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北京服装学院硕十学位论文 虚拟服饰博物馆的交互性设计研究 摘要 服饰博物馆是集收藏服饰实物、弘扬服饰文化、进行服饰研究三种功能为一体的 重要科学研究机构。它作为传承民族文化的载体之一，个性鲜明，魅力独特。随着博 物馆的信息化成为近年来博物馆发展的重要趋势，利用虚拟现实技术和混合现实技术 建立的虚拟博物馆成为博物馆信息化建设的重要组成部分。虚拟服饰博物馆正是逐渐 兴起的一种新型的服饰博物馆建构模式，它的出现极大地扩展了传统服饰博物馆展示 的内容和场景，并通过各种奇特的软、硬件设备，为观众的游览过程加入了更多更新 的交互式体验。 通过大量的调研、考察和分析，本文对虚拟服饰博物馆这一新兴的交互式体验场 所的技术特点、建构模式进行了论述并提出了新的见解。针对服饰在虚拟博物馆展示 的特性和规律进行研究和探讨，通过分析实物服饰博物展示方式的不足，把“体验理 念 引入虚拟服饰博物馆中，对虚拟体验设计的类型、特点等方面进行了探讨。分析 并总结了虚拟体验中的交互设计的特性以及“感官层交互”、“行为层交互 以及“反 思层交互”的对应的交互设计方法。认为虚拟体验设计符合时代发展需求，能够丰富 虚拟服饰博物馆的展示方式，并为虚拟服饰博物馆的发展带来新的生机。最后，虚拟 服饰博物馆的构建还必须考虑用户、环境、技术和内容的协调，其中，技术选择和信 息内容组织必须以适应用户需求与体验为前提。基于此，本文还从用户信息需求与利 用入手，分析了虚拟服饰博物馆的交互性设计与用户体验之间的关系。 关键词：虚拟服饰博物馆；虚拟现实：混合现实；体验设计；交互设计；用户体验 北京服装! 学院硕十学位论文 r e s e a r cho ni n t e r a c t i o nd e s i g n o f v i r t u a lc o s t u m em u s e u m a b s t r a c t c o s t u m em u s e u mi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n a n di tm a i n l yh a st h r e e f u n c t i o n sa sf o l l o w s ：c o l l e c t i n go l df i n e r i e s ，s p r e a d i n gt h ec l o t h i n gc u l t u r e ，a n dc o n d u c t i n g t h er e s e a r c ho nc l o t h i n g a st h ei n t e r m e d i a t et os p r e a dt h et r a d i t i o n a lc u l t u r e c o s t u m e m u s e u mh a v em a n yi t ss p e c i a l i t i e sa n dc h a r m i n g s a st h et r e n d so fi n f o r m a t i z a t i o no f m u s e u mc o m e s ，t h ev i r t u a lc o s t u m em u s e u mb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e f o r e s a i di n f o r m a t i z a t i o no fm u s e u mw h i c hc o m b i n e sv i r t u a lr e a l i t yd e s i g n sa n dc o m p o u n d r e a l i t yd e s i g n s t h em o d eo f v i r t u a lc o s t u m em u s e u mi sj u s tan e we m e r g i n gm o d eo f c o s t u m em u s e n m a n di t se m e r g e n c ew i l lg r e a t l ye x p a n dt h ec o n t e n t sa n ds c e n e so f t r a d i t i o n a lm u s e u m s a n di ta l s op r o v i d e st oa l lt h ea u d i e n c em o r em u t u a li n t e r a c t i o n s w i t ht h es p e c i f i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ea r t i c l ei n t e n d st od i s c o u r s et h et e c h n o l o g i c a lf e a t h e r sa n ds t r u c t u r i n gm o d e s a n d g i y e so t h e rn e wa n a l y s i so nt h en e we m e r g i n gm u t u a li n t e r a c t i o np l a c e t h ev i r t u a l c o s t u m em u s e u m t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c i p l i n e so ft h ec l o t h i n g i nv i r t u a lm u s e u m a n de m b e d s “t h ec o n c e p to fe x p e r i e n c i n g i n t ov i r t u a lc o s t u m e m u s e u m ，b ya n a l y z i n gt h es h o r t a g eo fp h y s i c a ld i s p l a y t h ea u t h o ra l s oa n a l y z ea n d c o n c l u d et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em u t u a ld e s i g ni nv i r t u a li n t e r a c t i o n ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g nm e t h o d so f “s e n s u a li n t e r a c t i o n b e h a v i o r a li n t e r a c t i o n ”a n d “r e f l e c t i o ni n t e r a c t i o n ”t h ea u t h o rc o n s i d e r st h a t m u t u a li n t e r a c t i o nd e s i g nc o n f o r m st o t h er e q u i r e m e n t so fs o c i a ld e v e l o p m e n t a n di tw i l ie n r i c ht h ed i s p l a y i n gm e t h o d so f v i r t u a lc o s t u m em u s e u m a n di tn od o u b tb o o mt h ed e v e l o p m e n to fm u s e u m f i n a l l yw e m u s tc o n s i d e rt h ec o o r d i n a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，a n dr e s i d e n c ea n dt h et e c h n o l o g y , a n d w em u s tp u tt h ea d a p t a t i o no ft h eu s e ra sa p r e r e q u i s i t e o fa n yt e c h n o l o g ys e l e c t i o na n d i n f o r m a t i o no r g a n i z a t i o n j u s tb a s e do nt h a t t h ea r t i c l et a k e su pf r o mt h ea n a l y s i so fu s e r s n e e da n du s a g eo fi n f o r m a t i o n ,a n da n a l y z et h er e l a t i o no fi n t e r a c t i o nd e s i g no fv i r t u a l c o s t u m em u s e u ma n dt h eu s e r se x p e r i e n c i n g k e y w o r d s ：v i r t u a lc o s t u m em u s e u m ；v i r t u a lr e a l i t y ；m i xr e a l i t y ；i n t e r a c t i o nd e s i g n ； e x p e r i e n c ed e s i g n ；u s e re x p e r i e n c e 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 睁巍 日期：伊石年，月f 口日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：吗哦 日期：渺厂年，y 月，p 日 导师签名： 压哆 日期：口9 年fv 月i 日 北京服装学院硕七学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 随着信息技术的快速发展以及计算机应用的普及，信息技术将是社会发展的核 心，博物馆作为信息传播的重要环节，成为人们良好的教育场所。而本身拥有极为珍 贵的服饰知识和深厚文化底蕴的服饰博物馆正成为收藏服饰实物、弘扬服饰文化、进 行服饰研究的宝贵学术殿堂。传统的服饰博物馆展示设计思维模式由于受到技术、观 念和展览场地等方面的限制，其运作的舞台越来越狭小、发展的空间也越来越局限， 无法充分发挥它们的价值。目前服饰博物馆的陈列多是以展品的简单说明牌、图片的 形式面向观众，形成的是一种单向型和填鸭式的单一展览方式，很难使观众产生共鸣， 因此观众不再满足于只欣赏美妙的展品，更多的是想探求藏品背后所蕴藏的文化积 淀，甚至渴望将自己融入展示的剧情，参与到展览的布局中去，这就迫切需要一种新 型的具有双向的、互动的、观众参与性的展览方式，达到寓教于乐的目的。为了适应 这种文化潮流，满足社会发展的文化需要，利用数字技术与网络柬传递信息的博物馆 正如雨后春笋不断涌现出来，博物馆的经营方式也呈现出不同手法与面貌。 虚拟博物馆是随着信息技术的发展，而逐渐兴起的一种新型的博物馆建构模式， 它通过计算机技术、多媒体技术、虚拟现实技术和网络等智能技术，将传统实物博物 馆所拥有的职能通过数字化的形式再现，并且在技术和实现的手段上大大扩展了传统 博物馆的展览、演示、归档、管理等各项职能。同时，它的出现也极大地扩展了传统 博物馆展示的内容与场景，并通过各种奇特的软、硬件设备，为参观者的游览过程加 入了更多更新的交互体验。 随着虚拟现实技术在服饰博物馆展示设计中的应用，虚拟服饰博物馆成为科学技 术与艺术相结合的产物，交互性作为其重要特征，已成为人们能否获得较好的多维度 虚拟体验的重要因素之一。 1 2 课题研究的背景 当前的服饰博物馆收集、保护、展示了多种重要服饰文物和标本，是进行科研探 索的重要场所，是高等学校文化基础设施的重要组成部分，是实施素质教育，提高入 北京服装学院硕十学位论文 们文化素质的重要教育基地。在推动大学生素质教育、教学科研，培养创新入才等方 面发挥了重要作用。 从目前来看，大部分在网络上了解博物馆的内容还是停留在文物的静态图片和文 字信息上，这种方式不能有效调动人的兴趣，缺乏感染力，同时也没有充分利用和发 挥电脑的优势，我们希望从空间、时间、形态、色彩和节奏等方面营造与博物馆主题 相一致的富有特色的整体艺术氛围以感染观众。 为了更好地展示服饰博物馆，让更多的人了解服饰文物的信息，建立开发虚拟服 饰博物馆系统，通过三维模型、声音解说、图像资料、文字说明等多媒体信息全面展 示博物馆中的精品文物，使观众从中获得更多的知识、信息和艺术享受在虚拟博物 馆系统中要达到良好效果的目的，就需要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能 沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境，也就是一个由多维信息所构成的可操作的空 间。用户在这种环境下，可以感到真实的体验和方便自然的人机交互，而不再像过去 一样仅仅是被动的观察者。 1 3 课题研究的目的和意义 近年来已有学者将虚拟博物馆作为研究对象，并取得一定成果，但对服饰作为主 要内容的专题性研究还比较稀缺。虚拟服饰博物馆主要是指使用虚拟现实技术重现服 饰博物馆藏品和历史或其它场景的博物馆陈列形式。尽管已经有不少通过图文结合的 形式在网上建立了形形色色的“虚拟服饰博物馆”，但大部分还不是真正意义上的虚 拟服饰博物馆，绝大多数网络上的虚拟服饰博物馆，严格来说还仅仅是采用文字、图 片等形式表现的信息，缺乏交互性。面真正的虚拟不仅仅指服饰博物馆展品是虚拟的， 还应包括虚拟的场景以及相应的丰富交互手段，仅仅依靠简单的旋转、缩放之类的功 能并不足以吸引参观者。虚拟服饰博物馆的建立一定要增强交互性和体验性的元素在 里面，如果没有互动的元素，参观者只能枯燥地在馆中走来走去，这必将影响参观的 兴趣和质量。 目前国内为数不多的对虚拟服饰博物馆建设方面的论述和研究主要停留在一般 基础理论和实现技术层面，面对虚拟服饰博物馆的交互性设计和视觉表现方法鲜有论 述。北京服装学院民族服饰博物馆是个拥有丰富民族文化资源和研究成果的具有高 水平的特色博物馆，本课题目的在于如何让人们快速方便地接收、理解并利用民族服 2 北京服装学院硕七学位论文 饰博物馆的虚拟展示系统，实现文物藏品的三维展示，虚拟展厅的在线虚拟漫游等多 种形式的交互手段，充分了解服饰博物馆丰富的藏品内容。通过分析和总结虚拟服饰 博物馆的交互设计特性，探讨其在现实中越来越广阔的应用前景，目的是为研发出一 个“真正立体的博物馆”做理论支撑，使观众感到与真实博物馆一样具有逼真的感受。 1 4 国内外研究的现状： 1 4 1 国外研究的现状： 随着计算机技术以及网络信息技术的进步，自上世纪9 0 年代起，世界各国博物 馆均开始了数字化建设的进程。而目前的数字博物馆理论少有专门针对服装服饰的设 计研究，对一般化和综合类的虚拟博物馆的研究还是有一定的成果的。欧洲著名的博 物馆，如卢浮宫和大英博物馆等都纷纷挑选精美藏品进行数字化处理和多媒体交互展 示。一些中小博物馆则依靠产业、研究机构和大学支持，如欧盟( e u r o p e a nu n i o n ) 赞 助法国信息与自动化研究院进行“a q u a r e l l e 计划”，支持欧洲各国博物馆与相关机构 通过网络共享各自的数字典藏和互动浏览。德国也建立了欧洲文化遗产网络( 简称 e c h n ) ，正在推动欧洲文化遗产数字化方面发挥积极作用。美国图会图书馆自1 9 9 0 年开始推动“a m e r i c a i lm e m o r y 计划”，进行图书馆内文献、手稿、照片、录音、影 片等藏品的数字化整合。日本最著名的数字博馆计划是由i b m 东京研究所与日本民 族学博物馆合作的“全球数字博物馆( g l o b a ld i g i t a lm u s e u m ) 计划”，主要是支持网络 环境中藏品信息的检索，同时支持互动式的网络浏览、编辑，尤以博物馆教育为重点。 1 4 2 国内研究的现状： 目前，国内完全符合研究虚拟服饰博物馆的文献资料极不多见，我国的数字博物 馆建设还处于起步阶段，主要进行实体博物馆的信息化建设，重点工作在于利用计算 机技术收集、整理、保存、加工和展示各类文物信息，在应用软件研发和局部信息基 础设施建设方面取得了定的进展。有影响的项目主要有虚拟故宫、数字敦煌以及上 海博物馆、南京博物院等文博机构的信息化工程。中国文物报在2 0 0 0 年6 月1 4 同以中国首座虚拟现实剧院将在故宫落成为题，对虚拟故宫作了报道。这一工程 是中国故宫博物院和同本凸版印刷株式会社合作建设的，目前已经完成了首部数字作 北京服装学院硕七学位论文 品。1 9 9 9 年，敦煌研究院与美国梅隆基金会合作进行敦煌壁画的数字化拍摄，使用 球幕或柱幕展示技术再现敦煌石窟的原貌，揭开了敦煌数字化的序幕。 在理论研究方面以大学数字博物馆建设为课题的论述居多。例如山东大学计算机 科学与技术学院向辉、孟祥旭在论文山东大学考古数字博物馆设计与实现中着重 介绍了虚拟现实技术在山东大学考古数字博物馆设计中的应用：中国地质大学宋慧玲 在硕士论文基于v r m l 的地学虚拟博物馆漫游系统的研究与实现中系统论述了 v r m l 的原理并对地学虚拟博物馆的实现过程做了阐述。东华大学信息科学与技术 学院研究人员曾结合服装学院服装多媒体数据库科研项目，对在线服装博物馆的数据 库建立做过研究，其中陈丽萍在论文基于对象数据库的在线服装博物馆系统模型研 究与实现对数字服装博物馆的数据库模型做了探索。理论性的论述如上海博物馆郁 健琼在网络虚拟现实技术在数字化博物馆中的应用一文中针对上海博物馆在网上 虚拟博物馆建设中的具体实践，阐述了怎样将虚拟现实技术更有实践意义地应用到网 络数字化博物馆的建设中去的方法问题。西北大学朱晓冬等在虚拟博物馆开发模式 研究一文中对虚拟博物馆的建设模式做了研究，总结了网站式、三维展示式，场景 漫游式和沉浸式四种现有的展示模式，并提出了新的三维环境中的动态实时文物展示 模式。 综上这些论著都有将虚拟现实技术在虚拟博物馆中的应用作为研究的主要内容， 但多从技术理论的角度出发，比较缺乏针对服饰展示特性而进行的交互设计研究。 1 5 论文的工作： 研究虚拟服饰博物馆的交互性，需要结合虚拟现实技术、混合现实技术、博物馆 学、展示设计、交互设计等理论知识，完全符合这一研究内容的文献资料并不多见， 这也是本课题的创新点和难点所在。它需要参阅多个学科领域的研究文献和理论论 著，并对这些资料加以归纳和综合地运用。 本文对虚拟服饰博物馆中的交互设计作了深入的探索，研究内容包括以下几个方 面。一、针对虚拟服饰博物馆的技术特点、建构模式进行了论述并提出了新的见解： 二、针对虚拟服饰博物馆提出了用户界面模型及虚拟服饰博物馆中三维鼠标、语音等 输入通道的多通道整合方法，实现多通道交互：三、针对服饰在虚拟博物馆展示的特 性和规律进行研究和探讨，分析并总结了虚拟体验中的交互设计的特性以及交互设计 4 北京服装学院硕士学位论文 方法；还分析了观众视觉心理和展示策略也是虚拟服饰博物馆的交互性设计研究的对 象和方向。 1 6 组织结构： 本文的第一章简单介绍了本文的研究背景和意义以及现有的一些问题，提出了研 究的内容。最后给出了论文的组织方式。 论文的第二章描绘了虚拟博物馆整体框架，介绍了虚拟博物馆这一新兴的交互式 体验场所的技术特点、建构模式。 第三章论述了虚拟博物馆的用户交互模型。以人为中心的设计是交互式软件系统 研究的一个重要方向，直接操作是最自然直观的一种交互方式，这一章的内容主要是 围绕直接操作建立用户交互模型。 第四章针对服饰在虚拟博物馆设计中的特性，通过分析实物服饰博物展示方式的 不足，把“体验理念 引入虚拟服饰博物馆中，对虚拟体验设计的类型、方法等方面 进行了探讨，分析并总结了虚拟体验中的交互设计的特点以及观众的视觉心理和展示 的策略。 第五章从用户信息需求与利用入手，分析了虚拟服饰博物馆的交互性设计与用户 体验之问的关系。 第六章是结束语。提出进一步的研究方向 北京服装学院硕十学位论文 第2 章虚拟博物馆新型的博物馆建构模式 2 1 博物馆信息化 随着计算机技术和网络技术的日趋成熟，信息化成为世界的潮流。作为文物的收 藏基地，博物馆具有丰厚的文物资源，应当成为主要的信息资源基地。因此，信息化 是当前博物馆发展的必然趋势。但目前关于博物馆信息化建设的提法概念比较混乱， 有数字化博物馆、博物馆的数字化、博物馆信息化等名词。这表明了我国搏物馆信息 化建设工作还处于初使发展阶段，对其中的各项工作性质和内容认识还比较模糊。“数 字或“数字化”一词是直接从英文意译过来的，揭示了计算机这一工具的本质，是 指直接利用计算机技术来完成的工作，其着眼点在于工具本身。“信息 或“信息化” 一词，是指收集、整理、加工、保存、利用、传播人类社会和自然界所产生的各类有 用符号，着眼点在于信息本身。必须看到博物馆的信息化是一个系统工程，绝不能把 它同文物信息的多媒体采集简单等同起来，需要从博物馆信息化的宏观背景下入手。 笔者认为博物馆的信息化建设可以分为两个方面，一个是实体博物馆的信息化 建设，一个是虚拟博物馆的建设。对实体博物馆的信息化工作，主要着重点在“化” 字上，即利用计算机、通信等技术，收集、整理、保存、加工、展示、研究各类文物 信息。实体博物馆的信息化建设还应该包括博物馆建设本身的各个方面，如安全监控 系统、楼字自控系统和计算机网络系统等。通过这些硬件的建设，配合管理信息系统 等系列的博物馆专业软件的建设，共同构成了实体博物馆的信息化建设工作。实体 博物馆毕竟受限于地域桎梏，个博物馆的受益人群在社会总体中总是非常有限的， 因此在信息社会的今天，催生了虚拟博物馆。虚拟博物馆是博物馆信息化建设的另一 个方面，它完全利用计算机和网络技术而存在的博物馆。它可借助各个实体博物馆共 享社会的文物信息，从而建立起层出不穷的虚拟博物馆。虚拟博物馆还可以充分发挥 多媒体和虚拟现实技术的优势，打破实体文物不可触摸的限制，推出大量的交互式展 览。 信息化手段引入博物馆，是适应博物馆发展方向而出现的。特别是虚拟博物馆， 高清晰度图片和虚拟展品等多媒体技术的使用，减少了文物暴露于不适合环境中的次 数，有利于延长文物实体的寿命；便利、灵活的检索手段，有利于展览主题的形成， 6 北京服装学院硕+ 学位论文 大范围内的文物信息共享，_ ) 己有利于展览内容的充实。虚拟博物馆突破了字州和时间 的限制，充分展现了藏品所承载的知识，加快了这些知识的传播、交流和共享，在更 大范围内服务于社会。 2 2 虚拟博物馆的组织结构 睥物馆是用考古实物展示历史遗产的场所，虚拟博物馆则采用数字仿真技术，三 维模型技术柬呈现考占文物的场所，是传统考古投术与先进计算机成像技术结合的产 物。虚拟博物馆的极大地扩展了人们的访问空间和时间，同时虚拟博物馆还能够以数 字化的方式集成各种文献资料，人们可以随时地调取使用与该文物相关的各种资料文 献。以上所描述的所有优势与便利都是传统博物馆所小具备的，数字化的虚拟博物馆 是人类活动从未接触与感受过的一种全新的体验方式。 对虚拟博物馆的定义非常宽泛，有广义和狭义之分。狭义的虚拟博物馆即是指使 用虚拟现实技术蕈现博物馆减品和历史或其它场景的博物馆陈列形式。这种博物馆既 可以是基于某种硬件设备的，也可以是基于网络的。广义的虚拟博物馆还包括现实中 可咀没有宴体的，仅存在于m 络r 的数宁博物馆。虚拟博物馆不受地理条件的限制， 只要棚有相关的虚拟设备，访问者就可以在虚拟场景中参观。 无论个虚拟博物馆是建。= 在实物博物馆基础j 一，还足建十一个展品完伞虚拟的 摹础上，都需要有良好的组织结构以完成它所要实现的功能。现代化的虚拟博物馆， 在结构上应包含f 列一些基本模块( 如图2i ) 。 7 善蜾体程示1 “j _ 一 ! 勰目 l 攥壁。j ( 图2 1 ) l 博物馆内部网络 博物 = f 内部刚络是一个局域网络，它所包含的模块，其功能侧重十博物馆的管理、 维护和更新等等“后台工作”。其中展品数据库及管理模块用于对展品( 无论实物的 库阿一 黼糊一 褊聪路 冒寓 北京服装学院硕十学位论文 还是非实物的) 进行电子化的数据分类、归档、备份和更新；信息采集和外部网络接 口用来连接外部互联网，采集最新信息，共享网络上的展品资源；办公自动化模块则 为博物馆办公人员提供基本的网络电子化办公环境。 2 博物馆外部网络 对于虚拟博物馆来说，所谓“外部网络”，就是指博物馆要直接面对参观者的部 分，也就是虚拟博物馆的“展厅 。根据博物馆展品特点的不同，我们可以大略把它 们分为两类：实物与虚拟展示相结合的数字博物馆、纯虚拟的数字博物馆。对于考古 类、艺术类和历史类的数字博物馆，多采用实物和虚拟展示相结合的方式来建立。这 类博物馆既有实体馆址，又有网络上的站点页面。在实体馆址中，除了摆放实物进行 展览外，还辅以触摸屏、虚拟导览器、多媒体演示等交互式方式，对展品的历史、由 来、特点等进行进一步的诠释和阐述，给予参观者一种浸入式的体验：而在网站页面 上，可以提供对展品数据的任意检索、展品的三维演示、展厅的漫游式导览等。 对于科普、科技类的数字博物馆，很多时候则只能采取纯虚拟的方式来建构。纯 虚拟方式建构的博物馆并不是说只有网站网页而没有实体馆址和实体展品，而是说博 物馆所展出的展品绝大多数都是由虚拟现实技术所模拟出来的。例如天文博物馆，可 以运用虚拟技术模拟外太空的实境，参观者通过佩戴特定的交互式设备，就可以体验 到外太空行走、在恒星上的生活等在地球上无法实际“展出”的物品和场景。如果网 络技术和虚拟技术更进一层的话，还可提供从网络上即可访问的浸入式虚拟系统，真 正实现游客坐在家中，戴上标准化的虚拟设备即可实时访问虚拟博物馆这一令人兴奋 的目标。 建构一个合理而且完整的虚拟博物馆展示系统无论在技术上还是管理上难度都 是相当大的，虚拟博物馆的建设重在展品的表现形式和参观者与展品内容的互动，展 品可分为实物展品和虚拟展品，其中虚拟展品的构建和表现、展览所处的场景、场景 与参观者的互动及体验效果，则是虚拟博物馆所要解决的几个核心技术问题，而解决 这些问题都离不开计算机虚拟实境技术。 2 3 虚拟现实与混合现实技术在虚拟博物馆建设中的应用 虚拟现实( v i r t u a l r e a l i t y ，简称v r ) 的概念可以阐述为：“利用计算机生成一种 模拟坏境，通过多种传感设备使用户投入到该环境中，实现用户与该环境直接进 北京服装学院硕十学位论文 行自然交互的技术 。简单的说，虚拟现实就是利用计算机来模拟真实环境。这种 所谓真实环境可以是客观存在的，也可以是理想中的环境。v r 技术的三个最突出特 征，即交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 、沉浸感( i m m e r s i v e ) 和想象性( i m a g i n a t i o n ) 乜3 。v r 的目标是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的感 觉状态，从而有身临其境的感觉。理想的虚拟环境通过逼真的照明和音响可以使处于 其中的用户难以分辨真假。 传统的多媒体界面中，人机之问的交互主要是通过键盘与鼠标进行一维或二维的 交互、而虚拟现实系统的交互性则是三维的、交互行为更加自然。可以实现人的行走、 抓取物体等等行为。当然以上的交互是以一系列传感设备( 如头盔、数据手套) 为基础 实现的。想象性体现了交互环境的虚拟性特点。也就是说虚拟现实环境可以经由设计 者的想象来搭建。这种特性使得人可以突破时间和空间的局限，去体验想象中发生的 事件或进入宏观或微观世界进行研究和探索。 但在具体实践虚拟博物馆过程中，当前技术还未见得能够完全实现虚拟博物馆的 所有特性。虚拟现实的理论概念与虚拟现实技术之间尚存在着距离。 如上所述虚拟现实是距离“现实世界”最远的，也就是说它的“虚拟度”最高， 也最“不切实际 ，是一种“虚幻的真实，这也就决定了它的特点：1 置入感强烈但 真实感欠缺。因为所有的场景和物品都是与现实生活无关的，甚至是现实中子虚乌有 的，因此观看者即使使用头盔式设备( 例如3 d 眼镜) 来观看，仍难以摆脱“旁观” 的感觉，这是人脑先入为主而导致的结果：还有一个原因就是现有技术还没达到能完 全以假乱真的地步。2 有利于构建和表现人类无法到达的场景。说v r 技术呈现的效 果欠缺真实感，只是针对人脑中已有的现实世界特点来说的，但对于人类从未涉足或 无法到达的领域( 比如宇宙深处和微观世界) 来说，虚拟现实技术却恰好可以产生最 好的置入感和真实感，这是因为人脑中对这些场景没有或少有先入的概念，因此v r 技术自然而然地成为了虚拟科幻场景、展示特异事物的首选。3 人机交互功能难以构 建。因为在虚拟现实中，场景和物品都是数字图像数据，不涉及任何实物和实体概念， 人与之交互的对象是“虚”的，是现实中完全不存在甚至不可能存在的，因此交互效 ：1 曾建趟俞忠和编著虚拟现实技术及其应用，清华丈学出版社，1 9 9 6 年 2 j o h nv i n c e v i r t u a lr e a l i t ys y s t e me m s l f 五r a p i ts e r i e s ，a c mp r e s s a d d i s o n w e s l e yp u b l i s h i n g c o m p a n y 1 q 9 5 9 北京服装学院硕士学位论文 果很难制作，交互体验很难做到真实、简单、易用，且耗资巨大。4 有利于进行特殊 场景下的训练模拟。尽管v r 技术在构建人机交互效果方面花费昂贵且难于运用，但 对于人类无法任意重现的一些场景，例如战争、救灾、反恐、星际和微观探索等活动， 却大有用武之地。 混合现实( m r ) 技术与虚拟现实技术的主要区别在于它是一种“建立在真实基础 上的虚拟”，它看上去比虚拟现实技术所呈现的效果更加真实，应用起来也更为简单， 它也是近些年来才逐步兴起的一项应用技术。混合现实，顾名思义，就是将实体的场 景或物体与虚拟的场景或物体相结合所产生的混合世界。那么混合现实的两个子概念 增强现实和增强虚拟又是如何定义的呢? 我们可以这样来区分它们：将一个虚拟的人 物放到一个真实的场景中所形成的混合图像就是增强现实( 即用少量的虚拟事物混合 到现实场景中) ；而将一个真实的人物放到一个虚拟的场景中所形成的混合图像就是 增强虚拟( 即用少量的真实事物混合到虚拟场景中) 。在实际应用中，这两个概念通 常都被统到“混合现实”这一定义之下。与虚拟现实技术不同的是，混合现实中强 调在虚拟中结合现实事物和场景，这一方面节省了投资、简化了软硬件设备要求，另 一方面进一步增强了场景的置入感和趣味性。同时，混合现实在人机交互方面的制作 投入、易用性以及自由度要远远高于虚拟现实。 如上所述，以虚拟现实技术和混合现实技术为基础建立虚拟博物馆是博物馆信息 化建设的重要工作内容。因此，虚拟现实技术和混合现实技术在博物馆的建设中起到 了种不可替代的作用。虚拟博物馆极大地丰富了博物馆信息化建设的内容，使得博 物馆信息化更加形象、更加迎合人的需求。 2 4 虚拟博物t 宦系统结构 虚拟博物馆系统设计并实现了一个面向任务的多通道交互系统。用户可以使用三 维鼠标自由随意的浏览虚拟场景，观察文物：在使用过程中，可以结合语音等，言息辅 助交互；同时可以使用三维鼠标控制场景中的三维物体，与对象进行交互。系统应用 面向用户，在设计中充分考虑到用户与计算机交互时相对随意、不精确并且追求自然 的特点，交互界面简单自然。在交互过程中，以三维鼠标为主要工具，结合语音输入 完成各种输入和操作，并提供语音和文字等提示作为信息反馈，引导用户成功地完成 交互任务。 l o 北京服装学院硕十学位论文 系统采用基于任务的多通道用户界面模型进行设计，通过整合来自不同通道的自 然方式输入来完成界面的操作。其层次框架如图2 2 所示。 陋谢_ 一驴一 ，? 麓 g 形 “j 。74 。 渤 、1 。#气溉 ? ：目盈晒i 显示设备耄 鬻一暑理霎 乏，交互设备翻滋酗 囊 二 。厨盔豳眵铭语音设备。荔 端船。n 一茹w 。j 镒 豫，一 m 一焦 ( 图2 2 ) 此系统主要由交互任务整合器和场景管理器两大部分组成。交互任务整合器负责 整合来自不同交互设备的信息，并将其转化为特定的交互任务。本系统中主要的交互 设备包括鼠标、三维鼠标和语音设备等。系统支持交互设备的扩充，交互任务整合器 可以根据实际需要来增加相应的交互设备。场景管理器负责管理三维虚拟场景中的对 象，它接收到交互任务整合器发来的交互任务以后，根据不同任务的具体要求更改场 景中对象的属性，进行相应的语法和语义反馈。场景管理器生成图像信息和语音信息 分别交给显示设备和语音设备进行处理。 按照系统框架的层次划分，用户可以完成不同通道与不同功能之间的映射。出于 实现了交互任务与通道的无关性。因此，系统本身具有高度的可扩充性。采用分层的 结构，多通道整合在交互任务执行之前就己完成，并且系统具有良好的语义反馈能力。 2 5 虚拟博物馆的技术设计 在虚拟博物馆的具体设想中，着眼于实现虚拟现实系统的三种特性( 交互性、沉 浸性、想象性) 的均衡，更在意为用户创造出一个身临其境感、视觉审美感以及带有 情绪感的综合虚拟视觉效果。具体的技术构成包括如下主要方面： 1 立体空间视觉效果的追求 在虚拟现实世界中，浏览者可以借助虚拟现实系统自由地在虚拟空问中漫游，感 受整个虚拟空间的空间信息和空间感。如果是佩戴上头盔的话，浏览者可以获得更多 的空间临场感。因此可以说，虚拟现实系统地视觉特征就是能够使浏览者感受到强烈 的空间感，以此达到沉浸式的体验。但是，拥有了虚拟现实系统并不意味着在设计虚 北京服装学院硕士学位论文 拟现实世界时就可以不考虑空间感了。精心的设置会加强虚拟现实系统已有的空间立 体感，使观众获得更大的沉浸式满足。充分利用描述空间三维度的x y z 概念就是一个 事半功倍的手段。比如说，在设计一条走廊时，我们刻意地将它分成几段，使它有上 坡的部分、也有下坡段落的、尽量减少有平地的段落长度，使浏览者在漫游时能够深 切地感受到立体的空间变化。否则，单纯地让浏览者在一个平面上行走的话，其结果 必将是索然无味的。同时，为了加强浏览者的立体沉浸感，我们有意地在场景中设置 了许多“前景”物体，比如一些传统的纺织工具，目的就是让观众在浏览时必须穿梭 于这些“前景”物体，以增加空间立体感。 2 物体表面质感和构成 每一种物体都有自己的独特的质感特性，物体的表面构成大体上可分为三大类： 粗糙的、光滑的和镜面类的。在虚拟现实环境设计与制作中，由于忽视了物体表面质 地的结构复杂性，经常采用简单单一的方式构成物体表面，以至于造成很多虚拟物体 表面的平板、光滑。这样草率构成的物体表面在一定距离外观察时，还可以蒙骗观众 的眼睛。但是在近距离内，这样的虚拟物体的真实感就荡然无存了。 在计算机三维影像世界中，有着与现实世界物质质感相对应的阴影模型可供使用 来表现物体表面的质感。木头的横截面非常粗糙，反光率很小，一般没有高光。l m b e r t 的阴影模型就是一个很好的选项，l a m b e r t 还可以调试出石头，陶器等一类的质感特 征。而金属表面则非常光滑，高光明显，b l i n n 是一个与其相对应的阴影模型。当然， 不同种类的金属的高光反射率是不一样，调整b l i n n 的高光强弱参数就可以实现金属 的高光衰减的效果。 现实世界的物体表面特征远远比这里描述的复杂，比如说毛发就是一个非常特殊 的材质。毛发表面类似一个个凹槽，所以在反射光线时，毛发的正面和反面都会反射 光线，并产生各自得向异性。这时候，我们就需要使用b r d f 材质模型来表示这种结 构。b r d f 是一种双向反射模型，非常适合表现物体表面的多次反射入射光的效果。 b r d f 阴影模型可以用来表示头发、布料，拥有微细凹槽的c d 等等。实际上，世间万 物的表面都可以使用b r d f 阴影模型来表示，因为没有一个物体表面是绝对的光滑。 与物体表面质感特征相关的还有物体表面的构成。在计算机图形学中，实现物体 表面构成的方法有两种，一种是凹凸方式，另外一种是置换方式。这两种方式都可以 形成物体表面的凹凸效果，使物体表面产生不同祖糙感，以此接近现实世界中各种物 1 2 北京服装学院硕士学位论文 体表面的不同质感。不同的是，凹凸贴图形成的凹凸效果是一种假凹凸，是一种视觉 欺骗。当观众近距离观察这类的表面质感时，就会发现其表面并没有真正的凹凸特征， 仅仅是一种视觉错觉。而置换贴图就不一样了，置换贴图可以使物体表面产生真正的 凹凸效果，它可以直接变换物体表面上的几何信息，使其突出于表面，产生真实的凹 凸效果。现在流行的置换贴图方法有如下几种：o c c l u s i o nm a p p i n g ，r e li e fm a p p i n g ， d i s p l a c e 。这几种都能获得真实的凹凸效果。 依据物体表面反光率的不同，一个物体还会对其周围的环境景象产生相应的反 射。反射有两种，漫反射和镜面反射。我们这里着重讨论镜面反射。虚拟现实世界中， 实现反射效果的方法主要有两种：一种是环境立方体贴图，一种光线跟踪算法。环境 立方体贴图的方法是在物体所在的位置，用相机沿着六个方向+ x ，一x ，+ y ，一y ，+ z ，一z 以 9 0 度的广角分别渲染一张环境画面，然后拼接成张立方体贴图，然后利用反射向 量获得反射点的颜色，最终形成反射图像。环境立方体贴图节省资源，计算量少，而 且能获得很好的反射效果。但是这种反射并不能精确地反映环境与物体的关系，只是 一种假的反射，有一定的局限性的。而光线跟踪算法则非常精确。光线跟踪算法实际 上是一种反跟踪算法，它从人的视点丌始进行跟踪，遍历场景中的物体，计算反射的 颜色，最终形成反射图像。光线跟踪算法虽然能够真实地反映物体与环境的关系，但 是它的计算量巨大，而随着画面分辨率升高或场景复杂度的增加，其计算量则上升为 一个巨大的负担。 3 光线、阴影和色彩 虚拟环境的光影设计是影响虚拟影像真实感和沉浸感得主要因素。阴影是一个与 光线息息相关的造型因素。在光线的作用下，阴影反映了物体与真实环境的关系，同 时也反映了光源的位置。在计算机图形学中，要想获得真实可信的阴影效果，是需要 耗费大量的硬件资源以及时间计算的。因此，在很多虚拟现实环境中，由于资源消耗 的问题，阴影往往而被忽略了，其影像必然就会受到影响。 目前，制作阴影的方法有两大类： 第一种是实时渲染阴影。利用硬件动态地计算场景中物体的阴影，因此当光照条 件发生变化的时候，阴影也会随之发生变化。目前主流的实时渲染阴影凡是主要有两 种：深度阴影贴图以及体积模版阴影。阴影贴图的算法的特点：实现起来相对简单， 对显示分辨率有限制，渲染画面分辨率越大，物体阴影贴图的分辨率也越大，所占用 北京服装学院硕士学位论文 的资源不算大。而体积模版阴影算法的特点是：比阴影贴图更加有效地反映物体的投 影，包括物体的自身投影，而且与渲染分辨率没有关系，但是与物体表面精度有关系， 物体的顶点数据越庞大，物体的阴影计算开销越大。 第二种是灯光烘培的方法。就是把灯光的阴影效果进行预计算，记录在灯光贴图 中。在实时渲染的时候，利用灯光贴图再现阴影的效果。这样的方法虽然节省资源， 但是在场景光照条件发生变化的时候，阴影不会随之变化，因为由灯光贴图形成的阴 影是静态的。 阴影也是一个造型因素。在反映物体与环境的关系以及光源位置的同时，也可以 突出环境中的主体物体，增加观众的注意力，达到控制视觉中心的功能。 4 交互与力反馈 所谓力反馈，就是在游览者在游览虚拟环境运动中所感受到的一种物体碰撞时产 生的反作用力。在虚拟现实中，力反馈的作用是让操作者感受到虚拟现实环境中的力 的作用以达到更加真实的交互性。只要虚拟现实中有力反馈的功能，游览者便可以感 受到运动中形成的各种力的作用以及各种震动感，或是利用力反馈来表现目前该物体 所遇到力反馈手控制器( f r m c ) ，或称操纵杆，是操纵者用于控制远程系统的设备之一。 操纵杆比起其它可用的选件如鼠标、键盘或触摸屏输入是更好的控制设备。利用操纵 杆游览者能够更好地参与游览任务和实现交互。的阻碍和限制。力反馈手控制器的机 械结构分为串行和并行结构。当应用到遥现系统中时这两种结构有利又有弊。例如， 串行结构提供较大的工作空间，而并行结构往往更紧凑。 5 文字、声音解说与图解 文字、声音解说与图解也是虚拟博物馆的一个非常重要的功能。在参观游览虚拟 博物馆时，可以非常容易地、便利地、随时地取得文物的虚拟化方式的说明资料，这 也是虚拟博物馆交互性的一部分。用户通过触摸、点击来选择或操作某些界面以获得 资料的索取，并通过多级链接来实现更为复杂的资料的搜索。这一功能的开发与实现 可以使虚拟博物馆的资料索取远远优于传统的博物馆。声音解说比文字更加具有主动 性，可以有效地把信息传达给浏览者。由于虚拟场景与真实世界还是具有很大的区别， 浏览者在阅读文字说明的效率比在生活中阅读文字要低，而且会干扰浏览者在虚拟现 实中的沉浸性。声音可以无声无息地传播信息，不影响浏览者在虚拟现实环境的漫游。 1 4 北京服装学院硕士学位论文 2 6 虚拟服饰博物馆的构建 2 6 1 精细的文