理使用需求，不可过于追求新意、动态，减少对内存和服务器的载荷，保证核心功能的使用。《东吴碑廊》虚拟展厅的交互设计中只保留了拓片欣赏、背景音乐等基本的需求，并且在交互设计中使用2D与3D结合的方式。这样既可以满足观众欣赏高清图片的需求又可以降低制作和运行成本（图2、图3）。
虚拟博物馆利用以上的关键技术最终生成网络发布文件即可实现常规博物馆许多无法实现的功能，在高校博物馆中具有较高的推广意义。从关键技术的难度上看，这是一项综合的工程只需要对其进行技术分解，就可以降低其技术难度。
3 展望三维虚拟技术在高校博物馆的应用前景
在高校博物馆建设蓬勃发展之际，需要明确博物馆的服务对象与核心功能，根据自身特色有针对性地建设三维虚拟博物馆。在启动三维虚拟博物馆项目前做好充分的调研和准备，做好人员的技术培训，避免因为技术或其他因素导致项目搁置造成不必要的浪费。在项目启动后应结合虚拟馆的展示规模做好技术拆分，分解技术难度，从而降低制作成本，实现低成本运作，在经费、人力有限的情况下在高校博物馆中推广。
随着虚拟技术的发展，相关衍生技术也随之兴起，作为文化教育事业重地的高等学府更应借助虚拟技术的发展推动教育的发展，更好地服务社会！
参考文献：
[1]冼枫.虚拟博物馆[J].装饰，2007（9）.
关键词：三维虚拟；高校博物馆；关键技术
0 引言
我国的博物馆担负着弘扬中华文化的光荣使命，据不完全统计我国收藏于各类博物馆的文物达千万件，每年还有大量新出土的文物，要让这些文化瑰宝呈现给广大观众就对博物馆的展示空间提出了新的要求。然而博物馆的建设必然受到空间因素的制约，其展示空间也无法无限扩容，这就使得大量的珍贵文物常年沉睡于库房无法与观众见面。近年来，我国的高校博物馆事业蓬勃发展，就高校博物馆的定位而言其服务对象主要是高校师生以及学科建设，从筹建之初就明确了自身的特色也区别于一般地方博物馆。从选址就受到校园环境的制约，在展示空间上必然面临着比地方博物馆更大的空间限制。随着计算机、网络以及三维虚拟技术的发展，数字化博物馆开始兴起，这也为我国博物馆的发展提供了新的平台，高校博物馆事业也迎来了新的发展契机。本文以苏州大学博物馆为例，简析三维虚拟技术的实际应用。
1 三维虚拟博物馆的展示类型
虚拟博物馆又称数字博物馆，它通过数字化技术、现代通讯和网络技术，将传统实物博物馆所拥有的职能通过数字化的形式在网络上再现。[1]早在20世纪末，西方许多知名的博物馆就开始建设自己的博物馆网站、建立数字化的藏品数据库，并开始尝试利用虚拟技术实现博物馆的虚拟化。近些年，我国的互联网事业迅猛发展，带动了以互联网为平台的相关技术的发展。其中，虚拟技术也在此次浪潮中有了突破，使得原本存在于实验室的高端技术可以亲民的走入日常生活中。
目前，我国的三维虚拟博物馆大体分如下几种类型：
第一类：360°实景全景技术，利用360°实景拍照实现全景呈现。利用此技术的有：国家博物馆、中国美术馆、陕西历史博物馆等。此技术主要是通过专业相机来拍摄整个场景，使用软件进行合成即把二维空间模拟成三维空间呈现出来。这类技术具有真实感强、制作周期短、文件数据小等优势，为我国大多数虛拟博物馆所采用的技术形式。实现已有场馆的虚拟化具有较高的应用价值，但同时也存在一些不足。当前，我国博物馆遇到的较为突出的问题是展陈空间不足，此类技术是已有展厅的虚拟化解决方案，但对展陈空间不足的问题并不适用，不能拓展展示空间。
第二类：全三维虚拟技术，此类技术通过全三维建模的方式呈现展厅。这类技术最为经典的案例就是故宫博物院和IBM公司合作打造的超越时空的紫禁城项目。这是中国首次使用全3D的形式对文化景点进行虚拟展示，在我国全3D虚拟技术发展上具有里程碑式的意义。这类技术满足了博物馆对空间拓展的需求，能够创造性地在互联网上呈现出所需的展示空间，不再受到实体场馆的空间制约。这类技术在虚拟展陈的空间、形式上独具优势，但由于场景全部由3D建模生成所以整个场景的精细程度都由3D建模的技术决定，对于展品来说也存在失真的可能性。展示精度和所耗费的人力和时间成正比，所以此类技术在人力和时间上要远大于360°实景虚拟技术。
第三类：3D与2D技术相结合。这种3D与2D相结合是一种综合性的技术手段，以三维虚拟的展厅空间为载体，展品和文字以2D的方式呈现，这种技术在卢浮宫网上博物馆、网上上海世博会等网上场景已有成功的运用。此方式是较为先进的虚拟展示解决方案，一方面解决了对展示空间的需求，另一方面不因人为因素影响展品的真实性。但这类技术涉及的技术手段较为全面、综合，对制作的要求较高。
作为高校博物馆应根据实际需求，确定博物馆虚拟化的具体解决方案。以苏州大学博物馆为例，因馆内展陈空间的限制，许多展品无法呈现，所以可以首选拓展展示空间的技术手段。《东吴碑廊》展厅，碑刻作品多以大理石、汉白玉等石材雕刻而成，其体积大、质量大，对场馆的空间、场地的硬度都有较高的要求，目前场馆内只能展出少量的碑刻作品（图1）。然而碑刻作品在陈列中需要配合拓片进行展出，这样的需求就符合了虚拟化方案中3D与2D相结合的方式进行展出。
2 三维虚拟实现的关键技术
建设三维虚拟博物馆通常要耗费较高的成本，但对于高校博物馆而言建设虚拟博物馆的意义又不言而喻，这就需要根据实际需求找到最适合的解决方案。解决方案的确定是虚拟博物馆建设的第一步，在人力、经费有限的情况下想要经济高效地推出三维虚拟馆就需要解决一些关键技术上的难题。下面根据苏州大学博物馆《东吴碑廊》虚拟馆的建设对三维虚拟实现的关键技术进行分析。
2.1 目标确立及资料准备
确定场馆所要展示的内容，确定展品的数量。根据展品准备说明文字及图片。在《东吴碑廊》虚拟展厅的准备阶段需要准备碑刻作品的正面清晰图片、拓片高清扫描图片以及每块碑刻的说明文字。
2.2 虚拟场景的结构分析
结合展品的特色对虚拟场景进行细致的规划。一方面，对展陈的流线进行规划；另一方面，对虚拟展厅人机互动的场景进行规划。在流线设计方面可根据展品的自身特色来确定，在《东吴碑廊》虚拟展厅中根据碑刻作品的年代进行分类，分为宋、元、明、清以及民国五个版块，在制作中保证沿着流线参观展品的时间线是正向延续的。在人机互动的场景设置上区别于实景布展，在虚拟场景中所要实现的功能、观众的行走方式、互动方式都需要进行规划。首先在功能上明确需求，《东吴碑廊》虚拟展厅中需要满足观看碑刻原物，可以通过点击欣赏拓片作品的清晰图片，需要有背景音乐并且能够自主开关，能够迅速地返回起始点，可查阅的操作说明等功能，明确了展陈流线和交互功能后才能开始制作。
2.3 虚拟博物馆的三维模型绘制 三维模型绘制是虚拟博物馆建设的关键，模型制作的好坏直接影响虚拟场馆的真实性和用户体验，绘制虚拟场馆前要明确制作流程：
第一，建立坐标系統：确立场馆的坐标系，场馆的实际长、宽、高。
第二，建立模型：在制作建筑以及复杂的空间形式时需要运用CAD分别绘制平面、立面和顶面，绘制完成后导入3DMAX进行放样生成三维模型。在此过程中需要符合网上漫游的特点，控制模型的面片总数，删除不必要的废线、废面，场景中呈现的面需要保证光滑无破面，降低模型对计算机内存、显存的需求。建模过程中适时调整视口，观察模型是否平滑。针对《东吴碑廊》虚拟展厅中的碑刻及拓片的模型需要严格按照实物的尺寸制作。
第三，模型贴图：制作贴图是虚拟展厅呈现的重要步骤，贴图质量直接影响虚拟场馆的观赏程度。所以3D贴图之前需要将每一张图片在PHOTOSHOP中进行编辑，针对展品贴图需要确定图片纵横比与原物一致，避免失真。在3D场景中贴图选择合适的贴图坐标和投射到物体表面的参数，使用快速渲染及时查看效果并进行相应调整。
第四，灯光设置：在3DMAX中灯光分为泛光灯、目标点光源以及面光源。泛光灯和面光源多作为环境光源，可以烘托场馆气氛，目标点光源常作为聚光灯照射展品。根据场馆的实际调整光源的反射、折射及阴影参数提高虚拟场馆的真实性。精致的光源设置有助于提高展品的观感，增加展厅的氛围。
第五，渲染、烘焙：当3D模型完成了以上步骤确认无误后才能开始渲染工作，场景渲染的效果即为虚拟博物馆网上呈现的效果，所以渲染质量直接影响到场馆的真实性。渲染是在建模过程中耗时最长的工作，所以在正式渲染前需要渲染小样进行调整，当各参数调整完成后便可以进行正式的渲染。烘焙是三维虚拟馆重要的技术步骤，需要将渲染好的场景表面的光影效果以TGA的格式存入文件。只有完成了烘焙的3D文件才能在后续的制作中保持渲染出的光影效果。
2.4 虚拟展示的实现
目前，基于Web3D技术已经可以实现通过浏览器进行跨平台的三维在线体验。在此技术上，Unity3D平台的出现为虚拟实现视觉化的编辑提供了便利。随着我国虚拟技术的发展出现了许多基于Unity3D自主研发的VR编辑平台，这也为低成本地实现虚拟技术提供了可能。
三维虚拟博物馆的最终实现必须依靠基于Web3D技术的后期开发，有了基于Web3D的交互功能，虚拟博物馆不再是实体馆的简单复制而是赋予了虚拟馆全新的感官体验。《东吴碑廊》虚拟展厅实现流畅的网上漫游需要解决如下技术节点：
第一，漫游场景优化：首先将3DMAX烘焙好的模型导入VR编辑平台，检查模型表面材质是否完整，模型是否出现遗失等。检查场景内照明是否正常，可在编辑器中调整灯光。
第二，设置行走相机：在虚拟场馆中观众通常以第一视角进行漫游，和参观实体博物馆不同的是这个视角是以行走相机拍摄的形式呈现的。相机的设置上需要综合场馆展品的展示高度、场馆空间大小以及符合常规的实现角度，结合以上因素调整相机的高度、光圈。
第三，物理碰撞设置：虚拟博物馆中所有的物体均是以3D模型的形式出现的，这与实体展厅有着较大的不同。实体展厅所有墙面、展品都是真实存在的，而虚拟馆则都是虚拟的图像，人在其中漫游时难免会触及模型甚至穿过模型。这就需要对实体的墙和展品设置物理碰撞，从而达到和在实体场馆中相似的游览体验。
第四，人机交互设计：人机交互设计是虚拟博物馆的核心。实现人机交互必须满足三个基本要素：操作者、机器和人机接口。虚拟博物馆的实际使用中操作者即为观众，机器为终端电脑，人机接口通常只考虑键盘和鼠标。对于高校博物馆来说，在交互设计前需要结合实际整理使用需求，不可过于追求新意、动态，减少对内存和服务器的载荷，保证核心功能的使用。《东吴碑廊》虚拟展厅的交互设计中只保留了拓片欣赏、背景音乐等基本的需求，并且在交互设计中使用2D与3D结合的方式。这样既可以满足观众欣赏高清图片的需求又可以降低制作和运行成本（图2、图3）。
虚拟博物馆利用以上的关键技术最终生成网络发布文件即可实现常规博物馆许多无法实现的功能，在高校博物馆中具有较高的推广意义。从关键技术的难度上看，这是一项综合的工程只需要对其进行技术分解，就可以降低其技术难度。
3 展望三维虚拟技术在高校博物馆的应用前景
在高校博物馆建设蓬勃发展之际，需要明确博物馆的服务对象与核心功能，根据自身特色有针对性地建设三维虚拟博物馆。在启动三维虚拟博物馆项目前做好充分的调研和准备，做好人员的技术培训，避免因为技术或其他因素导致项目搁置造成不必要的浪费。在项目启动后应结合虚拟馆的展示规模做好技术拆分，分解技术难度，从而降低制作成本，实现低成本运作，在经费、人力有限的情况下在高校博物馆中推广。
随着虚拟技术的发展，相关衍生技术也随之兴起，作为文化教育事业重地的高等学府更应借助虚拟技术的发展推动教育的发展，更好地服务社会！
参考文献：
[1]冼枫.虚拟博物馆[J].装饰，2007（9）.