基于Unity3D的法器类文物虚拟展示系统

徐帅玉 杨晓波

摘要：随着三维技术的发展，三维虚拟展示将取代二维展示而成为主流。为了积极响应习近平总书记文化建设和文化保护传承的号召，让大众能够近距离触摸文物，基于Unity3D进行虚拟展示开发，以西藏法器类文物为例，通过三维激光扫描采集、照片建模、3ds Max三维建模等方法建立法器三维模型，用UGUI设计制作三维展示交互界面，用C#语言来实现文物移动展示、旋转缩放展示等功能，搭建了一个既能还原法器样貌，又能突出展示法器的模型，也可以让游客有着全方位观看体验的展示系统，并可通过网络、移动终端发布观看也可和实地展览。

关键词：虚拟展示；3ds Max；Unity3D；文物

中图分类号：TP391.9文献标志码：A

0引言

目前文物展示方式的发展方向由于文物的珍贵性和復杂性开始在虚拟展示的方向探索发展。在信息科技迅速发展的今天，互联网是最便捷的知识获取地带，利用新技术来重建出虚拟逼真的历史文物，为展示历史文物提供一条崭新方便的道路。新时代的虚拟现实技术既开阔了观看者的视听感应能力，还改变物体的形态和产品服务方式。国家对虚拟技术的应用给予高度关注，并对文物保护的应用也起到了重要作用，而且提供了文物展示、保护、研究的更多方式，更有效缓解历史文化资源的保护和利用之间的矛盾，这样不仅可以扩展历史文化资源的信息传播的范围，也为文物展示技术的事业发展提供更加先进的科技支持。运用虚拟技术，全面、大量地展示了文物，既能使文物保存更加安全，又可以长远的保存文物。虚拟现实与网络的结合，将文物的展示和保护水平提升到一个新的层次，并为文物的展示和保护提供新的渠道。利用虚拟技术的优势，可以更全方位，更加立体的，形象逼真的进行文物展示，因为它对于所有人展示出来的是视觉上的强烈冲击，尤其是对于外在表现十分重视的展示行业，可以帮助文物迅捷地迈入虚拟时代，进一步实现新时代的文物展示新方法[1]。

1虚拟展示概述

虚拟展示的方式目前主要有二维和三维两种形式。而二维展示是基本的图形技术，通过二维影像的形式对物体进行虚拟展示，但基于二维图像的局限性，人们对物体的认识并不形象生动，对物体的认识也不能充分地展现出物体的外貌和特征，偏于主观的想象。实现对物体三维模型虚拟展示的设计和流程一般是，先通过三维扫描仪器获取物体的三维数据；二则利用3D建模软件建立物体的3D模型；然后使用3D渲染技术设计、3D交互设计以及各种虚拟技术，最后构成物体的虚拟展示平台。本论述使用的三维虚拟展示技术Untiy3D，是目前用于游戏制作的引擎之一，由于它跨平台应用性良好，可以实现实时三维影像创建和可视化展示，被很多行业用于产品的可视化虚拟仿真设计和展示系统的研究中，并取得了良好的成果。Unty3D在图形表现处置上面，拥有高度优化的图形渲染通道和内建的NVIDIA PhysX物理引擎，通过GUI粒子系统、声效等辅助手段模拟物体二维空间下的运动和碰撞，能够给用户真实反馈。Unity3D能和主要的相关程序实现协同工作并支持主流的文件格式。Unity3D作为42%的用户使用率，广泛应用于在VR，AR，MR，游戏及虚拟仿真领域[2]。

2三维模型准备

2.1三维建模

根据藏传佛教法器的不同材质采用不用的三维建模方法，使用三维激光扫描采集、照片建模、3ds Max三维建模等方法建立藏传佛教法器三维模型。

三维激光扫描建模方法需要依靠三维激光扫描仪实现信息数据的搜集，例如手持式三维激光彩色扫描仪VIUscan，可以准确真实的呈现物体效果，使扫描过程更加便捷，并且界面非常易于操作。扫描流程：首先需要工件准备贴好定位点，确定好参考位置，其次打开应用程序VXelements调整参数设定，新建项目，点击扫描，即可开始扫描，配置传感器，然后调入定位点，获得数据，保持好合适的扫描距离，就可以编辑扫描数据，扫描结束后保存为.obj格式文件，保存结果。

照片建模则是使用手机或者数码相机等拍摄工具，拍摄原始图像集，比如PhotoScan软件照片建模流程，先对拍摄照片进行简单的筛选，删除模糊不清、不能使用的照片。然后打开PhotoScan软件，选择工作流程添加上所有照片的文件夹，将经过筛选的照片导入。即可在软件中将照片进行对齐，在这一步可以对质量进行选择，为了得到更好、更精确的效果，建议全部选择“最高”质量。继而可以根据工作流程继续下去，再进行密集点云的建立，密集点云的生成影响着后期生成面片的效果，点云如果越密集，生成的面片数就会越多，最终呈现的效果就会越逼真，在密集点云生成以后，就是模型的生成，在软件中，选择生成网格、生成纹理，这是一个模型最终建立的过程，后台通过之前已经建立的点云数据进行生成，就可以得到使用的模型[3]。

而对于照片建模无法实现的法器建模就需要采用到3ds Max软件三维建模，可以实现各种材质效果，操作简单，且运用面非常广，渲染效果好。3ds Max内置几何体多由参数控制，通过对参数的调整可以调整几何体形态。通过两个及以上模型的运算，建造出其他不同的模型。利用3ds Max软件进行进一步三维建模的细化工作，处理模型的一些细节，比如做出来与原物体不较光滑，则可以把物体的面设多一些就，或者用smooth修改器进行修改，使之更加贴近于真实形象。

2.2模型导出

完成三维模型后，首先将3ds Max里的文物三维模型导入到Unity3D软件中，接着做纹理贴图和交互等工作，因为Unity3D支持多种外部导入的模型格式，如. FBX，.dxf，.obj等格式文件，所以需要将3ds Max中的法器模型导出到.FBX格式，就可以导入到Unity3D了。然后在3ds Max中法器三维模型导出过程，可以基本分成以下几步，首先单击开始按钮，执行导出选项，在导出的文件夹对话框里选择Autodesk（*.FBX）为保存类型，指定的保存路径是该FBX文件的命名且保存，然后软件在保存之前会弹出“FBX导出”对话框，如图1所示。参数如果没有特殊要求则保持默认不变就可以，即成功将法器模型的FBX文件成功被导出。然后将3ds Max软件成功导出的三维模型文件，直接添加到项目资源文件夹中，Unity3D会将其显示在Assets面板中。

3系统需求分析

3.1用户需求分析

虚拟文物展示可以称为游客与实体文物的连接的绳索，能把游客和文物放到同一个精神世界里，可以延申和扩展实体展示更多的精神内容。简单的图片或者固定展示方式，在科技迅速发展的今天已经满足不了用户的文化需求，展示需要把用户更好的体验放在首位，运用先进的数字技术，方便了操作方法，不同角度灵活的展示，各个不同视角的观看方式等虚拟技术展现手段，也可以触发人们对展品更浓厚的兴趣。

3.2功能需求分析

普通的展示形式大部分为文字、图片、实物等静态并且单一的方式，而在虚拟技术的支持下，我们可以尽可能的增加物体全方位展示的功能，更加有利于法器得到全面的展示，这样可以真正擺脱展示面单一上的局限，更好的让人们观看到整体。因此，为了达到用户的需求，将法器三维展示系统分为进行旋转、缩放、切换等基本操作[4]。

3.3文化需求分析

文物展示对于历史传承和文化传播有着非常关键的影响。在进行历史文化探究的时候，对文物进行展示也是对文化遗产内涵的更深理解，文物展示既是对历史更好的见证，更是民族文化继承发展的桥梁。通过虚拟展示可以让游客在一个有着友好、清晰脉络的界面下，舒适简单的观看逼真的虚拟文物展品，也可以根据自己的爱好来选择感兴趣的物体进行细节上的详细观察，不仅可以更加有力量地引导游客了解法器类文物，逼真的展示出文物原貌，提升了展示效率[5]。文物虚拟展示通过自身的展示宣传功能，对文化遗产的保护、管理和重新研究起着非常关键的作用[6]。

3.4系统开发流程

根据对用户需求和功能设计的分析，确定了系统开发流程图如图2所示，首先研究并整理了文物保护到三维立体建模的资料，之前照片建模和3ds Max对法器进行三维建模，然后导入到Unity3D软件，Unity3D在导入fbx时，会根据建模时Max的物理尺寸，将模型以3dMax中的物理尺寸大小呈现在Unity的虚拟世界中。建立展示天空场景，借助c#脚本语言来实现移动展示、旋转缩放展示等功能，建立起既可以还原法器样貌，突出的展示法器文物模型，让游客全方位观看体验的展示系统。

4虚拟展示

4.1展示主界面

展示界面包含了用户可能点击移动的所有方向，操作页面简明大方，展示界面如图3所示。

天空盒背景设计，就像6个正方形，围起来正好是一个立方体盒子。本论述天空盒设置方法是，在场景中添加天空盒，这么做可以避免在多摄像机中切换摄像机而导致的天空显示不一致。windows里在Lighting面板中点击Scene，就可以看到Skybox的选项，将天空盒材质赋予即可。

4.2法器切换展示

法器切换功能是展示的基本功能，所有法器通过左右键可以来回切换，法器切换功能及其文字介绍如图4所示，使用脚本如下。

4.3旋转缩放展示

法器缩放功能可以随时调整法器的大小进行观看展示，通过鼠标滚轮来回放大缩小，法器旋转展示功能，与传统的静态图片展示相比，它给到游客效果是一个3D动画如图5、图6所示，就能让游客了解到法器的每一面，能真实的观看到法器的每个角度跟细节，大大提高用户的体验度。此功能用到Rotate函数，脚本如下所示。

5结论

本论述基于Unity3D的西藏法器虚拟展示系统初步实现了对西藏法器类文物的全景展示，对比法器的实物与虚拟展示的效果，可以发现，能够高度还原法器展示的基本外形信息。与其他的展示方法相比，通过unity3d引入虚拟现实技术的展示效果，其物体的还原度基本满意，可以给游客真实见到原物体的感觉，能够给人们带来更强的生动性和吸引力，并为虚拟展示系统的设计提供新的思路和方向。

随着数字化技术的进步与发展，在虚拟展示这一新兴领域，慢慢推动着互动展示设计往更加丰富多彩的方向，也促进了虚拟文物展示技术的进一步更新。虚拟互动展示可以将虚拟的场景与真实场景完美的融合在一起，使游客在观看展示过程中，任意的欣赏着，架起来一个无形的沟通桥梁，对未来的数字化保护和文化传播有重要意义。

参考文献：

[1]师国伟，王涌天，刘越，等.增强现实技术在文化遗产数字化保护中的应用[J].系统仿真学报，2009，21（7）：2090-2093，2097.

[2]王向强.虚拟文物互动展示系统设计与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2017.

[3]张文元，李晓旭，谈国新，等.针灸铜人三维可视化研究与应用[J].计算机应用研究，2019，36（7）：2054-2058，2064.

[4]Sidani A，Dinis F M，Duarte J，et al. Recent Tools and Tech？ niques of BIM-Based Augmented Reality：A Systematic Re？ view[J]. Journal of Building Engineering，2021，42.

[5]Alhaija H A，Mustikovela S K，Mescheder L，et al. Augment？ ed Reality Meets Computer Vision：Efficient Data Generation for Urban Driving Scenes[J].International Journal of Comput？ er Vision，2017（2）：1-12.

[6]郝亚玲，朱欣娟，吴晓军.面向3D虚拟展示的软件定制化系统研究[J].计算机工程与应用，2021，57（5）：271-278.