基于Untiy3D的交互式数字博物馆 的设计与实现毕业设计论文

1、中文摘要基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现摘要在信息技术产业发展的时期，互联网、虚拟现实、三维建模、移动互联等各类新技术被广泛运用在博物馆领域，以数字化、网络化、虚拟化为特点的数字博物馆相继涌现，其主要目标是将实体资源转为数字资源从而增加博物馆及展品的表现能力，使博物馆爱好者足不出户便对其进行参观浏览。现行的数字博物馆主要为博物馆藏品仿真或者以漫游为主的仿真数字博物馆。然而这种展现方式缺少人与物之间的交互，无法很好的体现“以人为本”的理念，同时，对于博物馆管理者也无法预知用户的喜好从而对博物馆进行有效管理。因此，本文提出基于Unity3d的交互式数字博物馆，将数字博物馆展现方式从

2、以数字为中心转变为以人为中心，提高藏品与人之间的互动，从而增强用户的学习性及趣味性。本文首先对交互式数字博物馆的内涵进行界定，通过对比国内外现行数字博物馆具有的优缺点，提出了构建具有强交互性的数字博物馆的必要性。然后根据以人为中心的思想，构建数字博物馆开发框架，整合Web3d技术、数据库技术、建模技术、html5技术等多种技术，运用Unity3D引擎设计并实现了交互式数字博物馆。交互式数字博物馆主要分为基于Unity3D的前台数字藏品展示和后台数字资源管理两个部分。通过后台对数字资源的有效管理，为前台数字藏品展示提供必要的支持。交互式数字博物馆以某市自然博物馆为应用背景，实现了3d数字藏品上传

3、服务器、三维展厅构建、数据库交互、三维藏品移动布展、数字藏品碰撞检测、藏品菜单展示、布展保存、布展使用面统计等功能模块，完成了数字博物馆的交互、展示功能及后台数字藏品管理功能、以及虚拟布展到实体布展面积使用率的映射等功能。英文摘要英文摘要本文所提出的交互式数字博物馆设计改变了单一的“给予”展出方式、模型动态加载等，相对于传统博物馆更具趣味性、传播性，同时为博物馆管理者提供了便捷管理。关键词：交互式；Unity3D引擎；数字博物馆ABSTRACTIntheeraofdevelopmentofinformationtechnologyindustry,kindsofnewtechnologiesa

4、reusedinthemuseumfield,suchasthetechnologiesoftheInternet,virtualreality,3dmodelingandmobileinterconnection.Thereareemerginganumberofdigitalmuseumswhicharecharacterizedbydigitizing,networking,virtualization.Itspurposeistodigitizephysicalresourcesandenhancethemuseumandexhibitsperformancecapabilities.

5、Incurrent,manifestationsofdigitalmuseumisthemodelsimulationorroaming,butthosewayslacktheinteractionbetweenpersonsandthingsandcannotreflecttheconceptionofpeople-centered.Atthesametime,themuseummanagerscannotpredicttheuserspreferencesandcannoteffectivelymanagethemuseum.Therefore,thisthesispresentedani

6、nteractivedigitalmuseumbasedonUnity3d.Thepresentationwayoffigures-centeredwillbechangedfrompeople-centered.Soitwillimprovetheinteractionbetweenpeopleandcollectionsandenhancethefunnyoflearning.Thisthesisfirstlyhasdefinedtheconnotationoftheinteractivedigitalmuseumandanalizedtheadvantagesanddisadvantag

7、esofexistingdomesticandforeigndigitalmuseum,thenproposedthenecessityofbuildingstronginteractivedigitalmuseum.ByintegratingWeb3dtechnology,databasetechnology,modelingtechniques,html5technology,andUnity3Dengineisusedtodesignandimplementtheinteractivedigitalmuseum.Theinteractivedigitalmuseumisdividedin

8、totwoparts:byusingUnity3Dtodisplaythedigitalcollectionsandthemanagementofdigitalassets.Effectivemanagementofdigitalresourceswillprovidethenecessarysupportforthedigitalcollectionsdisplaying.SetinacitysNaturalHistoryMuseum,theinteractivedigitalmuseumrealizedsomefuncitons,suchasuploadingthedigitalcolle

9、ctions,theconstructionofthree-dimensionalexhibitionhall,interactionwithdatabase,mobileexhibit3dcollections,collisiondetectionofdigitalcollections,displaythecollectionsmenu,exhibitpreservation,usingareastatistics.Whatsmore,itwascompletedthedigitalmuseumdisplayandinteractivefunction,managementthedigit

10、alcollections,thefunctionoftheareausagemappingfromvirtualtophysicalexhibit.Theinteractivedigitalmuseumdesignedinthisthesischangesthetraditionalsinglegivedisplaymode.Comparedwiththetraditionalmuseum,interactivedigitalmuseumhasmoreinterestinganddisseminating,whileitalsoprovidesconvenientmanagementfort

11、hemuseummanager.KeyWords：Interactive；Unity3D；DigitalMuseum目录目录目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1课题研究背景1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2课题研究意义2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 国内外研究现状和发展趋势3国内外研究现状31.3.2发

12、展趋势5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 论文研究内容和组织结构51.4.1研究内容51.4.2组织结构6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第2章关键技术及框架研究8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 基本概念8虚拟现实技术8Web3D技术102.1.3数字博物馆102.1.4交互式设计12 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.2数字博物馆实现技术综述14 HYPERLINK l bookm

13、ark34 o Current Document 系统架构设计162.3.1基于数据和逻辑驱动的架构设计162.3.2基于数据和逻辑驱动的架构的特点19交互式数字博物馆实现的关键技术20Untiy3D引擎203dsMax建模22MySQL数据库22jQueryFileUpload插件24 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.5本章小结25 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第3章基于Unity3d交互式数字博物馆的设计26 HYPERLINK l bookmark40 o Current Do

14、cument 交互式数字博物馆的需求分析26 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 交互式数字博物馆实现目标及特点27实现目标27交互式数字博物馆的特点28 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 交互式数字博物馆总体架构设计30 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document Unity3D交互式数字博物馆的功能结构设计313.4.1数字展览馆后台业务设计323.4.2交互式数字博物馆前台设计34 HYPERLINK l bookmark50 o Current Do

15、cument 数据库设计36 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.6本章小结40 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 第4章交互式数字博物馆展馆功能实现41 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 4.1系统开发环境及实现流程41 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 系统功能实现434.2.1三维展厅实现434.2.2Unity3d与数据库的连接454.2.3交互式数字博物馆背包系统494.2.4三维藏品

16、移动布展功能的实现534.2.5三维藏品组件碰撞检测554.2.6主摄像机功能实现564.2.7交互式数字博物馆布展保存584.2.8交互式数字博物馆布展统计62 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.3后台三维模型管理功能实现64 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.4本章小结65 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 第5章总结与展望67 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 5.1总结67 HYP

17、ERLINK l bookmark74 o Current Document 5.2展望68 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 参考文献70致谢75第1章绪论基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现- - - -第1章绪论课题研究背景博物馆是把具有科学研究价值、艺术欣赏价值或具有历史研究意义的代表自然和人类文化遗产的物品进行进行分类保藏、陈列、研究、分类的场所，它作为一种文化交互机构或社会公共机构，负责为公众提供知识、教育和欣赏等功能12。博物馆通过各种方式、手段向公众传播藏品内容，具有一

18、定的社会教育意义，有助于提高全民科学文化水平，丰富人们的精神生活。博物馆已经成为社会活动的重要组成部分。随着社会的发展，传统的实体博物馆由于自身的地域性、时间性等限制，其运营形式已无法满足其公众的需求。例如，现行的实体博物馆展览形式多为封闭型，人参与是被动的，这种展览形式主要是利用展柜、展品等组合方式进行展出3。这种展出方式是在有限的空间内通过展出部分藏品，参观者只能隔着厚重的玻璃或者围栏对展品进行被动的、远距离的观赏、研究。基于不断完善的计算机网络技术、三维图形图像显示技术、虚拟现实技术等，使藏品展现更趋向于利用网络进行虚拟仿真的数字展示。Web3D技术是实现虚拟现实的一种新技术。实时渲染、

19、无限交互以及优化和压缩是VR的重要特点，因此Web3D技术让基于网页的虚拟现实更易于实现。运用Web3D技术将传统实体博物馆资源虚拟数字化，可以极大地增强博物馆及展品的表现能力。虽然数字博物馆在我国已得到广泛的应用，开发者运用虚拟现实技术，把实体博物馆展品进行仿真显示和查看展品信息，解决了传统博物馆的时间、空间、地域限制。然则现行数字博物馆缺乏藏品与人之间的信息互动，参观者没有自主选择性，只能对预先设定好的简单的浏览。这种运营形式过于固定，人是被动性的接受展品，缺乏自主选择性，同时也使展品与其相关数据之间缺乏交互性，使后台维护性不高。交互式数字博物馆利用虚拟现实技术，将现实中的展品进行数字化，

20、着重以“人”为核心，减少现以漫游为主的数字博物馆在展品展出中的固定性和局限性，提高人机交互性，充分发挥用户的想象力，对数字博物馆进行布展，使其获得最佳的人机互动体验。课题研究意义有人曾说过：“数字博物馆是实体博物馆向外打开的另一扇窗口。”通过数字博物馆，可以把实体博物馆的信息、馆藏数字化，运用互联网技术以一种方便快捷、灵活的方式展现下人们的面前，使人们在任何地点只需使用互联网便可以参观、查询所需要的博物馆相关信息。交互式数字博物馆，是在现行的虚拟博物馆的基础上着重加强人机交互性能。重点关注用户可以在任何时间、场合下根据自己意愿充分地发挥想象力，对博物馆进行布展设计、查询藏品相关信息及对藏品细节

21、进行全方位浏览。它可以让没有时间或因为地域原因而无法参观博物馆的人充分了解藏品信息，提高藏品信息的利用价值，是广泛传播博物馆文化的重要渠道。这不仅增加用户与藏品间的沟通、参观的便捷性，同时也增添了博物馆给公众带来的乐趣，从而使人们对博物馆有充分的了解。交互式数字博物馆不仅具有交互性、便捷性，用户还可以把自己的布展效果图通过互联网与其他用户进行交流，增强爱好者的互动性。而对于博物馆的管理者，可以根据藏品爱好者的布展效果图进行博物馆实体布展，吸引更多的公众到实体博物馆进行参观。如许既精准的传播了藏品的信息，又为科学、教育研究和布展设计提供了有效的资料，使藏品意义、价值得以最大的体现。综上所述，交互

22、式数字博物馆的研究意义体现如下：（1）交互式数字博物馆是对实体博物馆的虚拟现实化。把现实世界中的藏品的基础信息、外形数字化，基于Web3D技术展现在人们面前。它是实体藏品的仿真化。（2）交互式数字博物馆改变了现行数字博物馆的“给予”展出形式。以“人”为中心，积极调动用户的设计思维和空间想象力，使布展设计灵活多变。交互性使得用户可以凭据自己的喜好、想法对博物馆馆藏展览方式、展览地点进行设计。通过对展品信息、细节的查看，增加了人与物的互动，激发人的参与热情，使其从无尽的乐趣中获得知识。（3）打破实体博物馆区域、时间、自然条件等因素的限制。交互式数字博物馆为由于各种原因而无法到实体博物馆参观的爱好者

23、提供良好的获取知识的渠道。（4）增进了博物馆灵活多变性。博物馆通过来自各地用户的布展效果图对博物馆进行实体布展，从而吸引更多的人参观、体验真实博物馆。（5）观众参与度高、寓教于乐。现代博物馆已融入教育行业，它以教育、科学研究和娱乐为目的，是社会及其发展的有效动力资源。交互式数字博物馆使参观者在互动中接展品所传达的相关信，相比实体博物馆的展示方式，更能吸引观众参与学习。（6）展出藏品动态加载。交互式数字博物馆的数字藏品可以动态更新，并不是固定于程序之中，便于系统维护。（7）理论研究与实际应用相结合。数字博物馆的交互展示存在对现行的前沿技术的依赖性。它是前沿技术的表现形式，是人文精神的另一种展现方

24、式，是博物馆展览形式趣味化、娱乐化、游戏化与公共教育发展趋势的有机融合。（8）交互式数字博物馆是智慧城市的有机组成部分。智慧城市的目标是为人类构建更便捷的生活，促进社会协调、绿色可持续发展，这成为当今时代的发展主题和趋势。交互式数字博物馆作为其组成部分，需跟上时代的步伐。国内外研究现状和发展趋势国内外研究现状数字博物馆概念的最早提出可以追溯到上世纪七十年代末，随着计算机技术的日渐发展与普及，国外的学者相继提出了把计算机技术运用在博物馆领域4。数字博物馆的研究最早源于美国，后在欧洲、亚洲得以兴起。伴随着相关技术的发展，数字博物馆的研究从理论转变为实践。数字博物馆通常被定义为：“把一般博物馆的收藏

25、、研究、娱乐、展示、教育等功能用数字化方式表现出来的博物馆”5。具资料记载，数字博物馆最早的实践应用被认为是1990年美国国会图书馆启动的“美国记忆”计划，该计划预期将美国国会图书馆珍藏的有关美国历史、文化等相关资料进行数字化，如手稿、印刷文本、影像、书籍、录音等，基于数据库并通过网络手段，让所有公众用户都能便捷地阅读这些数字资源67。伴随技术发展的日新月异，很多发达国家使数字博物馆藏品的数字化逐渐从二维拍照转为三维扫描记录方式，并且其后出现了虚拟博物馆、移动博物馆等。Web3D技术被用于构建三维互动虚拟博物馆，并且通过这种方式向人们传播知识。例如基于Flashi3d技术所搭建的虚拟日本艺术博

26、物馆(TheVirtualMuseumofJapaneseArts)、意大利的纺织品艺术虚拟博物馆(Italianvirtualmuseumoftextilearts)等。1998年，随着数字地球理解21实际我们所居住的星球中数字地球概念的提出及其随后的发展，使人类明白，数字博物馆发的馆藏资源数字化只是其中的一部分，数字博物馆还应该对实体博物馆及其相关现象进行基于数字化的管理与认知8。自2009年以来，美国、日本、欧盟等相继提出物联网、大数据、云计算等发展战略，并对智慧的系统具有的特征进行概括：感知的透彻性，物联网的全面性,智能化的深入性。我国的数字博物馆建设从上世纪90年代初起步，进入21世

27、纪，随着文博信息化项目的开展，我国建设了许多关于文物相关的数据库管理系统，数字博物馆的应用得到快速发展9。如今国内涌现出了一大批的虚拟展览馆，如中国数字科技馆等。目前国内数字博物馆的应用实践主要集中在三个方面：数字资源采集开发、数字资源展示利用和博物馆管理信息化10。然而国内关于数字博物的理论研究方面还有一定的欠缺，呈现出单一显示、交互性弱等特征。与国外的博物馆数字化、发展规模相比，中国的数字博物馆的建设还有一些不足的方面，所以国内关于数字博物馆的研究还有一定的发展空间11。随着计算机技术的日新月异，建立数字博物馆的开发工具也在不断更替。VRML虚拟现实模型语言是早期虚拟展览馆开发工具的常用语

28、言，其发展形势盛况空前。如丹麦的Unity3D、美国的idTech、国际标注VRML和X3D、Macromedia公司的Shockwave和Flash3d、Valve公司的Source、Act-3D公司的Quest3d、Microsoft公司的Blend3d等12。而在国内自主开发构建数字博物馆的相关软件比较少并且起步较晚，虽发展进几年有所加快，但与国外相比还是有一定的距离13。发展趋势20世纪90年代，我国数字博物馆初现，随后进入发展阶段。从“博物馆数字化”、“博物馆上网”到“数字化博物馆”、再从“中国数字博物馆建设工程”到“中国数字科技馆”等系列项目建设运行14，使许多数字虚拟博物馆、数字

29、科技馆打破了时间、空间等限制。这为社会大众提供了更加方便快捷的信息资源服务功能，为中华优秀历史文化向大众、世界传播提供了崭新的舞台15。一些先进的单位，如故宫、上博、金沙等，通过利用现代科技信息技术，实现了博物馆的虚拟现实展示，并且通过电子数据采集、三维模型构建等，产生了很多诸如故宫博物院、纪录片圆明园等数字文化产品，同时也为数字博物馆建设与发展提供了优良的环境。随着众多技术发展的同时，人们对数字博物馆的需求不仅仅局限于单纯的仿真或者以漫游为主的仿真数字博物馆，数字博物馆的开放性、可交互性也在随着蓬勃发展。简单的三维展品展示、虚拟博物馆漫游只能满足人们的观看需求，其缺乏高强度的人机交互和对数字

30、博物馆的自主性。人们希望通过良好的交互性，不仅获得知识，也可以展示出自己的风格与其他爱好者进行沟通。数字博物馆将朝着游戏化、高交互性的方向的发展。它不仅为社会发展提供了便捷的知识获取渠道，也是为社会科学普及教育的不竭动力。通过不停的完善自身性能，采用更加丰富、有趣的表现方法对展品进行展示。所以，数字博物馆的发展将从由以博物馆藏品展出为核心向以人的思想、意愿为中心转变，更加注重“人”的参与性，将传统单项给予式向自主选择转变，将会更加的自主化、个性化，交互式数字博物馆成为了未来发展数字博物馆的趋势。论文研究内容和组织结构1.4.1研究内容通过对现行数字博物馆的特点及功能的调查研究，了解了现行数字博

31、物馆的发展现状并且分析了数字博物馆优缺点，提出基于Unity3D引擎的交互式数字博物馆设计方法，希望对现行数字博物馆所存在的局限性等缺点有所改善。本文通过研究开发交互式博物馆所需的关键理论和技术，提出交互式博物馆的功能模块设计及数据库设计的方案，并且制定相应的开发流程。论文主要研究内容如下：对构建交互式数字博物馆的关键技术进行研究和论述。提出交互式数字博物馆的设计方案。根据设计方案，利用Unity3D引擎实现数字博物馆的构建。(4)与数据库进行数据交互。实现交互式数字博物馆的布展、保存功能。实现交互式数字博物馆空间使用率计算。组织结构本文通过研究虚拟现实技术、Unity3D引擎、3dsMax等

32、技术的基础及现行数字博物馆的特点，对某自然博物馆进行资料收集、数据整合，提出交互式数字博物馆的设计方案，并且实现了数字博物馆的自由布展功能等。本文共分为5章，具体内容如下：第1章：绪论本章主要叙述了论文的研究的背景、研究意义、数字博物馆国内外发展现状以及研究的主要内容。第2章：交互式数字博物馆及相关技术本章首先对交互式、虚拟现实等基本概念进行论述，并对数字博物馆实现的关键技术进行对比、综述，提出本文的主要关键技术并对其进行概述。第3章：基于Unity3D的交互式数字博物馆的设计本章主要对交互式数字博物馆进行需求分析，提出实现目标及其所具有的特点，对交互式数字博物馆架构设计，最后对交互式数字博物

33、馆进行功能结构、数据库设计。第4章：基于Unity3D的交互式数字博物馆的实现本章是对交互式数字博物馆的具体实现进行概述。根据设计方案，首先运用3dmax构建模型，通过后台管理程序进行模型管理并存入数据库；然后运用Unity3D引擎与数据库进行通信，获取展品信息，最后实现数字博物馆自由布展、保存布展功能。同时为博物馆管理者提供空间使用率的计算，方便管理者管理博物馆。第5章：总结与展望本章总结了论文的研究成果，以及指出了论文的不足指出，最后对研究工作进行了展望。基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现第2章关键技术及框架研究- - #- -

34、第2章关键技术及框架研究交互式数字博物馆基于现有的实体博物馆，运用互联网技术、虚拟显示技术等，集博物馆管理、娱乐为一体的新型博物馆。它打破了传统实体博物馆的地域性、时间性等局限，把展品、展厅等实体物体数字化，基于虚拟现实技术及互联网技术，使人们可以便捷地参观到高仿真的博物馆。同时，较强交互性的数字博物馆增加了人机互动体验，使人们在轻松的环境中学到知识。它不仅提供了展品展示功能，还可以通过自主布展功能充分发挥人们的独创性、空间想象力等。交互式数字博物馆将会成为未来博物馆向世界展示其价值的一个重要窗口。基本概念2.1.1虚拟现实技术虚拟现实(VirtualReality,VR)技术是一种新型人机交

35、互方法。它是信息时代随着如计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术等高新技术发展的产物12。虚拟现实技术的发展分为三个阶段：20世纪50年代到70年代是第一阶段，被称为准备阶段、80年代初到80年代中期是第二阶段，是VR从理论到实际应用内的转变阶段、从80年代末至今是第三阶段，是虚拟现实技术全面发展时期16。“VirtualReality最初是由JaronLanier(VPL创始人之一)在1989年在美国提出的，VR在科学界引起了广泛关注并对其进行深入研究。我国各领域的学者、专家对VirtualReality也有不同的理解。有人把它以为“灵境、“虚真实，也有人把其翻译为“虚拟镜像、“虚

36、拟现实等。现在对虚拟现实技术的定义并没有标准定义，不同领域的人提出了不同的看法17。有狭义和广义两种定义。“虚拟现实术语工作组”对VR狭义定义为“VR是指用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其内漫游并能操纵其内的物体18。在这种定义下人们所感受到大多通过传感设备来反馈。但是目前的VR不仅限于设备实现，还应该包括一切具有原生模拟、真实体验的相关技术、方法，所倡导的是“计算机适应人”的理念。广义的VR技术被认为是“对虚拟想象或真实的、多感官的三维虚拟世界的模拟”19。由此可知，虚拟现实技术是依靠计算机技术而产生的符合现代发展需求的技术。它所产生的虚拟环境中可以

37、包含视、触听觉等20。通过某些外联设备，用户可以操作虚拟世界中的物体，有身临其境的感觉。虚拟现实技术所实现的三维空间是跨时间、地域性的，它源于人们的想象力，是想象世界的真实体现，它是对现实世界的模拟、仿真，立足于现实且超脱于现实。具体将虚拟现实分为对真实世界的再现的三维世界和虚拟人造世界三维世界两类。通常来讲，虚拟现实技术具有沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)三个主要特征21。沉浸性主要是指利用计算机技术，构建出仿真三维世界，用户与虚拟世界融为一体所产生出的身临其境感。交互性是指人们沉浸在三维世界的同时，可以通过具有交互性的外接

38、设备与虚拟空间中的物体进行互动，如行走、放下与抓取等，交互性是VR实现虚拟展厅设计的突出特征。想象性使用户在获取知识的同时发挥想象力，是感性认识与理想认识的有机结合在这三种特点的驱动下，现流行的虚拟现实系统被大致分为四大类：沉浸式虚拟现实系统、增强现实技术为基础的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统以及桌面虚拟现实系统22。沉浸式虚拟现实系统主要是通过操作各种设备、装置，用户的感觉器官被置于虚拟现实中，使其有真实体验感；增强现实技术为基础的虚拟现实系统不仅把用户置于高仿真的虚拟环境中，更加增进了用户在虚拟世界里的高仿真体验，如战斗机飞行员抬头的显示器；通过互联网把多个用户接入到同一个虚拟世界里协同

39、工作是分布式虚拟现实系统最大的特点；桌面虚拟现实系统依靠一个虚拟通道计算机屏幕，用户通过桌面应用系统、浏览器进入虚拟世界，并利用鼠标等外接设备进行虚拟互动，它具有低成本性、方便性、快捷性、广泛性等特点，常见的桌面虚拟现实有：基于VRML的虚拟现实、MUD、基于静态图像的虚拟现实等23。本文所设计的交互式数字博物馆便属于桌面虚拟现实系统。虚拟现实技术现在被运用到各个方面，如教育、军事、医疗仿真模拟等。博物馆是教育范畴的一部分，是像人们提供学习、信息的重要窗口，也是文化、知识、常识传播的重要通道。这使得利用数字博物馆对于改变传统的教学方式具有第2章关键技术及框架研究基于Untiy3D的交互式数字博

40、物馆的设计与实现 - -重要意义。它以“兴趣是最好的老师”为出发点，提高自主学习能力、自主探究能力，调动学习积极性、激发探究欲望，增强思维想象力。Web3D技术Web3D技术是基于网页而实现虚拟现实的一种技术。它运用与桌面虚拟现实系统，通过互联网、特定的软件技术来实现。其核心技术包括以下三个方面：（1）建模技术实时建模与动态显示是虚拟现实的核心基础。主要分为基于几何模型的实时建模与动态显示、基于图像的实时建模与动态显示以及三维扫描成型技术三类24。如3DMax和Maya是基于几何模型的实时建模工具。3DMax使用范围较为广泛，主要是因为其使用的便捷性、模型多变性所决定的，它所成的模型可以直接导

41、入大部分的Web3D软件，并通过计算机的相关功能，可随意改变观察角度和方向，并且实现光照、消隐、投影绘制等过程。这种建模方式把虚拟现实技术的“沉浸性”、“交互性”、“想象性”融为一体。第二种基于图像的实时建模技术是利用摄像机对物体进行360度拍摄。通过拼接每个面的图像、切割和压缩存储，形成全景图，实现建模。基于三维扫描成型技术的建模方式是利用三维扫描仪构建实物信息，但是扫描设备昂贵，即使其方便，但使用率较低。（2）显示技术在支持Web3D的浏览器上安装相应插件把三维模型加以展示即为显示技术。（3）三维场景中的交互技术交互性是虚拟现实技术的重要特征，Web3D技术具有强大的交互功能。它所具有的人

42、机交互功能不仅是人与场景交互，还应该扩宽到人与人的交流，通常为虚拟聊天室。总而言之，开发者可以根据需求选择不同的建模工具和实现所需的交互功能数字博物馆数字博物馆是实体博物馆基于网络技术的一种仿真呈现方式。主要运用虚拟现实技术、建模技术、计算机网络技术、立体显示系统等进行三维展示25。数字博物馆的建立基于实体博物馆并建立在数字空间上，对实体博物馆时间、空间两个方面的进行充分拓展。数字博物馆依赖于计算机处理系统，通过计算机、网络等进行显示与访问。数字博物馆把馆藏藏品数字化，使其具有保藏、研究、传播文化等功能。数字博物馆中的藏品都是实体藏品的数字表现形式。它需要数字化的资源包括实体藏品的文字描述、图

43、片、仿真模型等信息。通常将数字藏品分为两种类型：对实体产品进行数字化后获得的数据资源和各类数字创造行为中具有一定意义和价值的数据资源26。数字博物馆具有实体博物馆的研究、欣赏、教育意义27。同时藏品数字化有助藏品的保存和传播。它弥补了实体博物馆的时间、文化地域、空间局限性。任何人在任何时间、任何地点都可以通过互联网获得特定的展品信息。数字博物馆具有以下特征：无空间限制、无时间限制、无藏品陈列条件和场地限制、高交互性、开放性和共享性等。也就是说，人们可以在任何时间、地点参观和浏览所有的数字藏品；人们不必担心陈列条件的苛刻和场地限制而影响到展品的展出；通过互联网，藏品爱好者可以跨域地域、跨时间进行

44、藏品研究、共享和讨论。综上所述，表2.1是实体博物馆与数字博物馆的特点对比28表2.1实体博物馆与数字博物馆功能对此Tab.2.1Functionofthecontrastlist功能实体博物馆数字博物馆藏品征集挖掘、搜聚、购买、捐赠等。数字化采集、信息数字化、信息交换等。库房、文物柜架。由于温度、湿硬盘等存储设备、数据库等。藏品存储度、易碎等条件限制，不易存储、存储方便、容易、快速、占用空间小资源消耗大受地域、时间、陈列条件限制；无条件显示，基于互联网进行藏品展示，藏品展示展柜陈列、方式单一共享性好，方式多样化直观、真实、细节突出，相关性可进行藏品对比、检索、共享，数据挖研究价值研究不易掘等

45、。便捷性差好虽然数字博物馆扩大了实体博物馆的空间、时间局限性，但是实体博物馆依旧具有永恒的存在意义，它代表了人类文化和文明发展历程，具有很高的价值。当前，大多数的数字展厅分为两种形式：一种是虚拟博物馆形式，即在一个相对完整、仿真的空间里，将现有数字藏品进行陈列，人们漫步于在虚拟空间中观赏陈列其中的各种藏品；一种形式是藏品单独展示，用户运用外接设备进行拖拽，多角度观赏一个物品24。虚拟展厅的设计与制作的关键步骤如下：（1）构建虚拟场景虚拟展厅的构建来源于现实世界但是不拘泥于此。设计者可以根据实际需求，运用3d建模工具如3DMax、MAYA等进行场景制作，并对场景进行灯光、材质的设计，进行贴图，最

46、后根据开发软件需求，导出如unity3d所需的.fbx格式的不同三维场景。（2）模型设计桌面虚拟现实系统是通过计算机显示器动态加载所需内容的，因此对模型的大小、传输速度有一定的限制。所做的模型不能超过最大网格面限制片数，并且要在导出模型和场景前对模型的材质贴图信息进行处理，从而优化模型，做出符合实际需求的3d模型并进行导出，提高传输速度。（3）构建虚拟现实平台通过面向对象语言与数据库进行资源请求，动态导入数据库中的模型、场景，并且通过轻量级脚本语言对模型、场景的更换、放大、移动等操作进行控制。（4）发布将构建好的数字展厅在网络上发布，使用户可以通过浏览器便捷地获得虚拟展厅并对其进行操作。交互式

47、设计交互（Interact）是沟通、交流、互动、相互影响、作用的意思，其目的是“为了实现某一个特定的目标”29。人在交互中式最主要的参与者，“交互”可以认为是人与人或人与物进行的相互作用而产生视、听、心理上的感受。在互联网时代，最常见的交互是人机交互关系人通过某种方式与电脑进行交互，完成信息从单向接受消息到双向互动传达与反馈。1984年，IDEO的创始人比尔莫里奇(Bill-Moggridge)，在一次设计会议上首次提出交互式设计(InteractionDesign)30。在二十世纪八十年代，交互式设计被作为一门新学科，主要关注用户的互动体验。交互设计协会(IxDA)对交互式设计的定义为：“I

48、nteractionDesignisthedisciplineofdefiningthebehaviorofproductsandsystemsthatausercaninteractwith.”31，即界定用户与产品和系统间互动行为的规则。换言之，交互式设计的目的是为了扩展人们工作、通信之间的交互方法、空间。交互式设计由实践孕育而生，是一门交叉性学科，它是在特定的环境条件下解决该社会背景下的问题，对其的性能评价没有明确的界定。交互式设计最大的特点是以用户为中心。交互式设计的目标是人与物、人与人之间的互动产品设计。设计者充分考虑用户操作方式、习惯以及产品使用环境等因素从而进行思考、设计，获得满

49、足用户需求的产品。交互式设计的焦点是用户、物品、系统三者之间的关系。目的是设计出可操作性强的产品，使人与物之间的可以进行无缝结合。通过对目标用户进行研究、分析得出精确需求，是使用户在获得良好用户体验的基本前提、条件。日常生活中最简单的人机交互方式很多，如用户使用电脑、iPad等工具通过某个搜索引擎(如百度、谷歌等)查询相关信息并获得反馈的基本操作。当然，好的交互还包括系统容错性、信息提醒、错误提示等。人机交互设计主要达到两个阶段目标：一是可操作性；二是用户体验目标。在人机交互设计中，可用性是最为基本的功能要求。在交互式数字博物馆中的可用性首先体现在场景和模型、脚本的动态加载与显示，从而可以通过

50、脚本对模型进行操作、运用。用户体验是基于可用性的。在实现可用性后，就需要增强用户体验。好的用户体验不仅表现在程序响应时间、操作时间，还有容错性，确保系统不会随着用户的操作过快或错误使用而导致系统崩溃。在交互式数字博物馆设计中，还应该增加操作探索性和趣味性，在参观数字博物馆时，观众与展品能有效的沟通，相互作用、彼此影响、动静结合，从视觉、听觉、感觉上带给人强烈的体验感。数字博物馆实现技术综述虚拟现实系统被分为沉浸式虚拟现实系统、增强现实技术为基础的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统以及桌面虚拟现实系统32。运用Web3D技术实现的桌面虚拟系统数字博物馆，具有方便性、通用性、可交互性、成本低等优点。

51、实时渲染技术是Web3D技术的核心构成部分。也就是在服务器端的数字信息可以通过Web3D技术在浏览器上被实时渲染、显示。这意味着网络带宽成为影响三维模型的加载速度的重要因素，因此在建模的时候要使模型文件大小在可接受范围内，不能影响速度和显示效果，并且某些软件开发的虚拟现实系统需要用户在浏览器中安装特定的实时渲染引擎（如微软公司的VRML渲染引擎）进行3D模型的渲染。从而渲染引擎的大小直接决定了渲染图像的质量。互联网3D的最大特色为交互性，所以虚拟场景中的模型必须要足够灵活，可操作、可控制。运用Web3D技术实现数字博物馆的方式很多，以下是常见的Web3D技术：（1）ViewpointViewp

52、oint是由美国Viewpoint公司提出的web3D解决方案29。运用XML语言架构达到浏览器与数据库进行通信、软件可内嵌等因素使Viewpoint应用很广泛。Viewpoint运用流式传播3D模型，而且它所需要的浏览器插件ViewpointMediaPlayer是免费的，且安装方便，模型浏览、操作也相对简单，同时它具有Web3D技术所具有的旋转、缩放控制等基本操作。3D模型可压缩性使其具有良好的网络传输性。运用Viewpoint开发数字博物馆，3dMax建模并进行格式转换是第一步。第二步则是将转换后的模型要导入ScenneBuilder中并加入MTS、MTX文件，对模型交互进行控制厲。最后

53、就是在web中嵌入MTX文件。（2）Cult3DCult3D是由瑞典Cycore公司所开发的跨平台3d渲染引擎34。由于具有跨平台性，其开发的3D产品可嵌入到Acrobat和浏览器中，同时只要软件支持ActiveX便可使用该软件。Cult3D有三个组成部分，分别为：Cult3DExportplugin（模型格式转换工具）、Cult3DDesigner（交互性功能实现工具）、Cult3DViewerplugin（浏览插件，安装后可以在IE、Office、Arcobat等软件中输出Cult3D模型）oCult3D最大的特点就是跨平台性，支持多浏览器，并且Cult3D具有高效的压缩技术，使其模型较小

54、、现实效果强、高交互性，可以灵便的实现复杂的动画。运用Cult3D进行虚拟现实，首先需要安装Cult3DExportplugin，再为模型添加交互性效果，最后对所构建的场景进行网页发布。（3）VirtoolsVirtools发展较早、较成熟。它是法国Virtools公司开发的平台技术35。Virtools在国外具有较大市场，被众多开发者青睐，而在国内由于其价格比较贵，因此多以出售软件为主。Vitrools的扩展性优异，具有灵活、易操作的特点，提供了很多强大的、可重复利用的行为模块，通过这些模块可以轻松地完成交互功能的设计，降低开发所产生的成本。Virtools不断发展，使其行为引擎、渲染引擎、

55、管理系统性能优良。（4）Atmosphere2001年，Adobe公司推出了交互式网上3D软件Atmosphere。它集虚拟创作、展示、互动于一体。由AtmosphereBuilder（三维世界创建工具）、AtmosphereBrowser（三维模型浏览插件）、AtmosphereCommunityServer（开发多用户交互聊天工具）三部分组成36。Atmosphere优于其他软件的最大特点就是可以通过互联网进行多用户连接与用户信息共享，收发聊天短讯。Viewpoint技术被运用于Atomsphere中，也就是说只要安装Atmosphere，浏览器也就安装了Viewpoint插件。同时其对于

56、Adobe公司的其他软也有很好的兼容性，如Photoshop等。但是它还处于发展阶段，其渲染技术、浏览器兼容性还不够完善、操作平台具有一定局限性的。（5）Quest3DQuest3D是由Act-3D公司开发的图形产品，是一个方便有效的实时3D构建工具。Quest3D具有良好的性能和强大的功能模块，可以进行高效、快速开发。包括DirextX图像引擎、实时渲染器、真实的物理引擎、可视化和图形化的编辑器等37。强大的容错功能使开发者可以只专注于虚拟场景的美化和互动设计，极大地缩短了开发所用时间。同时它具有人工智能、数据库操作等附加功能以及超强的粒子系统。Quest3D分为三块：编辑器（数据集成，便于

57、开发）、浏览器、SDK（建立Native程序）。Quest3D具有独特的“Channel技术，用户可以轻松实现任何效果和接口。（6）Unity3DUnity3D，是由丹麦UnityTechnologies公司开发的具有强大功能的虚拟现实工具，多用于游戏开发。它支持多平台开发，可使开发者轻松创建三维视频游戏等类型。具有良好的物理引擎、强大的粒子系统、高效快速的实时渲染器。Untiy3D最为突出的特点是支持多种脚本语言并具有成熟的如NGUI等开发插件。运用Unity3D开发的运用程序可以发布为Windows、Mac、Wii、iPhone、Android等不同的平台并运用UnitywebPlayer

58、插件可以发布为基于web的网页应用程序38。它支持现行的主流浏览器。由于软件价格低、开发成本不高、可操作性强等，Unity3D引擎被应用于很多领域。系统架构设计基于数据和逻辑驱动的架构设计软件架构描述的是系统的整体结构，包括了系统的数据结构、数据访问层的接口定义、业务功能的分层抽象、系统物理性能分配、组织结构、组件间的协同工作等方面。一般把软件架构分为业务架构和技术架构39。业务架构是根据用户提出的需求进行搭建的，而从开发者角度考虑系统的性能、负载、吞吐量等技术方面所搭建的架构则为技术架构。一个系统架构性能的好坏，技术架构起着重要作用。软件架构为系统性能、安全、可维护等方面提供重要保障，是软件

59、复用性、可重用性的基础。设计中从广度、深度两个视角实现对架构的空间描述40。广度视角所体现的是软件分层结构，同时规定了层与层之间的信息交互准则，而每一层的功能相对独立，各层协同工作。通常将其分为数据层、数据访问层、业务逻辑层、表示层等41。而深度视角真是对软件分层结构中的每一层功能进行具体实现与描述。根据一个软件架构所设计的系统质量好坏评价是有多方面的。通常从开发阶段和运行阶段的质量属性进行评判41。开发阶段主要从系统的可重用性、易理解性、可测试性、可维护性、可移植性进行评价，运行阶段从系统容错、可靠性、可操作性、界面友好性等方面进行评价42。分层结构是将系统功能模块进行划分，将不同组件分隔到

60、不同的层中，每一层中的组件的抽象级别相似，同时还要满足组间内聚性使它与下面的各个层保持松散耦合43。系统从最低级别的抽象开始。第一层为系统的基础层，类似构建房屋，进行层层叠加并不断向上完成抽象。分层架构是根据系统的依赖性管理进行抽象。每层中的组成部分只对应同一等级中的实体或者其等级一下的组件交互，减少系统各组成部分的依赖性。现行的分层方法一般分为两种：严格分层和松散分层。严格分层方法限制一层中的组件同等实体及与它紧邻的下面一层中的实体进行交互，不能隔层交互44散的分层应用程序允许组件比它等级低的层级中的所有组件进行交互45。分层结构是对系统各功能模块进行粒度划分，使各层相互协作完成系统功能每一