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1、第一章 绪 论 编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目基于UDK技术的虚拟博物馆仿真系统设计与实现学生姓名王涛学 号32081031院 系计算机科学与工程系专 业动漫与多媒体设计班 级320810指导教师刘英杰顾问教师二一一年六月13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
2、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 文物保护目 录第一章 绪 论11.1 前言11.2 论文目标11.3 课题研究意义1第二章 虚拟博物馆仿真系统技术概述32.1 系统涉及的信息技术32.2 系统技术选用32.3 系统技术指标4第三章 虚拟博物馆仿真系统的设计53.1 系统总体设计方案53.2 虚拟博物馆的内容架构63.3 虚拟博物馆的功能与特点6第四章 虚拟博物馆仿真系统开
3、发实践84.1 系统分析84.2 系统开发流程94.3 虚拟博物馆系统的实现方法10第五章 系统实现效果与运营效益235.1 系统实现效果235.2 系统运营效益25第六章 总结与展望266.1总结266.2 展望26致 谢27参考文献28第一章 绪 论1.1 前言虚拟现实技术(Virtual Reality ,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
4、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
5、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
6、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
7、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。第三章 虚拟博物馆仿真系统的设计第二章 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（Virtual Reality，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
8、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，
9、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（the Unreal Development Kit)技术进行虚拟场景漫游开
10、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(Unreal Engine 3)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
11、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，fps25;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
12、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
13、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
14、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
15、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
