VR、AR技術在智慧博物館中的應用

馬騰飛

摘要：當代社會迅猛發展的數字技術，給博物館注入了新的活力。本文在分析數字展示技術在博物館實體展覽和虛擬展覽中的應用案例的基礎上，將幾種常用的展示技術進行對比，討論了數字展示與傳統展示的優劣，進而提出了運用數字展示技術的原則。

關鍵詞：數字展示技術；博物館展覽；增強現實；虛擬現實

1引言

近年來，人們開始對文化的需求呈現出與日俱增的態勢，博物館作為人類認知文明的重要場所，館藏展品的展示方式一直備受關注。傳統的博物館展示模式大多采用物品陳列方式，幾乎所有展品都是以靜態方式擺放在櫥窗中，再輔以有限的文字說明，這樣的展示方式會令參觀者感覺索然無味，并且很難觀測到展品的細節特征。隨著移動互聯網的迅猛發展，增強現實（AugmentReality，AR）交互式展示方式得到了更多人的青睞，國內外眾多學者都對增強現實技術進行了相關探索及應用研究。

2關鍵技術

2.1系統框架

AR-VR博物館展覽互動系統將虛擬現實技術與增強現實技術結合，利用虛擬現實技術的沉浸感以及增強現實的交互感提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統一共分兩個模塊，分別是博物館虛擬漫游模塊和增強交互模塊，博物館虛擬漫游模塊使用虛擬現實技術，虛擬的模擬博物館內外場景，把客觀上并不存在的景物，運用計算機技術，在用戶眼前生成一個虛擬的環境，使人感到沉浸在虛擬博物館場景中。而增強交互模塊基于增強現實技術，通過攝像頭采集場景視頻，采用計算機視覺跟蹤注冊方法根據真實場景中的人工標志物信息進行跟蹤注冊，將虛擬信息疊加在真實場景中，以增強展品信息展示。

2.2虛擬漫游模塊開發

博物館展覽互動系統中虛擬漫游模塊開發基于Unity3D平臺、Unity3D是由UnityTechnologies公司開發的一款綜合性交互式開發平臺，擁有高度優化的圖形渲染管道，可以結合一些增強現實開發工具，來實現虛實疊加人機交互功能，也可以實現虛擬現實世界的生成。首先通過3dsMax、Maya等三維軟件完成建模和貼圖，將模型建好后發布為.fbx格式文件，接下來將.fbx文件直接導入Unity3D中構建虛擬博物館場景。

2.2.1虛擬場景構建

虛擬博物館場景模型制作是虛擬現實漫游模塊開發中非常重要的組成部分，因為模型的質量決定了虛擬場景搭建后的效果，與博物館漫游系統的體驗效果直接相關。在本文中，所有博物館建筑均采用3dsMax建模軟件實現，在制作建筑模型過程中，既要考慮模型真實感問題，又要考慮系統運行速度問題。

因此，采用精細建模和簡單建模相結合的方式構建虛擬的博物館三維景觀。博物館場景模型的制作分為兩種，一種是復雜模型，像博物館內陳設、展品等，這種模型制作要求非常精細，做建模時要適當保留細節。還有一種是簡單模型，像道路、樹木等，這種模型的制作非常簡單，只需制作出大致的輪廓，可以靠貼圖去實現三維效果。模型的制作也有很多的規范，在考慮到系統性能的情況下要求非常多。

比如，做模型在不影響真實度基礎上，必須要減少模型的面數和分段數，刪除模型相交處隱形的面數，單個模型面數最多不能超過1000，否則場景中復雜模型過多，會影響系統的運行，從而通過對整個場景中模型的優化來達到最終的效果。貼圖方面，本文使用高清數碼相機拍攝的圖片來制作紋理貼圖，讓體驗者有更加直觀的感受。

2.2.2虛擬漫游

當博物館場景搭建完成后，導入Unity平臺，通過加入虛擬漫游交互功能，可以實現體驗者在博物館場景中進行虛擬漫游，體驗者通過上下左右鍵進行前后左右行走，也可以通過頭戴設備進行視角轉換，或是選擇跑步、走路等多種方式以便讓用戶獲得更好的體驗，

2.3增強交互模塊開發

同VR技術相比，AR技術可以使博物館導覽系統創造更豐富的互動方式，因為AR技術可以在真實世界中疊加虛擬信息，因此可以增強真實世界的物體和環境等方面。增強交互模塊開發主要分三步進行：首先，通過攝像頭采集真實場景視頻圖像；其次，將檢測到的標志進行跟蹤注冊。最后，在真實的場景中疊加虛擬信息豐富博物館中展品的信息顯示。

2.3.1視頻采集

當系統切換到增強交互模塊后，攝像頭被立即打開，實時采集博物館中的環境，并生成一系列的真實場景圖像，供系統跟蹤注冊模塊進行調用。

2.3.2基于計算機視覺的跟蹤注冊技術

跟蹤注冊是增強現實系統的核心，目前的增強現實系統中，主要有兩大類跟蹤注冊技術，一類是基于計算機視覺跟蹤注冊；另一類是利用設備中的傳感器、GPS進行硬件跟蹤注冊。基于計算機視覺的跟蹤注冊方式按照系統是否使用人工標記來區分，分為使用人工標記增強現實技術和沒有使用人工標記的增強現實技術。基于人工標記的增強現實系統能夠將虛擬模型準確定位到真實世界，并最大限度地實現虛實之間的無縫融合，具有快速、穩定、準確的特點，可以快速從復雜的真實環境中檢測出人工標記且對硬件配置要求不高。

2.3.3虛實疊加處理

經過跟蹤注冊步驟后，則獲得了攝像機位姿，此時將攝像頭所拍攝的室內環境視頻流圖像與生成的虛擬文物信息進行實時融合，形成增強現實圖像，最終將虛擬的文物信息渲染到屏幕上，使用戶體驗到真實室內場景與虛擬信息相融合的逼真效果。本文增強現實交互模塊開發采用VuforiaSDK實現。VuforiaSDK是一個功能強大的增強現實開發工具包，在Java、C++和.NET語言中提供了API接口，并擴展至Unity3D中。

2.4顯示技術

隨著計算機軟硬件技術的不斷發展，VR系統顯示設備在不斷進步，頭盔顯示器可以讓用戶感受到空間立體感，所以本文中VR系統采用OculusRiftDK2虛擬顯示設備。DK2是Oculus公司在2014年推出的虛擬現實顯示設備，分辨率達到1920×1080，根據體驗者的反饋來看，DK2的顯示效果非常理想。AR系統主要是呈現物體的三維詳細信息，應該以輕巧靈便為系統設計原則，所以本文中AR系統采用基于Android操作系統的智能手機屏幕作為AR系統顯示設備，簡單便攜，可以不受展覽環境的限制，擁有更加豐富的使用范圍。

2.5人與空間環境的交互

人與空間環境的交互采用虛擬現實技術實現。參觀者在參觀博物館時，不僅需要觀察展品，更重要的是了解展品的歷史年代，發展流傳歷史。通過Unity3D平臺構建虛擬三維博物館，參觀者以第一人稱視角，在場景中進行漫游了解展品的詳細信息。當用戶點擊屏幕左側上方的AR按鈕后，VR場景立即切換到AR互動界面。

3結語

虛擬漫游使參觀者沉浸在博物館營造的空間環境中，周圍的展品烘托出濃厚的文化氛圍，突出表現特定的場景中觀眾與展品的“對話和交流”。比起傳統的交互技術，虛擬現實技術和增強現實技術的結合可以使可視化效果更逼真，在參觀過程中能夠調動參觀者的積極性，動態地展示展品信息，啟發參觀者的觀察與思考，使參觀者在交流互動中加深記憶，實現更深層次的交互體驗。在未來的研究中，可以將增強現實識別能力作為研究重點，實現云服務和移動增強現實技術的結合。

參考文獻

[1]FeinerS，MacIntyreB，HollererT，etal.Atouringmachine：prototyping3Dmobileaugmentedrealitysystemsforexploringtheurbanenvironment[J].PersonalandUbiqui-tousComputing，1997，1（4）：74-81.

（作者單位：中國國家博物館）