基于Untiy3D的交互式数字博物馆-的设计与实现毕业设计论文.docx

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英文摘要

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。

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

ABSTRACT

Intheeraofdevelopmentofinformationtechnologyindustry,kindsofnewtechnologiesareusedinthemuseumfield,suchasthetechnologiesoftheInternet,virtualreality,3dmodelingandmobileinterconnection.Thereareemerginganumberofdigitalmuseumswhicharecharacterizedbydigitizing,networking,virtualization.Itspurposeistodigitizephysicalresourcesandenhancethemuseumandexhibitsperformancecapabilities.Incurrent,manifestationsofdigitalmuseumisthemodelsimulationorroaming,butthosewayslacktheinteractionbetweenpersonsandthingsandcannotreflecttheconceptionof"people-centered".Atthesametime,themuseummanagerscannotpredicttheuser'spreferencesandcannoteffectivelymanagethemuseum.Therefore,thisthesispresentedaninteractivedigitalmuseumbasedonUnity3d.Thepresentationwayoffigures-centeredwillbechangedfrompeople-centered.Soitwillimprovetheinteractionbetweenpeopleandcollectionsandenhancethefunnyoflearning.

Thisthesisfirstlyhasdefinedtheconnotationoftheinteractivedigitalmuseumandanalizedtheadvantagesanddisadvantagesofexistingdomesticandforeigndigitalmuseum,thenproposedthenecessityofbuildingstronginteractivedigitalmuseum.ByintegratingWeb3dtechnology,databasetechnology,modelingtechniques,html5technology,andUnity3Dengineisusedtodesignandimplementtheinteractivedigitalmuseum.Theinteractivedigitalmuseumisdividedintotwoparts:

byusingUnity3Dtodisplaythedigitalcollectionsandthemanagementofdigitalassets.Effectivemanagementofdigitalresourceswillprovidethenecessarysupportforthedigitalcollectionsdisplaying.Setinacity'sNaturalHistoryMuseum,theinteractivedigitalmuseumrealizedsomefuncitons,suchasuploadingthedigitalcollections,theconstructionofthree-dimensionalexhibitionhall,interactionwithdatabase,mobileexhibit3dcollections,collisiondetectionofdigitalcollections,displaythecollectionsmenu,exhibitpreservation,usingareastatistics.What’smore,itwascompletedthedigitalmuseumdisplayandinteractivefunction,managementthedigitalcollections,thefunctionoftheareausagemappingfromvirtualtophysicalexhibit.

Theinteractivedigitalmuseumdesignedinthisthesischangesthetraditionalsingle"give"displaymode.Comparedwiththetraditionalmuseum,interactivedigitalmuseumhasmoreinterestinganddisseminating,whileitalsoprovidesconvenientmanagementforthemuseummanager.

KeyWords：

Interactive；Unity3D；DigitalMuseum

目录

目录

第1章绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2课题研究意义 2

1.3国内外研究现状和发展趋势 3

1.3.1国内外研究现状 3

1.3.2发展趋势 5

1.4论文研究内容和组织结构 5

1.4.1研究内容 5

1.4.2组织结构 6

第2章关键技术及框架研究 8

2.1基本概念 8

2.1.1虚拟现实技术 8

2.1.2Web3D技术 10

2.1.3数字博物馆 10

2.1.4交互式设计 12

2.2数字博物馆实现技术综述 14

2.3系统架构设计 16

2.3.1基于数据和逻辑驱动的架构设计 16

2.3.2基于数据和逻辑驱动的架构的特点 19

2.4交互式数字博物馆实现的关键技术 20

2.4.1Untiy3D引擎 20

2.4.23dsMax建模 22

2.4.3MySQL数据库 22

2.4.4jQueryFileUpload插件 24

2.5本章小结 25

第3章基于Unity3d交互式数字博物馆的设计 26

3.1交互式数字博物馆的需求分析 26

3.2交互式数字博物馆实现目标及特点 27

3.2.1实现目标 27

3.2.2交互式数字博物馆的特点 28

3.3交互式数字博物馆总体架构设计 30

3.4Unity3D交互式数字博物馆的功能结构设计 31

3.4.1数字展览馆后台业务设计 32

3.4.2交互式数字博物馆前台设计 34

3.5数据库设计 36

3.6本章小结 40

第4章交互式数字博物馆展馆功能实现 41

4.1系统开发环境及实现流程 41

4.2系统功能实现 43

4.2.1三维展厅实现 43

4.2.2Unity3d与数据库的连接 45

4.2.3交互式数字博物馆背包系统 49

4.2.4三维藏品移动布展功能的实现 53

4.2.5三维藏品组件碰撞检测 55

4.2.6主摄像机功能实现 56

4.2.7交互式数字博物馆布展保存 58

4.2.8交互式数字博物馆布展统计 62

4.3后台三维模型管理功能实现 64

4.4本章小结 65

第5章总结与展望 67

5.1总结 67

5.2展望 68

参考文献 70

致谢 75

基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现

第1章绪论

1.1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[1][2]。

博物馆通过各种方式、手段向公众传播藏品内容，具有一定的社会教育意义，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、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，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。

1.2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。

1.3国内外研究现状和发展趋势

1.3.1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、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[6][7]。

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]。

1.3.2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。

1.4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：

（1）对构建交互式数字博物馆的关键技术进行研究和论述。

（2）提出交互式数字博物馆的设计方案。

（3）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。

（5）实现交互式数字博物馆的布展、保存功能。

（6）实现交互式数字博物馆空间使用率计算。

1.4.2组织结构

本文通过研究虚拟现实技术、Unity3D引擎、3dsMax等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。

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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。

2.1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，