基于移動終端和AR技術的博物館文化教育體驗系統的設計與應用研究

余日季　蔡敏　蔣帥

摘要：隨著社會發展和人們生活水平的提高，博物館的數字化、智能化已成為發展趨勢。該文分析了目前數字化博物館存在的主要問題，闡述了移動終端博物館文化教育體驗系統的創新點、主要作用、關鍵技術和架構設計。該系統是基于unity3D平臺，通過借助高通的Vuforia SDK插件，并利用增強現實技術來實現。該文介紹了系統的主要功能模塊，以及實現視頻信息疊加和模型信息疊加等功能的主要過程，并以兵馬俑為測試載體設計了一個應用實例。

關鍵詞：增強現實技術；文化教育；數字化博物館

一、引言

文化是—個國家生命力、創造力和凝聚力的重要源泉，對—個國家有著重大的戰略意義。對于文化建設，博物館則是最能凸顯—個區域乃至一個民族悠久豐富的文化內涵。無論是對物質或者非物質文化遺產的保存、延續、交流，博物館都發揮著不可磨滅的作用。在博物館的建設過程中為了吸引更多參觀者走進博物館，使參觀者深刻了解每一件展品背后濃厚的文化底蘊，同時也為給參觀者更好的文化體驗，博物館在完善公共服務功能的同時也在不斷地引進新型的信息技術，變革參觀者的體驗方式，主要就是借助于增強現實技術構建AR交互式文化教育體驗式博物館，以增強觀展時的趣味性和互動性，加深文化體驗，當然更為重要的是充分發揮參觀者的積極能動性。其實一個博物館的真正價值在于使參觀者能夠深刻體驗到每件陳列展品背后豐富的文化歷史，因此，利用增強現實技術構建AR交互式博物館文化教育體驗模式既是信息時代發展的必然要求，也是實現博物館核心價值最重要手段。本文研究的重點就是在互聯網的基礎上，借助增強現實技術構建C/S架構模式的數字化博物館文化教育體驗式應用。

二、研究現狀

隨著經濟飛速的發展，我國博物館在數量得到了蓬勃的發展，但是就質量而言還有待于提高，而且相比于世界上的發達國家還有一定的差距。據不完全統計，歐洲一些國家的博物館不僅數量占據了全世界的四分之三以上，而且博物館的歷史悠久，展品數量龐大，每年投入資金巨大。相比之下，國內博物館還是略顯不足。隨著近兩年增強現實技術的發展，中國博物館紛紛開始引入增強現實技術，對傳統的體驗方式進行革新，擴展博物館的體驗維度，突破時間空間的限制。

在國外，AR可以溯源至在1968年，哈佛大學教授圖靈獎的獲得者Lvan sutherland領導研發的The Sword of Damocles（達摩克斯之劍）被普遍認為是增強現實的雛形，只不過，當時業界并沒有增強現實這個概念。增強現實正式成形是在1990年，當時正在為波音公司工作的Tom Caudell教授正在試圖尋找一種能協助航空公司的飛機制造過程的系統，最終的解決方案，正是如今的增強現實的雛形，其將特定纜線的走線位置疊加在現實生產場景中，于是工程師們就不需要再通過抽象的工程圖中來定位走線位置了，極大地降低了工作的難度，增加了工作的效率。此后歐洲、美國一些著名機構在此領域也紛紛展開了研究和探索，2001年希臘多家研究機構和政府部門成立了聯合開發小組設計開發Archeoguide系統，用于對希臘古遺址進行數字重現。2015年法國香波堡所屬的尚博爾國家領地與Histovery公司為紀念佛蘭索瓦一世國王登基500周年共同研發的HlstoPad應用，將AR增強現實技術運用在屹立于魯瓦河畔的香波堡中，使游客如同穿越時空欣賞到這座將文藝復興發揮到極致的絕美城堡的原貌。而在今年多倫多市的皇家安大略博物館舉辦的“終極恐龍展”的展覽正是借助于增強現實技術使畫面中的恐龍“復活”在屏幕上，帶給觀眾一場全新的視覺盛宴。其實在亞洲某些國家也很早就展開了AR技術相關的研究，日本的情報大學研究的“虛擬飛鳥京”項目正是利用AR技術進行遺址復原。

而在國內，AR技術研究起步較晚，主要也是集中于一些著名高校和實驗室。近兩年，雖然中國的AR研究呈現井噴式的發展，許多公司也紛紛開始轉向研究AR應用，但是在文化領域取得的成果也屈指可數。北京理工大學王涌天教授將AR技術與文化相結合產生了美妙的反應，對圓明園文化遺跡進行了數字化原貌重現，不僅加了深體驗深度，而且還增強了互動性，從根本上改變了非遺文化摸不著、看不見、體味不了的弊端，使非遺文化對大眾產生強烈的吸引力，也從根本上改變了文化的傳播方式，對文化的弘揚與發展起到了至關重要的作用。對參觀者而言，參觀的時間與空間不再受到限制，通過嶄新的參觀體驗方式既增強了人的能動性，又加深了對于文化內涵的理解。縱觀國內，基于AR交互式的博物館系統已初現雛形，相對于傳統博物館而言是一步巨大的突破，打破了傳統博物館固定僵硬的體驗方式，創造出一種全新靈活多變的觀展模式。但是目前的AR交互式博物館體驗系統結構功能單一，體驗效果差強人意，因此，本文的主要研究內容就是基于現有AR交互式的博物館文化體驗系統上構建功能更為強大，系統更為完善的AR交互式博物館文化體驗系統，通過文化數據與真實展品相結合，實時的對每件陳列的展品進行數字化的增強，引導用戶去探尋每件展品背后曲折誘人的文化故事。

三、基于AR技術的博物館文化教育交互式體驗系統架構設計

（一）系統的主要功能及特點

1.驅動地區文化發展與傳播

博物館是一個地區的文化記憶儲備庫，而文化在推動國家發展和民族進步中有著重大戰略意義。由此可見，博物館對一個地區乃至一個國家的重要性。一方面構建的AR交互式博物館因其趣味性、娛樂性能吸引更多的人走進博物館，游覽觀展，體驗地區文化；另一方面人們對新型事物以及新型技術的強烈好奇心，兩方面相互結合，強有力地推動了地區文化的發展與傳播，并提升了地區文化高度，強化了文化品牌。

2.符合信息時代發展理念

隨著經濟和科技的飛速發展，互聯網第三大產業的崛起以及信息技術的更新換代，新興的增強現實技術逐漸走進大眾視野，技術的研究也不再只是停留在紙上，更多的是通過實踐應用到各個領域，各種AR交互式的系統研究逐漸成為熱點被大眾所關注，其中AR交互式博物館系統也是研究的重點。

（二）系統創新點

1.增強文化體驗的互動性、趣味性、體驗感

與傳統博物館相比，用戶可以充分利用移動終端與藏品進行互動，可以將其放置于手心進行觀賞與把玩，通過視頻、圖片等信息可以深刻了解到藏品背后的文化底蘊，不僅從根本上打破了“只可遠觀而不可褻玩焉”的格局，還規避了摸不著、體驗不了的弊端。AR交互式博物館系統體驗方式呈現多樣化，用戶在觀賞藏品時可以不再需要專業人員的講解，自行通過手持移動終端去了解藏品的歷史背景、文化內涵，這對傳統博物館的體驗方式是一次偉大的突破。在體驗深度上，AR交互式博物館能夠加深用戶的體驗深度，帶給用戶前所未有的體驗。

2.文化內容實時互動

通過創意、策劃與數字技術手段結合，設計、創作豐富的集娛樂性、教育性、知識性與交互性于一體的多種形態表示的數字文化內容，并將這種文化內容實時疊加在現實的物化遺產載體之中，進行有效地詮釋、展示與傳播，實現體驗者、植入主體、植人客體三者之間的有效互動，促進體驗者在互動過程中對載體所承載的博物館文化特色與內容的認知，從而實現互動式的文化體驗。AR技術最明顯的特征之一就是實時交互，除了傳統的鍵盤、鼠標交互操作外，通過觸覺、語音、手勢、體感等多種自然的人機交互模式，能有效吸引文化消費者的積極參與，促進體驗者的行為體驗，實現民族特色文化內涵的數字化互動體驗與文化消費。

（三）系統關鍵技術

1.AR數字化博物館中主要應用到三大關鍵性技術，即空間位置跟蹤注冊技術、視頻模型等信息疊加技術以及交互技術

空間位置跟蹤注冊技術是實現AR數字化博物館體驗系統的關鍵，而空間位置計算的精度對數字化信息的疊加起著決定性作用。由于移動終端捕獲博物館標識信息時的位置在不斷地發生著動態的改變，所以需要實時地分析攝像頭在真實空間中的姿態信息。通過空間透視不斷地計算出移動終端在真實世界的位置信息從而更好地完成虛實融合。根據研究，在空間位置跟蹤注冊過程中一般采用技術有三種分別是：基于傳感器的跟蹤技術、基于視覺的跟蹤技術和混合跟蹤技術。其中，視覺跟蹤又可以劃分為基于標志物跟蹤（Marker Based）和基于無標志物跟蹤（Markerless）。基于無標志物跟蹤實現過程難度較大，精度較低，實時性較弱。因此，AR數字化博物館系統采用基于有標志物的跟蹤注冊技術。為對空間位置跟蹤注冊進一步擴展，采用SIAM拓展定位，使目標在移出攝像頭范圍的時候跟蹤和定位仍然繼續。

2.在虛實融合過程中，主要是將數字文化數據庫中存儲的數字內容等信息實時疊加到真實場景中實現虛實融合

為追求更強烈的沉浸感，不僅要在空間位置跟蹤上獲取精確定位信息外，而且在數字內容制作技術方面要求創建逼真的立體模型，為使模型有更加逼真的色調光澤，在模型材質方面引入著色器效果，以實現無縫融合，使虛擬與現實融為一體。

3.交互技術一直是研究的重點

當然交互方式也有很多，但是就目前發展情況以及技術成熟度而言，基于手勢的交互方式更被大眾青睞，而且這種交互方式更加符合人類的自然習慣。考慮到目前技術發展情況，在手勢交互中采用多點觸碰，可以同時支持多用戶操作，使應用更具有娛樂性和操作性。

（四）系統總體架構設計

通過多媒體手段深度挖掘展覽藏品所蘊含的背景、意義是博物館的核心價值。因此，通過研究決定構建移動終端與服務器相結合的C/S，總體系統架構模式，利用UWB超寬帶局域網進行網絡通信，實現高速低成本的數據傳輸，可以有效快捷地管理大量的展覽藏品。近年來，隨著軟硬件的不斷升級，不少移動終端都具備有一定的計算能力，綜合這一因素，可以使移動終端進行一些基本的計算，減少服務器的負荷，這樣可以有效地縮短系統響應時間，提高運行效率，更加切合信息發展理念。因此，根據以上思路設計的系統總體架構如圖1所示，結合總體設計的架構圖，服務器的操作系統采用Window Server2012 R2標準版，在此基礎上安裝配置Web服務器，并且搭建了MySql（5.6.24）數據庫。

根據圖1將本系統總結構劃分為四個部分，分別為：移動終端、服務器、數字文化數據庫和標識數據庫。其中，移動終端主要是標識信息獲取、渲染數字信息完成虛實融合；服務器主要用于計算終端姿態定位坐標和文物匹配檢測；數字文化數據庫則主要是存儲由數字信息編輯人員編輯的數字信息；標識數據庫則是存儲預先采集的標識以實現動態的標識切換識別，其主要流程是移動終端將捕獲的圖像信息上傳至服務端進行標識識別并分析計算終端姿態位置，服務端進行定位運算確定終端的精確位置，再通過算法運算識別匹配，從數字文化數據庫中下載數字文化信息進行無縫的虛實融合。

基于上述系統架構圖基礎，本文提出了基于Unity3D基礎的移動增強現實博物館體驗系統，能夠在移動終端實現無縫切換虛實疊加的效果。而實現本系統的核心主要包括四個步驟：（1）創建文化標識云端數據庫；（2）目標識別對象管理；（3）導入云端標識數據庫資源包以及識別匹配后進行虛實融合的目標資源；（4）生成AR移動終端應用。其中，目標識別對象管理主要是對文化標識物進行預處理，而整個系統的開發則是基于Unity3D平臺搭載Vuforia SDK插件動態的加載識別匹配的目標資源從而完成虛實融合。

四、系統開發實現與應用

（一）系統功能模塊劃分

本系統在基于傳統博物館的基礎上，利用增強現實技術開發的數字化、智能化現代化博物館系統。通過移動終端掃描Marker能將文物等信息渲染到移動終端屏幕上完成虛實融合。根據其系統架構圖以及流程圖可將其分為標識物信息采集模塊、特征檢測匹配模塊、三維跟蹤注冊模塊以及虛實融合模塊四大模塊。

標識物信息采集模塊：在每件展品旁創建一個獨特的Marker，上面印有文物畫像，當用戶手持移動終端在展區文物旁掃該Marker時，會將捕獲到的標識信息進行特征點識別。

特征檢測匹配模塊：該模塊對于整個系統意義匪淺，當用戶采集到的圖像信息上后，通過算法提取圖像信息中的特征點，然后再利用服務器的高速計算能力進行特征匹配，當匹配成功后調取數據庫中展品信息。

三維跟蹤注冊模塊：三維跟蹤注冊模塊是整個系統的基礎，它是衡量本系統性能的一個最為重要的模塊，決定著虛實融合模塊的性能。在進行特征點檢測時，移動終端利用其自身計算能力，進行坐標矩陣變換，再通過服務器計算出移動終端相對于展廳中展品的位置姿態，確定虛擬物體融合的準確位置。

虛實融合模塊：虛實融合模塊是本系統流程中最后一個模塊。在通過三維跟蹤注冊模塊確定虛擬物體融合的精確位置后，將數據庫中的虛擬物體調取實時融合，形成增強現實圖像，最終渲染在用戶手持的移動終端的屏幕上完成虛實融合。

（二）數字資源打包下載與解包

由于本系統是基于unity游戲引擎平臺搭載Vuforia SDK插件，再考慮到博物館展品數量以及識別疊加數字內容等因素，因此在存儲資源時使用了Unity引擎的AssetBundle對數字資源進行打包，這樣不僅可以極大壓縮數字文化內容的大小，還能夠快捷便于管理存儲。而在用戶手持移動終端掃描Marker標識匹配后，將開啟一個新的協程通過Unity引擎中的WWW類去加載數據庫中存儲的數字文化資源，并通過AssetBundle進行解包加載數字資源從而完成虛實融合。

（三）交互設計

由于博物館數字文化內容制作主要是由模型和視頻兩部分構成，因此在設計界面uI時無需過多的界面虛擬按鍵，出于人類自然習慣，設計三個虛擬按鍵是比較符合生物學觀點，用戶通過手勢交互切換不同數字資源，通過編寫C#Script實現手勢交互隱藏顯示uI以及識別Marker后切換視頻和模型資源。

（四）測試效果

根據以上設計思路再結合博物館陳列的展品，設計的展品數字文化內容則主要是由視頻和展品立體模型兩方面構成。視頻的特點在于向用戶“講解”展品的由來經歷突出展品的文化內涵。模型則是為了讓用戶可以更加細致近距離的觀賞展品。當然，為突出觀察效果，特給模型加上自旋轉效果，使用戶可以360度全方位欣賞到展品的每個細節。

為使用戶獲得更好的交互體驗效果，突出簡潔明了易操作的主題。對界面的UI進行隱藏，僅當用戶掃描到識別圖時UI則會渲染到屏幕上，UI顯示效果如圖2、圖3所示。用戶可通過選擇切換疊加的增強信息內容，測試效果如圖4、圖5所示。

五、結束語

站在“網聯網+”視角下，本文在傳統博物館基礎上，借助于增強現實技術構建博物館展品陳列的新模式，通過數字內容制作技術為展品疊加上虛擬的視頻、動畫、音頻、文字、等信息既打破原有單一的體驗方式，又突破了體驗時間和空間的限制。在設計AR交互式博物館通過疊加視頻等信息使用戶簡明了解展品背后曲折離奇的故事以及文化內涵。為使三維跟蹤注冊更加智能化，在引入機器識別中的SLAM即時定位與地圖構建技術對標志物進行擴展跟蹤。同時，在建立展品模型時使用紋理建模來提高模型的逼真程度，以實現虛實無縫融合。

由于AR技術仍處于發展階段，因此AR交互式博物館文化體驗系統還有待于進一步發展，尤其是為追求正真意義上的虛實無縫融合，必須要研究出更加成熟的三維跟蹤注冊技術，實現精準無偏差的定位。AR技術研究不僅需要對交叉學科有一定的了解而且其實現平臺對軟硬件也極具很高要求。雖然以目前軟硬件發展狀況以及網絡通信而言，AR技術的發展還是有一定的困難，但是以目前AR技術的火熱程度而言，未來AR總體發展方向還是可觀的，相信在不久的將來AR會成為信息技術的主流，活躍于各個領域。