基于UDK技术的虚拟博物馆仿真系统设计与实现毕业论文.docx
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基于UDK技术的虚拟博物馆仿真系统设计与实现毕业论文
毕业论文
题目
基于UDK技术的虚拟博物馆仿真系统设计与实现
摘要
目前，文物数字化研究是文物保护的研究热点，随着网络技术和虚拟现实技术的不断成熟和发展，使得对博物馆的环境及藏品进行全方位立体感的展示成为可能，并且可以为博物馆节约维护资金，解决展出手段单一等问题。
目前，在淮安等地区尚未见公开展示的基于分布式网络和虚拟现实技术的博物馆展示平台，即使在国内也属少见。
基于虚拟现实技术UDK的博物馆仿真系统共分为三个子系统，博物馆场景漫游子系统、文物信息查询子系统和历史场景再现子系统。
本项目的研究成果的实际运用，既可以提高文物的展出率与展出效果、突破时空限制，又有利于提高文物保护技术手段、整合共享文物资源，在博物馆与文物保护中起着重要的作用。
关键词：
UDK虚拟现实技术博物馆仿真文物保护
第一章绪论
1.1前言
虚拟现实技术（VirtualReality,简称VR）作为新兴媒体技术，其应用领域包括地产规划、建筑园林设计、家居艺术设计、体验教育、医学仿真、军事模拟、安防监测、电网模拟、交通规划、文物复古、虚拟旅游、游戏娱乐等，并将逐渐将涉及到各行各业，充分深入公众日常工作生活学习，成为不可或缺的未来数字生活的技术支柱。
虚拟现实、多媒体与网络等信息技术为历史珍贵文物的保护、复原与研究提供了新的手段和方法，目前在国内外已引起充分重视。
早在20世纪90年代初期，英国大英博物馆、美国大都会博物馆等大型博物馆已经实现了虚拟漫游。
近年来，我国在文物数字化相关领域也有较大发展，教育部设立了“大学数字博物馆建设工程”、敦煌研究院与美国西北大学共同开展“数字化敦煌壁画合作研究”、故宫博物院与日本凸版印刷公司开发了虚拟故宫等。
北京在申办2008年奥运会时也提出了“虚拟奥运博物馆”的创意，引起了国际奥委会的极大兴趣和关注，从而为中国获得承办权提供了很大的帮助。
本研究以虚拟现实技术在馆藏展示方面的应用为实践课题，利用虚拟化、数字化技术实现文物的虚拟展示，提高文物的展出率与展出效果，并保护实体文物，突破时空限制,从而进一步扩展博物馆的收藏、典藏、展示和文化传播功能。
1.2论文目标
本论文以淮安市博物馆仿真平台的开发为例，研究利用虚拟现实技术和多媒体技术等相关技术的方法，以及虚拟博物馆仿真平台的开发流程，并对博物馆进行仿真模拟，实现虚拟漫游、馆藏展示、藏品查询等功能的实现，以期对相关技术研究和开发提供一定的实践参考。
本系统通过应用Unreal3引擎发布的UDK工具，通过UV贴图、法线贴图等手段，利用低多边形建模实现了高多边形渲染质量，相对于国内同类虚拟博物馆系统，大大提高了产品质量；在碰撞检测、交互语义、实时动画、实时阴影、大气雾化效果等方面，整合了UDK各种编辑器应用，探索了将世界一流游戏引擎应用于文博教育领域的工作流程，具有较强的应用和推广价值。
1.3课题研究意义
在文物当中存在大量的易损文物，这些文物都容易出现脆化、脱色、剥落等现象，即便人工修复后仍难长期用于研究与展示。
利用细致拟真的虚拟技术，可以预先展现文物修复后的影像，从而检验修复技术、手段的可行性。
另外，利用虚拟技术展示价值珍贵的文物模型，可以使实体文物保存在严密环境中而无需展出，有利于文物寿命的延长。
本项目通过整合虚拟现实技术、Web3D技术、Maya建模技术、分布式技术、数据库技术，开发出三维虚拟博物馆系统，首先应用于淮安市博物馆，逐步推进到淮安各个县区，以及省内外其他地区，整个项目开发流程也可以进一步应用到房地产业、工业、农业等各个领域，具有一定的社会文化和商业价值。
第二章虚拟博物馆仿真系统技术概述
2.1系统涉及的信息技术
虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是二十世纪末出现的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。
虚拟技术分虚拟实境（景）技术（如虚拟游览实体博物馆）与虚拟虚境（景）技术（如复原生成阿房宫、圆明园等已经湮灭了的建筑、构建尚未发掘的秦始皇陵等）两大类。
虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛。
目前成功运用的领域有虚拟现实技术战场环境、虚拟现实作战指挥模拟、飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练、飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计）、虚拟现实建筑物的展示与参观、虚拟现实手术培训、虚拟现实游戏、虚拟现实影视艺术等等，由此可见VR技术有着强烈的市场需求和技术驱动。
虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：
1.动态三维建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。
动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。
2.实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。
为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。
在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
3.应用系统开发工具
虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。
选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。
4.系统集成技术
由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。
集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型等等。
2.2系统技术选用
虚拟博物馆项目主要采用UDK（theUnrealDevelopmentKit）技术进行虚拟场景漫游开发，前期建模主要采用Maya、Photoshop等技术工具实现，后期合成选用AfterEffects、Ajax等视频和网络开发技术。
UDK是Epic宣布对外发布的虚幻3引擎的免费版本。
虚幻3是一款商业3D引擎，为了鼓励游戏开发者使用，免费向用户提供UDK，爱好者可以用来创建非商业目的的独立游戏，也是商业引擎市场的一种营销手段，当你把游戏出售就需要交纳授权费用。
UDK的功能非常的强大，使用了虚幻引擎3（UnrealEngine3）的技术驱动，因其作为虚拟3的免费版，以其强大的功能博得用户的青睐，而且界面和操作工具使用起来也非常容易。
2.3系统技术指标
UDK技术架构的应用结合虚拟现实，多媒体以及文物三维制作技术来拓展博物馆的展示和文化传播功能，多种展示方式的组合适应了不同传播方式的需求。
开展UDK技术的应用研究，解决高清晰图象、视频信息及三维数据的流畅传输和高速交换。
通过UDK技术开发的虚拟博物馆仿真系统完成后，实现以下指标：
1）实体博物馆虚拟漫游平台，要求屏幕可见多边形面数小于7000个，fps>25;
2）通过调整灯光的角度、亮度以及阴影产生的方式，保证场景的真实感；
3）文物数字知识仓库子系统，要求支持千万级数据查询及分页展示；
4）文物古迹在线展示平台，实现三维模型在客户端浏览器的平滑现实；
5）采用符合主流技术的系统架构和开发方法，节约时间和开发成本；
6）通过本系统，为博物馆节约大量文物展出及维护成本，并实现贵重文物的在线虚拟展示，充分发挥博物馆的社会价值。
第三章虚拟博物馆仿真系统的设计
3.1系统总体设计方案
基于虚拟现实技术的淮安博物馆数字化仿真平台共分为三个子系统，淮安博物馆场景漫游子系统、文物信息查询子系统和历史场景再现子系统。
本虚拟现实技术项目体现了跨学科和跨专业的融合，具体内容如下：
1）设计目标
通过本项目的实现，为拓宽在虚拟现实项目开发领域的就业途径，项目开发流程与经验也可成为各个产业的虚拟展示作品等项目开发奠定基础。
2）前期准备
目前，已经研究了虚拟现实的相关理论，并具备了一定的实践基础，对三维建模、Web程序编写和虚拟现实开发等技术进行了演练，并开发了虚拟校园项目，如图3-1所示。
图3-1虚拟校园
此外，在前期准备阶段还将搜集淮安博物馆的图文信息，力求掌握准确充分的项目开发资料，为博物馆的场景、文物数据和历史场景的创建提供资源支持。
3）组织实施、过程管理与实践环节
本项目的实施主要分为实地考察、设计策划、技术实践与开发、项目调试与整合、综合评价和投入运营五个步骤。
项目组利用两周时间进行实地考察、拍摄和资料的搜集，另三周时间进行项目的策划和技术实施方案的讨论与修订，进行五个月的具体技术开发实践。
在实践过程中随时调整项目方案以保证项目顺利高效地开展，两个月时间进行项目调试和功能整合，最后一个月准备项目性能和运营效益评估工作。
4）教师指导
在项目实施过程中，多名动漫多媒体和软件技术专业教师参与指导，帮助项目组同学解决在三维建模、软件开发过程中出现的技术问题，培养学生分析问题与解决问题的能力，并负责项目进度控制以及对外沟通协调等。
5）项目应用，进行评价和效益检验
系统完成后，形成可运行的基于UDK技术的虚拟博物馆仿真平台，具备场景漫游、文物信息查询和历史场景再现等功能。
通过投入实际应用，来综合评价系统性能和技术指标的完成情况，进而对系统使用后产生的社会价值和经济文化效益进行实践的检验。
3.2虚拟博物馆的内容架构
1.文物数字知识仓库
文物数字知识仓库是本虚拟博物馆仿真系统中一个功能尝试，它包含各应用平台所需要的文物高清晰图像、音频、视频、文字资料、三维数据，以及相关研究成果等信息资源有机构成的数字化文物。
文物信息资源的保存采用了扩充关系型数据库，方便各种层次的使用者进行检索，其优点在海量数据查询中得到充分体现。
文物信息资源数字化知识仓库可以根据不同的需求，将其保存信息资源进行灵活组合，可以形成多种应用功能平台，比如传播展示平台，学术研究平台等等。
2.文物展示传播平台
文物展示传播平台作为虚拟博物馆的重要功能之一，打破了实体博物馆在时间和空间、以及保存环境与保护技术的局限，针对不同的受众群体，以文物数字知识仓库为底层支撑，通过网络技术和虚拟现实技术综合开发多种展示和知识传播方式，加强博物馆展示和文化传播功能的深度与广度。
3.3虚拟博物馆的功能与特点
按照该平台的作用空间分为馆内传播平台和馆外传播平台。
1．馆内传播平台
实体博物馆内可以设置大屏幕播放系统，作为博物馆、文物介绍宣传的一个特殊手段。
登录虚拟博物馆系统后，锁定该模块即可从文物数字知识仓库中提取所需信息资源组成高真实度的三维立体数字文物，按照事先设定的顺序或者路径来播放一些因保护措施或者无法移动等原因而不能摆设的文物。
登录上虚拟博物馆系统后锁定与该文物相关触摸屏子模块，即可让参观者与该数字文物进行交互，随意从任何角度多种精度观赏高真实数字文物，并能获取大量平时无法从实体文物中获取的信息。
2．馆外传播平台
参观者可以在任意地点通过互联网登录上虚拟博物馆系统，进入该模块后，即可在众多参观者面前展示出与真实博物馆相差无几的虚拟博物馆。
该模块用三维虚拟功能，将博物馆建筑及馆藏进行一次实景复制，制作出完整的虚拟博物馆。
讲解员或者操作人员可以在该虚拟博物馆中随意漫游，或者事先设定好一定的路径自动漫游。
虚拟博物馆场景中的文物都为与实体博物馆中真实存在的文物相对应的高真实度数字文物，展示该文物更加详尽的信息。
通过该模块所显示效果更为生动逼真。
3．文物学术研究平台
文物学术研究对数字文物的精度提出了更高的要求，并对交流沟通也提出了相应的要求。
处于不同地域参与交流的专家可通过远程终端实时观看数字文物的变化过程，并通过语音或者文字参与讨论，所有观点和看法都会实时保存在服务器上，以备专家学者日后重现评论现场，必要时更可导出数据便于线下参考。
虚拟博物馆仿真系统的设计遵照方便展馆应用原则，区别与其他平台的一个重要特性是能够较为迅速地展示博物馆概况与文物信息，并且具备自适应能力，即使放大也不会出现失真的现象，更不会出现三维模型表面贴图和纹理不清晰的现象。
从而为馆内外研究人员与参观群众提供真实、清晰的三维立体图像，提高博物馆文物的研究与教育价值。
第四章虚拟博物馆仿真系统开发实践
4.1系统分析
通过项目的开发实践，制作出具有三维交互功能的虚拟博物馆仿真系统，具体实现效果如下：
1）淮安博物馆场景漫游子系统
进入该模块后，可在众多参观者面前展示出与真实博物馆相差无几的虚拟博物馆。
该模块用三维虚拟功能，将博物馆建筑及馆藏进行一次实景复制，制作出完整的虚拟博物馆。
讲解员或者操作人员可以在该虚拟博物馆中随意漫游，或者事先设定好一定的路径自动漫游，如图4-1所示。
图4-1虚拟漫游效果
2）淮安博物馆文物信息查询子系统
通过查询系统，可将与实体博物馆中相对应的文物展示在参观者面前，同时显示该文物的详尽信息，如图4-2所示。
图4-2文物信息查询子系统
3）历史场景再现子系统
通过本系统，可以再现淮安不同历史阶段的著名场景，完成南船北马、镇淮楼等景点的场景再现工作，如图4-3，4-4所示。
图4-3再现的阁楼与雕塑
图4-4再现的历史场景
4.2系统开发流程
随着虚拟博物馆技术研究的日益深入和广泛,对虚拟场景的真实感和沉浸感都提出更高的要求。
为解决上述问题，本文提出一种新的虚拟博物馆系统开发解决方案，总结出虚拟博物馆系统的开发流程（如图4-5所示），方便各子系统的统一规划以及项目的后期功能和规模的拓展。
图4-5虚拟博物馆技术开发流程图
本项目采用Unreal3引擎构建虚拟博物馆的流程，通过三维建模、UV贴图、法线贴图、虚拟场景构建、实时布料动画、脚本程序设计等手段，实现整个博物馆的自动游览和交互漫游。
通过虚拟博物馆仿真系统的项目实践，本方案达到照片级别的实时渲染效果，并且给用户带来良好的互动体验，具备产业化应用价值。
4.3虚拟博物馆系统的实现方法
基于虚拟现实技术的淮安博物馆数字化仿真平台主要由淮安博物馆场景漫游子系统、文物信息查询子系统和历史场景再现子系统组成，不同系统采取不同的研究试验方法和技术路线予以实现，最终所有系统将利用淮安市博物馆门户网站整合为一个面向公众开放的虚拟展示平台，现将各模块的具体研究和实验方法作以简要介绍。
4.3.1博物馆场景漫游子系统
博物馆以《国家历史文化名城》大型基本陈列为特色，主要包括主体建筑和周边场景，其中主体建筑由一楼会议室、二楼办公室和三、四楼展厅组成，周边场景则包括树木、停车场、警卫室和户外文物等。
本系统采用AutoCAD、3DSMAX、Maya、ZBrush、Photoshop、BodyPainter等工具构建三维场景，利用UDK实现场景漫游。
具体工作步骤包括三维建模及贴图、UDK虚拟场景制作、实时布料动画、自动漫游制作、交互漫游实现等。
1.三维建模及贴图
（1）博物馆场景创建
本系统主要采用3DSMAX工具进行场景建模工作。
为了让3DSMAX单位与引擎单位比例一致，首先通过3DSMAX的“Customize”-“UnitsSetup”菜单项打开单位设置对话框，将系统显示单位设置为“GenericUnit”，其次在3DSMAX的“SnapsToggle”工具条上单击鼠标右键，在弹出的“GridandSnapSettings”对话框的“HomeGrid”参数下，将“Gridspacing”值设为16，将“MajorLinesEveryNthGridLines”值设为8，如图4-6所示。
图4-63DSMAX单位设置
在UDK中，6英尺的人物高度为96单位，从而可以得出UDK中1单位约等于2厘米，以此作为尺寸依据，参照CAD图纸，最终制作的博物馆外馆场景如图4-7所示，这里采用了3DSMAX的多边形建模技术，整个场景多边形面数为3516个，三角形面数为6953个。
图4-7博物馆外馆场景线框图
（2）具体文物模型及贴图制作
具体的出土文物，如马车、陶器等，在建模时主要采用Maya、Photoshop和ZBrush工具，其中Maya工具用于根据数码照片创建文物模型，Photoshop工具用于制作模型贴图及法线贴图，ZBrush工具用来增加模型的细节效果和映射法线。
模型及贴图制作流程包括制作三维模型、展开模型UV、绘制模型贴图、制作法线贴图等几个步骤。
2.利用UDK制作虚拟场景
本系统利用UDK的场景编辑器及PhysX物理引擎完成场景及特效制作。
（1）场景设计
利用UDK的内容浏览器组件可以导入博物馆数字资源，其基本步骤为：
1）在UDK的菜单上选择“View”-“BrowserWindows”-“ContentBrowser”，打开内容浏览器；
2）点击内容浏览器的Import按钮，导入利用3DSMAX、Maya、Photoshop等制作的静态模型及贴图信息；
3）利用材质编辑器，将UV贴图及法线贴图组合为模型材质，如图4-8所示；
4）在静态模型编辑器中，通过设置“LodInfo”属性的“Elements”项，将材质赋予模型信息；
5）通过场景编辑器，依照文物在博物馆中的实际摆放位置设计虚拟场景；
6）添加平行光、太阳光、镜头光晕、大气等效果，完成场景设计。
图4-8材质编辑器
（2）特效制作--实时布料动画
为了加强场景漫游的真实感，本系统利用Maya骨骼动画和UDK的布料系统制作了实时飘动的红旗效果，具体方法为：
1）利用Maya制作红旗骨骼及基本动画；
2）利用UDK提供的ActorX插件将红旗骨骼导入到UDK的动画编辑工具，并设置“ClothBones”、“EnableClothTearing”等属性，如图4-9所示；
图4-9骨骼动画编辑器
3）利用Photoshop制作带Alpha通道的红旗贴图，并利用UDK的材质编辑器制作红旗材质；
4）将材质与Maya中的骨骼动画相关联；
5）在相关场景中添加带有骨骼动画的模型，并设置Cloth面板中的“ClothAwakeOnStartup”、“ClothWind”、“EnableClothSimulation”等属性，布料模拟效果如图4-10所示。
图4-10实时布料动画效果
3.自动漫游功能实现
自动漫游通过UDK的Matinee编辑器实现，具体实现过程为：
1）向场景中添加摄像机；
2）打开UDK的脚本代码工具Kimset，并添加Matinee编辑器；
3）双击Matinee编辑器，在编辑界面中添加Camera控制组，并通过关键帧记录摄像机的位置变换，利用线性插值运算实现平滑动画；
4）通过添加音轨为漫游过程添加解说词，如图4-11所示；
5）通过添加摄像机控制类，实现摄像机的运行；
6）通过AmbientSoundSimple类，为场景添加背景音乐。
图4-11自动漫游路径编辑
4．交互漫游功能实现
交互漫游中需要解决的问题有碰撞检测、事件触发、用户UI、界面HUD的显示等。
（1）碰撞检测
如果场景结构复杂，物体较多，可以通过UDK构建静态物体包围盒来简化物体之间的碰撞检测。
具体方法为，在UDK的静态物体编辑器的菜单中，通过“Collision”菜单设置不同级别的碰撞检测，如图4-12所示。
对于复杂场景，在利用3DSMAX等建模工具导出为UDK支持格式时，应拆分为不同物体导出，而后在场景编辑器中重新组合。
图4-12UDK支持多个级别的碰撞检测
（2）事件触发
UDK中的事件触发组件包括自动触发、交互触发等多种类型，可根据不同情况设置不同的触发类型，从而带给用户良好的交互体验。
例如，在场景的入口和出口处应用自动触发器，可以实现多个虚拟场景的切换；对需要解说的文物应用自动触发器，到用户走近文物时，可以自动触发对文物的解说，类似现实场景的红外感应；对需要用户进一部了解的文物应用交互触发器，可以利用UI界面显示文物等级、出土时间、文物描述等信息。
在UDK中，事件触发范围为圆柱体区域，可以通过设置圆柱体的高度和半径来修改事件触发范围，如图4-13所示。
图4-13事件触发及其包围盒
（3）用户操作菜单
可以利用UDK的UI编辑器实现系统菜单功能，通过Photoshop设计好带有Alpha通道的图形用户界面，并将之以贴图格式导入UDK，而后在UI编辑器中，可以利用这些贴图作为界面和按钮背景，另外，对于UI中Image、Label、Button等控件，可以编写Kimset脚本实现用户交互，UI设计器如图4-14所示。
图4-14UI编辑器
（4）界面HUD
HUD是平视显示器（HeadUpDisplay）的简称，是目前普遍运用在航空器上的飞行辅助仪器。
平视的意思是指飞行员不需要低头就能够看到他需要的重要资讯。
这是一个从军事领域起源的技术，可以把一些重要的战术信息显示在正常观察方向的视野范围内，而同时又不会影响对于环境的注意，也不用总是转移视线去专门观察仪表板上的指针和数据。
在虚拟博物馆系统中借鉴了这个概念，把制作单位等信息以类似HUD的方式显示在交互漫游画面上。
当然要获得这些信息可以有别的方式，例如4.3中的菜单，菜单有着专门的界面，可以容纳更大的信息量，但却不能和漫游画面同时出现。
调出菜单意味着中断漫游流程，HUD则在提供必要信息的同时完全避免了这个问题。
使用HUD需要利用Unreal3引擎提供的支持面向对象编程技术的UnrealScript语言，类似C语言风格。
通过建立VRMuseumInfo、VRPawn、VRPlayerController、VRHud等类，可以实现界面HUD的绘制，其中的核心代码为：
classVRHUDextendsUTHUD;
varconstTexture2DLogoHudTexture;
functionDrawGameHud（）
{
DrawLogo（）;
//绘制其他，此处代码省略...
}
functionDrawLogo（）
{
localvector2dPos;
Pos.X=Canvas.ClipX-LogoHudTexture.sizeX;
Pos.Y=Canvas.ClipY-LogoHudTexture.sizeY;
Canvas.SetPos（Pos.X,Pos.Y）;
Canvas.SetDrawColor（255,255,255,80）;
Canvas.DrawTile（LogoHudTexture,512,512,0,0,512,512）;
}
defaultproperties
{
LogoHudTexture=
Texture2D'UIMuseumInterface.VRMuseumLogo'
}
在添加镜头光晕、大气雾化效果等后，最终实现的博物馆交互漫游系统如图4-15、图4-16所示。
图4-15博物馆外馆场景
图4-16博物馆内部展厅
4.3.2文物信息查询子系统
文物信息查询子系统主要通过SQLServer建立数据库表来保存对应的文物信息，利用ASP.NET和Web3D技术实现信息的查询与显示，具体过程如下
1.创建名为HaMuseum的SQLServer数据库表，与文物信息管理相关的表结构如表4.1，表4.2所示。
表4.1文物类别表（wwclass）
序号
列名
数据类型
长度
小数位
标识
主键
允许空
说明
1
ID
int
4
0
是
是
否
类别编号
2
Name
varchar
50
0
是
类别名称
3
ShowNo
int
4
0
是
显示顺序
4
State
bit
2
升级会员 