1、分类号密级UDC单位代码基于Untiy3D的交互式数字博物馆的设计与实现指导教师职称学位授予单位申请学位类别学科（专业）论文完成日期答辩日期答辩委员会主席TheDesignandImplementationofInteractiveDigitalMuseumBasedonUnity3D英文摘要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
2、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、
3、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
4、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,kindsofnewtechnologiesareusedinthemuseumfield,suchasthetechnologiesoftheInternet,virtualreality,3dmodelingandmobileinterconnection.Thereareemerginga
5、numberofdigitalmuseumswhicharecharacterizedbydigitizing,networking,virtualization.Itspurposeistodigitizephysicalresourcesandenhancethemuseumandexhibitsperformancecapabilities.Incurrent,manifestationsofdigitalmuseumisthemodelsimulationorroaming,butthosewayslack
7、sedonUnity3d.Thepresentationwayoffigures-centeredwillbechangedfrompeople-centered.Soitwillimprovetheinteractionbetweenpeopleandcollectionsandenhancethefunnyoflearning.Thisthesisfirstlyhasdefinedtheconnotationoftheinteractivedigitalmuseumandanalizedtheadvant
8、agesanddisadvantagesofexistingdomesticandforeigndigitalmuseum,thenproposedthenecessityofbuildingstronginteractivedigitalmuseum.ByintegratingWeb3dtechnology,databasetechnology,modelingtechniques,html5technology,andUnity3Dengineisusedtodesignandimplementtheinter
9、activedigitalmuseum.Theinteractivedigitalmuseumisdividedintotwoparts:byusingUnity3Dtodisplaythedigitalcollectionsandthemanagementofdigitalassets.Effectivemanagementofdigitalresourceswillprovidethenecessarysupportforthedigitalcollectionsdisplaying.Setinacity
11、ollectionsmenu,exhibitpreservation,usingareastatistics.Whatsmore,itwascompletedthedigitalmuseumdisplayandinteractivefunction,managementthedigitalcollections,thefunctionoftheareausagemappingfromvirtualtophysicalexhibit.Theinteractivedigitalmuseumdesignedinthisth
12、esischangesthetraditionalsingle"give"displaymode.Comparedwiththetraditionalmuseum,interactivedigitalmuseumhasmoreinterestinganddisseminating,whileitalsoprovidesconvenientmanagementforthemuseummanager.KeyWords：Interactive；Unity3D；DigitalMuseum目录目录第1章绪论11.1
13、课题研究背景11.2课题研究意义21.3国内外研究现状和发展趋势31.3.1国内外研究现状31.3.2发展趋势51.4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第2章关键技术及框架研究82.1基本概念82.1.1虚拟现实技术82.1.2Web3D技术102.1.3数字博物馆102.1.4交互式设计122.2数字博物馆实现技术综述142.3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192.4交互式数字博物馆实现的关键技术202.4.1Untiy3D引擎202.4.23dsMax
14、建模222.4.3MySQL数据库222.4.4jQueryFileUpload插件242.5本章小结25第3章基于Unity3d交互式数字博物馆的设计263.1交互式数字博物馆的需求分析263.2交互式数字博物馆实现目标及特点273.2.1实现目标273.2.2交互式数字博物馆的特点283.3交互式数字博物馆总体架构设计303.4Unity3D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343.5数据库设计363.6本章小结40第4章交互式数字博物馆展馆功能实现414.1系统开发环境及实现流程41
15、4.2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624.3后台三维模型管理功能实现644.4本章小结65第5章总结与展望675.1总结675.2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
20、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
22、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
28、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
29、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
30、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
33、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，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
36、ctivity）、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
37、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
38、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。2.1.2Web3D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
49、给人强烈的体验感。2.2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。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
50、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）ViewpointViewpoint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
51、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33。最后就是在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）、Cult
52、3DDesigner（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）。Cult3D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、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
53、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、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（
54、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
56、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。2.3系统架构设计2.3.1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