AR-VR混合技術在博物館展覽互動中的運用

陶武

摘 ? 要：傳統的博物館展示方式多采用櫥窗陳列物品，存在互動性差等缺陷，通過分析增強現實虛擬混合所涉及的關鍵技術，提出基于AR-VR混合開發博物館互動展示系統的方法，采用虛擬現實技術的方式可使館藏信息展示更全面，激發參觀者的觀察與思考。本文在AR技術基礎上融入VR技術，提出基于AR-VR混合技術展示展品方式，采用雙向互動方式在AR與VR間進行切換，克服了增強現實技術在交流互動中存在的一些問題。

關鍵詞：現實虛擬 ?增強現實 ?博物館展覽

中圖分類號：G720 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0254-02

1 ?VR技術在數字博物館中的應用

虛擬現實技術是當代藝術在數字領域發展演變的重要方向，依托于計算機與人工智能技術，借助靈境科技營造數字化空間，賦予了藝術創造及各匯總藝術行為的自由。媒體就似乎手段形成了自身獨立的藝術語言體系，中國VR藝術研究中心秉承致力于社會公益事業發展的理想，推動了對VR技術在數字博物館中的應用。

VR技術將人們帶入由多感知系統與靈境技術創造的深度沉浸。以往藝術實踐中，藝術家受到物理世界固有邏輯系統的支配，VR技術是數字技術中神奇的科技，打破了以往藝術實踐的經驗模式，任何信息的物質性因素可變為可控的電子變量值。

藝術家通過對VR、AR等技術思想把握，采用人機交互手段控制作品形式，打造現實情況下不能實現的藝術效果。如VR性質的交互裝置系統可設置觀眾穿越多種感官的交互通道，藝術家可借助軟硬件配合促進參與者與作品的溝通，通過視頻界面進行動作捕捉，放映增強效果的影像。觀眾可通過自身動作控制投影的文本，可移動場景增強了作品的沉浸感，使觀眾進入作品內部，觀察其過程。

2 ?關鍵技術簡介

2.1 系統框架

AR-VR博物館展示互動系統將AR技術與VR技術結合，利用二者的優勢提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統分為博物館虛擬漫游模塊與增強交互模塊。虛擬漫游模塊使用VR技術，將客觀上不存在的景物在用戶眼前生成虛擬環境，增強交互模塊通過攝像頭采集場景視頻，根據真實場景中的人工標志物信息進行跟蹤注冊[1]。

首先開啟程序進入虛擬漫游模塊，開啟場景漫游模式，參觀者可向前后左右移動，在AR-VR切換中，參觀者只需點擊虛擬AR按鈕即可切換到真實世界，開啟攝像頭捕獲場景的初始識別圖像，計算出攝像機位置數據，將虛擬展品加載到真實場景中。

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，擁有高度優化的圖形渲染管道，可實現虛擬加人機交互功能的生成。通過三維軟件完成建模，模型建好后發布為fbx格式文件，導入Unity3D中構建虛擬博物館場景。

虛擬博物館場景模型制作是虛擬現實漫游模塊開發中的重要部分，與博物館漫游系統體驗效果直接相關。建筑模型制作時要考慮系統運行速度問題。博物館場景模型制作分為復雜模型與簡單模型。復雜模型制作要求精細，簡單模型僅需制作出大致的輪廓。模型的制作有很多規范。如模型必須適當減少面數與分段數，單個模型面數不得超1000。否則會影響系統的運行。使用高清數碼相機拍攝圖片制作紋理貼圖。

博物館場景搭建完成后導入Unity平臺，可實現體驗者在博物館場景中進行虛擬漫游，可通過頭戴設備進行視角轉換，使用戶獲得更好的體驗。

2.3 增強交互模塊開發

AR技術可使系統創造更豐富的互動方式，AR技術可增強真實世界的物體與環境[2]。增強交互模塊開發首先通過攝像頭采集真實場景視頻圖像，在真實場景中疊加虛擬信息豐富展品信息顯示。

系統增強交互模塊實時采集博物館中的環境，生成真實場景圖像供系統調用。跟蹤注冊是增強現實系統的核心，其主要有基于計算機視覺跟蹤注冊與傳感器進行硬件跟蹤注冊兩類技術，前者按系統是否使用人工標記區分。基于人工標記的增強現實系統能將虛擬模型定位到真實世界，可快速從復雜的真實環境中檢測出人工標記，大多增強現實系統的跟蹤注冊模塊采用基于人工標記的方式實現。

跟蹤注冊過程首先基于視頻采集設備采集視頻圖像，AR-VR系統通過調用移動設備攝像頭采集視頻圖像。對采集圖像進行預處理，完成從彩色的視頻圖像到黑白兩色二值圖像的轉換。如像素點灰度值S（x，y）≥t可為背景點。經閥值化處理的圖像為：

得到二值化的圖像，利用圖像分割技術找出圖像中興趣點。判斷標記是否為合法標記。模板匹配成功后確定標志物的特定ID識別。

經跟蹤注冊步驟后，將拍攝室內環境視頻流圖像與虛擬文物信息進行實時融合，使用戶體驗到真實場景與虛擬信息融合的效果。增采用Vuforia SDK實現強現實交互模塊開發。在Java與NET語言中提供了API接口。

目前常用的增強現實開發平臺有AR Toolkit，Vuforia，AR Toolkit如表示無移動速度過快無法產生虛擬疊加效果。無法對普通圖片進行識別，Aurasma非免費開發者無法獲得軟件全部代碼。

2.4 顯示技術

隨著計算機軟硬件技術的不斷發展，頭盔顯示器可讓用戶感受到空間立體感，本文VR系統采用Ocular Rifi DK2虛擬顯示設備，分辨率達到1920×1080，DK2顯示效果理想。AR系統呈現物體信息應以輕巧為設計原則。采用基于Android操作系統智能手機屏為顯示設備，可不受展覽環境限制[3]。

3 ?實驗結果分析

實驗基于Unity3D平臺，采用的移動設備在內存Intel CoreTM2 Quad CPU，4GB內存。啟動系統后進入VR系統，參觀者可欣賞博物館外風景或參觀博物館內藏品。切換到AR系統后，跟蹤角度為標志物與攝像頭的家教，逐幀圖像進行注冊性能驗證，拍攝角度為初始0°時，系統采集不到人工標志圖像特征信息，跟蹤角度小于20°時，超系統跟蹤注冊功能模塊工作范圍。

標志物遮擋對系統的影響很大，系統注冊精度會受到很大影響。實驗通過不同遮擋測試系統性能，隨遮擋率增加。經測試表明本文方法能根據殘留標志物信息獲取準確的跟蹤注冊數據，可很好的適應遮擋環境。

基于AR-VR混合技術開發博物館導覽系統有很好的三維展示功能，參觀者對某展品感興趣時可切換到系統觀察展品細節特征，對標志物采用特征點檢測方式效果好。

4 ?結語

本文提出了基于AR與VR技術結合的展示系統，該方法能在終端連接運動中自適應現實虛擬疊加效果，虛擬現實與增強現實技術結合可使可視化效果更逼真，動態的展示展品信息，使參觀者在交流互動中加深記憶，未來研究可將增強現實識別能力作為重點。

參考文獻

[1] 邵恒.VR技術在博物館文物保護中的應用[J].智庫時代，2018（43）：149，152.

[2] 張貝貝.VR技術在博物館展陳設計過程中的優勢及應用[J].企業科技與發展，2018（10）：141-142.

[3] 李婷婷，王相海.基于AR-VR混合技術的博物館展覽互動應用研究[J].計算機工程與應用，2017，53（22）：185-189，263.