基于移動終端，將增強現實技術應用于博物館展示的研究
——以馬王堆漢墓增強現實展示為例

李旭杰

（天津大學仁愛學院，天津 300131）

一、緒論

（一）AR技術概述

增強現實技術的應用，隨著網絡技術和移動終端設備的發展，不再局限于固定環境或大型設備，借助更加便利快捷、普及的移動終端——手機加以實現，移動增強現實可以在平板電腦、智能手機等設備上實現，該技術的現實應用具有重要意義。

（二）博物館展示的新技術需求

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類文化遺產的實物，并對其進行分類，為參觀者提供學習、教育、娛樂服務的場所。提供高質量的信息服務是博物館核心價值所在。

博物館展示通常是具有獨特的實物現場體驗的特征，但是依然需要新技術的融合與支撐。因為觀眾隨著信息處理技術的發展，對信息獲取與體驗的需求不斷提升，這就成為博物館發展的必然方向，現階段博物館建設及展示設計發展，整體呈現出積極導入數字、網絡、智能技術的趨勢特點。

二、增強現實技術在馬王堆漢墓展示中的應用設計

（一）馬王堆漢墓展示現狀及問題點分析

通過到湖南省博物館馬王堆漢墓展示現場的實際調查研究，總結出如下分析結果：

1.展品展覽信息分散，不完整

為了減少不同種類文物的損壞與消耗，湖南省博物館無可選擇地將挖掘出土的女尸、棺槨以及各類隨葬品分列于不同的展柜中，使得展品分離，展品信息的關聯性被人為切割，不利于參觀者完整地感受和認知馬王堆漢墓整體信息。

2.展品脫離環境，體驗感知不充分

文物脫離原有的墓穴環境，使得參觀者體驗的臨場感大大降低。

（二）應用方案的構想與設計

以參觀者視角與需求為出發點，完成如下方案構想與設計：參觀者使用自身攜帶的智能手機、平板電腦來到棺槨展示區，安裝程序，借助照相機的鏡頭，將其對準墓穴的任意角度進行觀看,如下圖所示。屏幕獲得現實墓穴中真實棺槨與虛擬的女尸三維模型以及所有陪葬品三維模型的很好融合。該設計方案特點：1.補充展品缺失部分；2.展示文物空間關系及出土先后順序；3.豐富參觀體驗；4.避免文物破壞。

方案設計示意圖

三、馬王堆漢墓增強現實展示方案的實現

（一）技術路線

1. 三維虛擬場景模型制作技術

為了三維虛擬場景高仿真度實時渲染的呈現，運用Maya軟件建立動畫角色模型與場景模型的構建，如下圖所示。

虛擬場景的三維模型

2. 圖像特征識別與匹配技術

圖像特征識別與匹配的技術是增強現實技術的關鍵技術。基于計算機視覺注冊的增強現實系統，有兩種方法：人工標記特征點方法和自然特征點提取方法。不能破壞文物原有的體貌，所以人工標記特征的方法不適用，我們采取自然特征的匹配方法進行圖片的識別跟蹤。

3. 三維跟蹤注冊技術

三維跟蹤技術是增強現實系統的核心技術。常用的三維跟蹤注冊方法有兩類：基于硬件（如陀螺儀、慣性導航定位系統等）跟蹤器的三維跟蹤技術與基于計算機視覺的三維跟蹤技術。本文將就計算機視覺的三維跟蹤技術如何應用于馬王堆漢墓進行展示。

（二）增強現實應用程序的實現

1.開發環境與測試環境的設定

開發環境：基于一臺硬件性能優良的PC進行開發系統的搭建，采用Unity 3D作為開發環境，Maya三維動畫軟件作為虛擬場景制作環境，高通開發的針對增強現實應用Unity 3D中的開發包Vuforia AR SDK作為實現增強現實的具體實現工具包。

測試環境：以等比例縮小的木制實體棺槨模型為測試現實場景，不受自然光影響的前提下在其放置的空間環境中控制燈光照度及角度不變，測試過程中棺槨位置及其周圍環境不變。程序開發基于Android 平臺的三星Galaxy Mega設備將系統升級為4.0以上版本。

2.實現三維場景建模

為了增強現實應用呈現的效果與加載速度達到理想狀態，需要有效控制模型與貼圖。使用多邊形（Polygons）建模，選擇貼圖時，控制其分辨率不高于1024×1024dpi，可以較好地保證觀看畫面效果及模型的加載匹配速度。

3.實現圖像的采集與處理

本文針對實現圖像采集的技術實現，通過Vuforia SDK增強現實工具包中的Single Image和最新添加的3D Object模塊進行對比試驗進行測試。具體實現過程如下：

（1）棺槨的連續圖像采集：將置于現實空間中的棺槨模型進行三維掃描，自動將其分解為49個面進行依次捕捉采集。掃描建模完成之后需測試捕捉的實時性與穩定性，拖動text中顯示綠色測試點后，其隨動性的靈敏度表示捕捉效果優良度。

（2）圖像特征點處理及三維注冊。將采集完成的目標文件上傳至Add Target板塊中，目標管理器進行樣本分析，下載的樣本注冊矩陣信息Vuforia SDK通過Tracker及其子類識別三維空間中能跟蹤監測到現實環境中的棺槨目標，當前現實環境中的圖像與樣本矩陣信息相匹配成功即對當前現實圖像進行跟蹤渲染，實現三維跟蹤注冊技術。反之，則退出對當前圖像的三維跟蹤渲染，重新加載識別。

4.實現虛擬場景疊加

在工程文件中導入三維模型，工程文件的顯示界面中不能識別之前掃描完成的.ob文件具體圖像，在手動調試導入的三維模型后，需生成手機APP，進行反復調節虛擬模型與現實棺槨的空間關系、燈光模擬等，實現較好效果的虛實融合。

（三）應用程序使用測試

將針對于三星Galaxy Mega手機Android4.2系統，生成的SDK文件導入手機，借助等比例縮放（1∶4）棺槨模型進行模擬實際環境的使用測試：

1.當取景器對準真實棺槨場景時，目標管理器對捕捉圖像進行1~2秒分析匹配后，顯示屏即可呈現馬王堆漢墓增強現實效果，對比未經虛擬融合的真實場景，無縫疊加女尸及其陪葬品的虛擬三維模型后顯示圖像復原了出土時的場景，效果直觀、整體。

應用測試效果圖

2. 模擬視角偏差，在不同角度、高度、遠近距離進行移動過程中，手機始終保持對應觀看點相應的虛實結合圖像的顯示，觀眾可以在移動中從不同角度持續觀看。

3.當發生移動速度過快，棺槨完全脫離取景器時，在任意停留位置重新取景測試，即可得到當前位置增強現實之后虛、實場景融合效果，具有很好的實時性和應變性。

4.模擬了博物館參觀過程中，展示棺槨被穿梭人群局部遮擋干擾的情況下，系統通過未遮擋區域進行捕捉識別，通過空間固定關系的計算可以實現加載追蹤完整的棺槨模型，從而實現無縫疊加虛擬空間場景。并未對觀看過程造成圖像丟失或者畸形的不良影響。

實驗結果呈現還存在不足之處，需要在后續工作中進行修正與完善：

1.目前實驗效果顯示虛擬三維模型缺少相對應的陰影效果，當與真實場景相融合后，光照雖然模擬近似，但未添加陰影效果會產生一定的割裂感。

2.由于該項目的虛擬場景需要放置嵌入真實場景的棺槨中，從不同角度觀看時會產生一定的遮擋，現階段測試效果并未滿足棺槨邊沿對內置器皿的空間遮擋關系，觀看體驗的真實度有待提高。

四、結論

該方案解決了原有增強現實設備結構復雜不便于攜帶等不足，以及附加設備的發放及返還的問題。解決了博物館展示中，展品展覽信息分散，不完整；展品脫離環境，體驗感知不充分的問題。通過最終的實體模型的測試實驗，結果顯示該程序具有較穩定的應用性，在后續的研究中，可以探討添加展示內容的動態信息及輔助說明等功能。該技術類型的博物館展示應用，必將會發展出更多的數字化展示。