數字科技館中混合現實技術的應用

尹火嬌

（廣東科學中心，廣東　廣州　510006）

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數字科技館中混合現實技術的應用

尹火嬌

（廣東科學中心，廣東廣州510006）

摘要：我國不斷加快數字化科技館的建設，以此保證我國科普教育工作的穩定發展。在數字科技館的建設過程中，混合現實技術的應用將會進一步促進我國數字科技館的發展?？墒菑哪壳拔覈鴶底挚萍拣^的發展形勢來看，混合現實技術的普及程度偏低?；诖耍恼峦ㄟ^對現實混合技術的涵義、特點及系統構成進行闡述，結合混合現實技術在數字科技館中的實際應用情況進行了分析，提出了幾點完善建議。

關鍵詞：數字科技館；混合現實技術；應用

近幾年，在我國提倡的科教興國戰略方針中，以提升民眾的科學文化素養為根本，將科普知識推廣到千家萬戶。在科學技術不斷發展的新局勢下，新知識的發現層出不窮，如今僅依靠簡單的科普推廣手段很難對民眾實現新知識的普及。因此科普推廣工作需要進行改革，科普推廣形式需要進行創新?；诖?，混合現實技術的提出很大程度的滿足民眾對新知識的認識。在科普知識的推廣過程中，合理使用混合現實技術不但能讓廣大民眾切身感受到新知識，而且還能提升民眾的認知能力。因此這也和“既方便學習新知識，又能切身體驗”的數字科技館建設理念相吻合。

1　混合現實技術概述

1.1混合現實技術的涵義

所謂的混合現實技術是根據虛擬現實和增強現實演變而來的，它們技術特征之間存在著一定的聯系。美國多倫多大學工程學院的Paul Milgram教授對混合現實技術（Mixed Reality，簡稱MR）是這樣解釋的：混合現實技術就是將我們的真實環境和虛擬環境共同呈現在一個畫面中。除此之外，他還對“真實--虛擬連續集”（reality-virtuality continuum）進行了定義，把真實環境和虛擬環境看做兩個極點，然后再和軸線中間的增強現實（也叫作擴展現實）與增強虛擬組成一個體系，這個體系就叫做混合現實體系。但是混合現實能夠滿足虛擬連續極值中的每一部分。換種角度來看，混合現實技術可以推動現實環境和媒體之間的發展。有些人一直認為混合現實和增強現實是一個意思，然而并非如此，對于增強現實來講只是注重虛擬技術服務的真實性。相對來說，在混合現實中的現實環境與虛擬環境擁有相同的地位，不論是把現實環境引入到虛擬環境中，還是將虛擬環境引入到真實環境中，這些操作都是正確的。除此之外，混合現實所采用的系統還能有效解決虛擬物體和現實物體之間的矛盾關系。

1.2混合現實技術的特點

（1）真實性：在傳統的虛擬現實展示技術中，混合現實技術的特點就是具有一定的仿真性、真實感及身臨其境的現場感。對于虛擬現實而言，它只能依靠電腦來營造出一個虛擬環境，但是混合現實技術可以有效的將虛擬環境和真實環境融合在一起，從而致使民眾切身感受到不一樣的環境，從中也能讓民眾獲得不一樣的感官刺激。

（2）構想性：構想性在混合現實技術中“不但能夠營造出一個逼真的環境，而且還能根據人們的想象力建立起一個不現實或者絕不會發生的虛擬環境”。這種技術的使用范圍極其寬廣，在科學技術不斷發展的今天，隨著多媒體技術的不斷創新，計算機技術的不斷發展，現實混合技術也隨之演變出多種技術手段。把目前僅有增強現實、虛擬現實等技術取長補短相互融合在一起，就可以創新出新的混合現實技術手段。先進的科學技術也給混合現實技術的創新奠定了一定的基礎。

（3）實時互動性：混合現實技術把以往的虛擬現實展示手段和過去的實物展示技術融合在一起，就好比在計算機虛擬環境和現實環境之間建立起了一條紐帶，從而使得廣大消費者行走于虛擬與現實環境中間。這樣以來可以優化以往的靜態展示的信息傳遞的單一性，使得人們的信息交流更加的靈活自由。

2　混合現實系統的基本構成

混合現實技術是從虛擬現實的層面上演變而來的，其各種硬件部分和虛擬現實技術中的硬件如出一轍，它們之間存在一定的共性。混合現實體系是利用計算機構建起各種虛擬的東西、文字及圖片等信息，隨后再將這些信息引用到消費者能看到的現實物體之上。這樣以來就能為消費者提供諸多與現實環境相關的信息資料，從而提升了消費者對現實環境的認知度，這個過程的關鍵點在于顯示與相關的注冊流程。所以說，頭戴顯示儀（vr）及方位追蹤設備都是這種混合現實系統不可或缺的硬件設備。

每個混合現實系統的硬件設施分別是虛擬場景生成器、頭戴顯示儀、作用于消費者觀察視線的頭部調整設備、虛擬環境和真實環境所具有的定位裝置及交互裝置。虛擬環境的生成設備主要任務是虛擬環境的建模、管理、構建及其余硬件設施管理；頭部姿態調整設備主要是跟蹤用戶的視線，從而保證消費者的視線觀察坐標和虛擬環境坐標相互對應；交互設施主要是消費者的感官度及環境改變進行調控的指令輸出輸入端，上面所講的幾個功能和虛擬現實系統中的對應部分一致。

混合實現系統里的顯示裝置一般使用頭戴顯示儀（HMD）。一般頭戴顯示儀（HMD）分為兩種類別，其中一種是透光式HMD（Optical see-through），另一種是影像式HMD （Video see-through）。一般情況下用戶在使用透光式HMD時，只能看到現實環境，電腦只是把將要呈現的場景在整個顯示儀上表現出來。而對于影像式的HMD來講，用戶使用它不能看到現實中的環境，HMD中的攝像頭將現實中的環境采集之后，再與電腦中的虛擬影像相互結合之后呈現給用戶。它與普通的虛擬現實系統屬于同一類別，其系統的圖像處理設備在整個AR系統中發揮著重要的作用。其圖像處理設備不僅包括幾百美元的3D圖形加速卡，而且也涵蓋了價值十幾萬美元的專用圖形工作站。除此之外，混合現實系統中的硬件設施還有人機交互裝置，例如數據手套、6D鼠標器、跟蹤器、力反饋裝置、語音識別及合成裝置等，這些設備的種類非常多，其作用也不同。

3　現實混合技術在數字科技館應用

3.1應用實例

3.1.1三維地圖展項的應用

科技館中的三維地圖主要利用了地理信息系統、數據庫管理、虛擬現實等技術，就可以方便快捷的找到參觀者要找的地方了。首先從外太空開始，呈現在眼前的是一個轉動的地球，參觀者可以通過一只手指在觸摸屏上通過移動來轉動觀看地球的全貌。接著，還可以點擊羊城圖標，就可以看到廣州市的全貌了。在這里，參觀者可以觀摩廣州城市的風光，也同樣可以通過一只手指移動屏幕來尋找我們自己的家園?？赐炅藦V州市的全局風光，還可以通過下面的景點圖標，觀看到廣州的北京路、白云山麓湖、陳家祠、白鵝潭等各個著名景點。

3.1.2模擬飛行展項的應用

模擬飛行展項由仿真計算機、視景系統、音響系統、運動系統、操作負載系統等組成。仿真計算機解算描述機載系統特性和飛行動力學的數學模型，視景系統應用計算機圖像實時生成技術，產生座艙外的景象，包括建筑物、機場與跑道、道路、燈光、田野、河流、地形地貌等，視景系統可以模擬雨、雪、云、霧、能見度等氣象條件，以及白天、夜間的景象，使體驗者有身臨其境的感覺。運動系統給體驗者提供加速、過載等感覺。音響系統模擬發動機噪聲、氣流噪聲等音響效果。模擬座艙具有與真實飛機座艙一樣的布局，其中儀表顯示系統實時顯示飛機的各種飛行參數和機載系統的運行狀態。體驗者在模擬座艙內根據窗外景象信息、艙內儀表顯示信息，通過駕駛桿、舵對飛機進行操縱，操縱量經過轉換輸入仿真計算機，解算飛行動力學數學模型，獲得相應的飛行速度、飛行高度等飛行參數，更新窗外視景和儀表顯示，給體驗者帶來真實一樣的感受。

3.1.3數字劇場中的應用

這個劇場包含互動游戲和數字影片2個部分。參觀者首先看到的在地上緩慢移動的原生態機械蟲就是屬于互動游戲部分。每一只機械蟲代表著一種數字家庭相關的技術或產品。當參觀者踩到飄移的機械蟲時，它就會顯示它代表的技術名稱，并以光波的形式快速向墻面移動，逐漸顯現出數字城市概念的圖形。當4面墻的圖形完成時系統便自動進入下一精彩階段——數字影片的播放。第二部分的數字影片以劇場墻面作為投影面進行影片的播放，配合天花懸吊反光板反射效果給予觀眾沉浸感和強烈的視覺沖擊。籍此以一種全新的方式向您講述了什么是數字家庭、為什么要建立數字化家庭、數字化家庭對人類生活的影響、數字化生活包含哪些內容以及數字化手段在目前生活中的應用。由此可見，混合現實技術中包含了計算機圖形技術、仿真技術、建模技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機技術、傳感器技術等，“虛擬漫游”將有效的把混合現實技術帶到了科普展示中，以此推動了高科技科普場館技術的發展。

3.2應用完善

（1）如果要向參觀者介紹混合技術，那么就需要建立起一個主題展覽，其主要為參觀者介紹這種技術的發展過程、原理及使用形式，以此讓參觀者更直接的了解到先進的科學技術。除此之外，參觀者還能對現實混合技術產生無限的遐想，以此使得混合技術不斷創新更好的服務于廣大民眾。如果把現實混合技術當做一種輔助方式，那么將會提高信息的完整度，參觀者不光重視展品還將會被現實混合技術所吸引?；诖?，在制定展項時首先要判斷能否應用現實混合技術，該技術使用之后會對民眾帶來什么影響。（2）例如有些展項需要將虛擬圖形與標識物品融合在一起，如果把虛擬物品和其他真實物體相互結合，由于其物品真實存在，虛實相互結合，這樣將會產生不一樣的效果。一般這里有兩個問題值得重視，其一標識物體要與真實物體疊加，或者標識物用真實物體替代；其二虛擬物體與現實環境要有效結合，給觀眾營造出一種逼真的畫面感。（3）有效使用現實混合技術可視化這一特征，營造出空間學習氛圍，使用三維視圖來吸引參觀者的眼球。比如，某一學者發明出了一個能夠提升學生基礎化學的增強現實設備，稱作“增強化學反應”，主要是對化學中的分子及分子反應進行建模。這就是一個典型的現實混合技術應用的案例，把比較抽象且難以描述的分子形象的展示給學生。這和真實分子之間存在著一定的區別，其中最大的優點就是不會損壞創造空間。這種虛擬的立體式物品與現實環境相互融合，當學生融入到這種學習環境中，就會產生極大的興趣。同時對某一知識領域有一個系統性的學習，進而提升學生的學習效率。

4　結語

從當前的發展形勢來看，現實混合技術的發展程度與現實混合技術的科普推廣的效果，直接影響用戶的體驗感受。由于現實混合技術的管理系統建立在云端架構，其內容的更新速度極快，這樣以來更加方便民眾學習新的知識?，F實混合技術內容管理系統主要包括傳統出版物、PC、移動終端、智能電視等，這些都是互聯網的進入端。這樣可以建造起一個全新的數字化科技館，使用先進的科普方式對科普知識、科學精神及科學方法進行推廣普及。

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The Application of Mixed Reality Technology in Digital Science and Technology Museum

Yin Huojiao
(Guangdong Science Center, Guangzhou510006, China)

Abstract：China is accelerating the construction of the digital science and technology museum, to ensure the steady development of our country science education work.In the process of digital science and technology museum construction, the application of mixed reality technology will further promote the development of Chinese digital science and technology museum. But from the current our country the development situation of digital science and technology museum, the popularity of mixed reality technology level is low. Based on this, through to the real meaning of hybrid technology, elaborates the characteristics and system structure, combined with the application of mixed reality technology in the digital science and technology museum was analyzed, and puts forward some perfecting Suggestions.

Key words：digital science and technology museum; mixed reality technology; application

作者簡介：尹火嬌（1982-），女，廣東韶關。