本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法。

背景技術(shù)：

中國是一個歷史悠久，文化燦爛的國家，有著眾多的世界文化遺產(chǎn)，閃爍著中國人民智慧和勤勞的光芒。而文物作為重要的歷史文化遺產(chǎn)，不僅是歷史的見證，更是有著重要的正史作用，借鑒作用以及教育作用。但由于管理不善，觀念落后等原因，我國文物面臨嚴(yán)峻的形勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面的問題：1.展出數(shù)量少，2.文物保護(hù)手段落后，3.遷址保護(hù)損害文物價值，4.陳列手段落后，5.文物展示受眾面小，場地約束大；如何有效的保護(hù)和展示文物成為我們當(dāng)下急需解決的問題。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)作為一種綜合計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的計算機領(lǐng)域的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級的人機交互技術(shù)。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合，為人們帶來了感官的無限延伸，營造了一種全新的沉浸式體驗，目前所涉及的研究應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)包括軍事、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂、制造業(yè)、工程訓(xùn)練等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)擁有顯著的三個特征，即沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和構(gòu)想性(Imagination)，圍繞這三個特征的實際應(yīng)用領(lǐng)域種類繁多，假若能夠?qū)崿F(xiàn)一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法，不僅可以有效的保護(hù)以及展示文物，并且可以通過虛擬現(xiàn)實獨有的3I特性，與文物進(jìn)行“真實”的交互體驗，更為有效的傳遞文物的教育意義。

近年來，裸眼3D顯示技術(shù)發(fā)展十分迅速，裸眼3D顯示技術(shù)是無需佩戴任何輔助設(shè)備(如3D眼鏡、頭盔等)的情況下，通過光柵透鏡等先進(jìn)光學(xué)技術(shù)與特殊算法定制的視頻片源即可讓觀眾獲得前所未有的“高真實度”視覺體驗，是一種新型的圖像顯示技術(shù)。裸眼3D顯示技術(shù)可以帶給用戶身臨其境的3D體驗感，讓用戶“過目不忘”。假若能夠?qū)崿F(xiàn)一種基于裸眼3D的文物3D展示方法，不僅可以有效的保護(hù)以及展示文物，并且可以通過與文物的互動，更為有效的傳遞文物的教育意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法，有效解決文物保護(hù)以及文物展示困難的技術(shù)問題。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法，其方法步驟如下：

A、采集待展示文物的模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)；所述模型數(shù)據(jù)包含待展示文物的尺寸信息、形狀信息以及材質(zhì)信息，所述彩色紋理數(shù)據(jù)包含待展示文物的外表紋理信息以及顏色信息；

B、通過相關(guān)模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型；所述創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型的具體方法如下：

B1、采集到的模型數(shù)據(jù)構(gòu)建待展示文物的三角網(wǎng)格模型；

B2、采集到的彩色紋理數(shù)據(jù)映射到待展示文物的三角網(wǎng)格模型上，創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型；

C、將待展示文物的彩色三維模型導(dǎo)入3D引擎軟件系統(tǒng)中；

D、結(jié)合待展示文物的彩色三維模型在3D引擎軟件系統(tǒng)中建立新的展示場景；

E、在3D引擎軟件系統(tǒng)中設(shè)計便于待展示文物的彩色三維模型在展示場景中展示的交互動作模塊；

F、在3D引擎軟件系統(tǒng)的展示場景中添加虛擬現(xiàn)實模塊；

G、所述3D引擎軟件系統(tǒng)中集合彩色三維模型、展示場景、虛擬現(xiàn)實以及交互動作的展示數(shù)據(jù)結(jié)果，將最終展示數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)教摂M現(xiàn)實顯示器中，所述虛擬現(xiàn)實顯示器用于對文物展示場景進(jìn)行虛擬展示，虛擬現(xiàn)實顯示器支持展示的交互操作。

為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述步驟F中的虛擬現(xiàn)實模塊為虛擬相機，所述步驟F的具體方法如下：在3D引擎軟件系統(tǒng)的展示場景中創(chuàng)建若干臺虛擬相機，并按照結(jié)構(gòu)要求擺放虛擬相機，同時在每個虛擬相機上增加渲染貼圖。

更進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述步驟G中還包括如下方法：對每臺虛擬相機在渲染貼圖環(huán)境下進(jìn)行虛擬攝像采樣處理，并得到待展示文物虛擬現(xiàn)實的合成圖像，該合成圖像集合有彩色三維模型、展示場景、虛擬現(xiàn)實、交互動作以及渲染貼圖環(huán)境，在所述3D引擎軟件系統(tǒng)中創(chuàng)建裸眼3D顯示模塊，將合成圖像輸出到裸眼顯示面板上，通過裸眼顯示面板得到待展示文物的裸眼3D顯示效果。

作為優(yōu)選，所述步驟G在3D引擎軟件系統(tǒng)的展示場景中創(chuàng)建八臺虛擬相機，并按照平行聚焦式的方式擺放。

作為優(yōu)選，所述步驟F的虛擬現(xiàn)實模塊包括3D特效模塊，所述3D特效模塊包括3D模型模塊和3D動畫模塊。

作為優(yōu)選，所述步驟G的虛擬現(xiàn)實顯示器為虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器。

本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果：

本發(fā)明不僅可以有效的保護(hù)和展示文物，并且可以通過虛擬現(xiàn)實獨有的3I特性，與文物進(jìn)行“真實”的交互體驗，更為有效的傳遞文物的教育意義。

附圖說明

圖1為實施例一的原理結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為實施例二的原理結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明：

實施例一

如圖1所示，一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法，其方法步驟如下：

步驟一、采集待展示文物的模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)，其中模型數(shù)據(jù)包含文物的尺寸信息、形狀信息以及材質(zhì)信息，而紋理數(shù)據(jù)包含文物的外表紋理信息以及顏色信息。根據(jù)采集到的三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型。從而能夠使用戶通過待展示文物的彩色三維模型，全方位地了解文物的真實外觀，實現(xiàn)文物的虛擬漫游及數(shù)字展示，為博物館建設(shè)數(shù)字展示平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

步驟二、通過相關(guān)模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型。根據(jù)尺寸信息，形狀信息以及材質(zhì)信息創(chuàng)建文物的三維模型，如此設(shè)計的好處在于，不僅能夠讓用戶更加清楚地了解文物，而且還能在避免損傷文物的前提下，真實地還原出文物的形狀和尺寸等，并保證采集的數(shù)據(jù)的完整性。根據(jù)彩色紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行光照和色彩還原，如此設(shè)計的好處在于能夠使待展示文物的彩色三維模型的顏色更加符合待展示文物的真實色彩。

步驟三、將文物的彩色三維模型導(dǎo)入3D引擎軟件系統(tǒng)(即圖中的開發(fā)引擎)。這里我們的模型文件格式設(shè)置為Fbx格式，在3D引擎軟件系統(tǒng)對Fbx格式的模型文件有著更好的兼容性，在3D引擎軟件系統(tǒng)的Project視圖下創(chuàng)建名為Model的文件夾，并將文物三維模型文件導(dǎo)入到3D引擎軟件系統(tǒng)的Model文件夾之下，如此做的好處在于更加方便的管理以及調(diào)用文物三維模型文件。

步驟四、結(jié)合文物的彩色三維模型在3D引擎軟件系統(tǒng)中建立新的展示場景。在3D引擎軟件系統(tǒng)中將模型文件拖放到Hierarchy視圖下，并同時在Hierarchy視圖下創(chuàng)建所需要展示的場景，之后在Sence視圖下對模型文件以及展示場景進(jìn)行調(diào)整以及修改，最后在Game視圖下得到良好的3D展示效果。如此做的好處在于建立虛擬場景，能夠讓用戶更加真實，清楚的了解文物。

步驟五、在新建的展示場景中添加一組交互組件模塊以實現(xiàn)展示場景的交互功能。交互組件模塊中包括三種交互式功能模塊：標(biāo)簽交互模塊，觸控交互模塊和特效交互模塊。

上述標(biāo)簽交互模塊是通過添加3D Text以及Sprite組件可以在展示場景中添加文字圖片信息。在標(biāo)簽交互模塊中可以在指定的時間軸上顯示或隱藏圖文信息，也可以設(shè)置視角觸發(fā)機制，讓觀眾在轉(zhuǎn)動虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器時觸發(fā)標(biāo)簽交互模塊。本實施例中，在展示場景著色器中Shader可以設(shè)置以及添加需要展示的圖文信息，直接將圖文信息加載在展示場景中，并且給圖文信息添加狀態(tài)標(biāo)簽，當(dāng)需要顯示圖文信息時將狀態(tài)標(biāo)簽置為true平常為false。標(biāo)簽交互模塊還可以在指定的的時間軸中設(shè)定圖文信息在指定的時間內(nèi)顯示或隱藏，也可以配合虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設(shè)置視角觸發(fā)機制來控制圖文信息的狀態(tài)標(biāo)簽。優(yōu)選的本發(fā)明中，可以在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的屏幕中心點進(jìn)行射線檢測，通過從虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的屏幕中心點向展示場景中發(fā)射透明射線來觸動圖文信息的狀態(tài)標(biāo)簽，這樣可以讓觀眾在觀看到指定內(nèi)容時觸發(fā)圖文信息來對展示場景進(jìn)行交互。

上述觸控交互模塊是可以在展示場景中添加3D圖形界面，在3D圖像界面上預(yù)置3D控件，通過設(shè)置3D控件的z軸數(shù)值調(diào)整3D控件在全景三維空間中的虛擬位置以匹配全景空間交互的真實感，并在3D圖形界面上添加交互對話或場景序號用以對文物三維模型進(jìn)行交互。然后在3D控件上加上虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的交互模塊，將虛擬現(xiàn)實設(shè)備的動作投射在3D控件的觸控響應(yīng)中，觀眾可以通過虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的外設(shè)響應(yīng)3D控件從而實現(xiàn)對展示場景的交互。

上述特效交互模塊是可以在展示場景中添加3D特效，3D特效包括3D模型和3D動畫等。特效交互模塊可以在展示場景的著色器中編輯光影粒子特效，觀眾在對展示場景交互過程中可以響應(yīng)3D特效。使用特效交互模塊還可以在展示場景中添加模型動畫，在交互過程中，觀眾可以在虛擬空間中和文物模型進(jìn)行全方位交互，模型以預(yù)置模型動畫的方式來響應(yīng)觀眾的交互。本實施例中，特效交互模塊可以使用動畫模型等，在觀眾觀看展示場景時，可以設(shè)定手勢動畫等來和觀眾進(jìn)行互動。通過預(yù)置的模型動畫來指導(dǎo)或者講述文物模型沒有表達(dá)的內(nèi)容。在特效交互模塊中，3D特效直接渲染在展示場景的著色器Shader中，并不影響觀眾和文物模型的交互并且可以通過添加響應(yīng)事件來豐富觀眾的交互體驗。

步驟六、在展示場景中心添加虛擬現(xiàn)實模塊的具體方式為：在場景中為了模擬人雙眼效果，在3D引擎軟件系統(tǒng)里采用兩個虛擬照相機來實現(xiàn)，分別設(shè)置左右兩個照相機的Viewport Rect參數(shù)，左邊照相機的Viewport Rect參數(shù)改成(0，0，0.5，1)，右邊照相機的Viewport Rect參數(shù)改成(0.5，0，0.5，1)，此時將會在屏幕產(chǎn)生兩個相同的場景，左右兩個場景各占屏幕的一半，在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器中便能得到正確的3D立體效果顯示。

步驟七、將最終輸出的結(jié)果傳輸?shù)教摂M現(xiàn)實頭戴顯示器，用戶就可以在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器上對文物展示場景進(jìn)行交互操作。在3D引擎軟件系統(tǒng)中編譯場景文件，點擊3D引擎軟件系統(tǒng)File菜單下的Build Settings，并將以上展示場景放入Scenes In Build選項欄，并選擇Platform為Android，之后點擊Build發(fā)布出Apk文件并將Apk文件輸出到虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器中，在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器中運行程序，用戶便可以在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器上對文物展示場景進(jìn)行交互操作，即實現(xiàn)一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法。

實施例二

如圖2所示，一種基于虛擬現(xiàn)實的文物3D展示方法，其方法步驟如下：

步驟一、采集待展示文物的模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)，其中模型數(shù)據(jù)包含文物的尺寸信息，形狀信息以及材質(zhì)信息，而紋理數(shù)據(jù)包含文物的外表紋理信息以及顏色信息。根據(jù)采集到的三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型。從而能夠使用戶通過待展示文物的彩色三維模型，全方位地了解文物的真實外觀，實現(xiàn)文物的虛擬漫游及數(shù)字展示，為博物館建設(shè)數(shù)字展示平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

步驟二、通過相關(guān)模型數(shù)據(jù)以及彩色紋理數(shù)據(jù)創(chuàng)建待展示文物的彩色三維模型。根據(jù)尺寸信息，形狀信息以及材質(zhì)信息創(chuàng)建文物的三維模型，如此設(shè)計的好處在于，不僅能夠讓用戶更加清楚地了解文物，而且還能在避免損傷文物的前提下，真實地還原出文物的形狀和尺寸等，并保證采集的數(shù)據(jù)的完整性。根據(jù)彩色紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行光照和色彩還原，如此設(shè)計的好處在于能夠使待展示文物的彩色三維模型的顏色更加符合待展示文物的真實色彩。

步驟三、將文物的彩色三維模型導(dǎo)入3D引擎軟件系統(tǒng)(即圖中的開發(fā)引擎)。這里我們的模型文件格式設(shè)置為Fbx格式，在3D引擎軟件系統(tǒng)對Fbx格式的模型文件有著更好的兼容性，在3D引擎軟件系統(tǒng)的Project視圖下創(chuàng)建名為Model的文件夾，并將文物三維模型文件導(dǎo)入到Model文件夾之下，如此做的好處在于更加方便的管理以及調(diào)用文物三維模型文件。

步驟四、結(jié)合文物的彩色三維模型在3D引擎軟件系統(tǒng)中建立新的展示場景。在3D引擎軟件系統(tǒng)中將模型文件拖放到Hierarchy視圖下，并同時在Hierarchy視圖下創(chuàng)建所需要展示的場景，之后在Sence視圖下對模型文件以及展示場景進(jìn)行調(diào)整以及修改，最后在Game視圖下得到良好的3D展示效果。如此做的好處在于建立虛擬場景，能夠讓用戶更加真實，清楚的了解文物。

步驟五、編寫程序?qū)崿F(xiàn)文物三維模型展示場景的交互動作。將待展示的彩色三維模型的Fbx文件導(dǎo)入3D引擎軟件系統(tǒng)，把C#/JavaScript代碼腳本加在模型上。使用GUI控件，通過設(shè)置鼠標(biāo)或鍵盤的操作路徑對三維模型的展示動作進(jìn)行設(shè)置。例如由點擊鼠標(biāo)左鍵觸發(fā)“平移”，點擊右鍵觸發(fā)“旋轉(zhuǎn)”，點擊中鍵觸發(fā)“縮放模型”。此時點擊鼠標(biāo)左鍵可360°自由旋轉(zhuǎn)模型。展示界面可以設(shè)有“播放/暫?！?、“上”、“下”、“左”、“右”、“復(fù)位”、“俯視”、“仰視”、“前視”、“后視”、“左視”和“右視”等按鈕。將展示界面上的每個命令、鼠標(biāo)或者鍵盤的操作過程對應(yīng)設(shè)置三維模型的展示動作。本步驟為用戶提供了基本的可交互操作，讓用戶自由瀏覽文物現(xiàn)狀，與現(xiàn)場觀看真實文物無任何差異。

步驟六、展示場景中創(chuàng)建多臺虛擬相機，并按照一定的結(jié)構(gòu)要求擺放，同時在每個相機上加渲染貼圖。在3D引擎軟件系統(tǒng)的Scene窗口創(chuàng)建八臺虛擬相機，并將所有虛擬相機的坐標(biāo)Position設(shè)置為(0，0，0)，旋轉(zhuǎn)角度Rotation設(shè)置為(0，0，0)，尺寸大小Scale設(shè)置為(1，1，1)，然后調(diào)整每臺相機之間的距離間隔為0.015，同時在Layer屬性中添加新層PlaySence，修改八臺攝像機的剔除遮罩Culling Mask屬性為PlaySence，在八臺虛擬相機的正前方創(chuàng)建零平面ZeroPlane，并設(shè)置其坐標(biāo)Position設(shè)置為(0，0，15)，旋轉(zhuǎn)角度Rotation設(shè)置為(270，0，0)，尺寸大小Scale設(shè)置為(1，1，1)，修改其屬性將其隱藏，編寫相關(guān)腳本實現(xiàn)八臺攝像機聚焦于零平面的中心點，然后在Project中創(chuàng)建8張渲染貼圖RenderTexture，將渲染貼圖的Size修改為1920*1080，在每臺虛擬相機的Target Texture屬性中賦予不同的渲染貼圖，使得每臺攝像機對應(yīng)一張渲染貼圖。

步驟七、計算視點子像素映射矩陣，編寫相應(yīng)shader，對每臺相機的渲染貼圖進(jìn)行采樣處理，并得到合成圖像。具體的計算方式如下：首先，確定2D顯示屏上給定的RGB子像素應(yīng)該取自哪個視點的RGB分量，下式給出了多視點子像素映射矩陣的計算公式：

其中，X為一個光柵周期在水平方向上覆蓋RGB子像素的個數(shù)，(k，1)為RGB子像素的坐標(biāo)位置，α為光柵軸相對于LCD顯示屏垂直軸的傾斜夾角，k_off表示2D顯示屏左上邊緣與光柵單元邊緣點的水平位移量，N_tot表示總視點個數(shù)，也就是參與合成的視差圖像數(shù)量，根據(jù)上式可計算出2D顯示屏上的每個子像素的灰度值應(yīng)該取自于哪幅視差圖像的相應(yīng)坐標(biāo)位置的灰度值，然后將視點映射矩陣編寫到Shader中，利用Shader對相機渲染的多張渲染貼圖進(jìn)行子像素的采樣處理，并將經(jīng)過采樣處理的多張視差圖像相互疊加，得到最終的合成圖像；

步驟八、創(chuàng)建3D引擎軟件系統(tǒng)的裸眼3D顯示模塊，將合成圖像輸出到裸眼顯示面板，得到正確的裸眼3D顯示效果。顯示部分的實現(xiàn)方式如下：創(chuàng)建新的單個虛擬相機及顯示面板，調(diào)整虛擬相機的坐標(biāo)Position設(shè)置為(-5，0，150)，旋轉(zhuǎn)角度Rotation設(shè)置為(0，90，0)，尺寸大小Scale設(shè)置為(1，1，1)，在Layer屬性中添加新層ShowSence，修改八臺攝像機的剔除遮罩Culling Mask屬性為ShowSence，同時修改起攝像方式為正交式，攝像角度調(diào)整為27，修改起深度Depth為1(新建相機默認(rèn)為0)。然后調(diào)整顯示面板的坐標(biāo)Position設(shè)置為(0，0，100)，旋轉(zhuǎn)角度Rotation設(shè)置為(90，-90，0)，尺寸大小Scale設(shè)置為(9.6，1，5.4)(匹配1080P分辨率的顯示終端)，將其Layer屬性修改為ShowSence，同時在顯示面板創(chuàng)建材質(zhì)球Material，通過材質(zhì)球的Custom選項調(diào)用shader獲取合成圖像，將合成圖像呈現(xiàn)在顯示面板。最后，在程序中對待展示文物的三維模型進(jìn)行交互操作，最終得到正確的裸眼3D文物交互效果展示，實現(xiàn)基于裸眼3D的文物3D展示方法。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。