AR和VR技術在數字博物館的應用研究

陳天侖

（故宮博物院，北京 100009）

1 AR和VR技術概述

AR技術是一種增強現實技術，在實際應用過程中，能夠通過利用計算機以及攝影機等設備在不同角度上疊加圖像的方式，加強虛擬和現實之間的無縫連接，從而實現虛擬增強現實的效果。AR技術常與虛擬技術進行聯合應用，其將虛擬世界轉移到現實世界中，如將虛擬博物館中知識技術實體化展示轉移到現實世界中，展現在觀眾的眼前，使其能夠通過相關設備在視覺、聽覺和嗅覺等方面感受虛擬信息，從而提高對博物館的游覽效果。

在增強現實技術中，主要的應用技術包括：多媒體技術、三維建模技術、實時顯示以及多種傳感器控制等技術，通過技術的實施實現場景之間的融合發展，進一步為觀眾提供多方面的感知信息。AR技術應用時具有以下特點，首先，其能夠將真實世界和虛擬世界進行信息集成。通過將虛擬投向現實，使二者實現更好的融合，提高觀眾不同感官的實際感受效果，實現虛擬和現實之間的集成。其次，實時交互性。想要降低虛擬與現實之間的差異，應提高二者之間信息的實時性，AR技術根據現實中的信息變化情況進行調整，使虛擬信息更加接近現實。最后，應用廣泛性，AR技術能夠根據環境的變化，對虛擬連接和集成進行調整，提高與不同現實場景之間的契合效果，使該技術能夠廣泛應用在不同空間環境中。

VR技術是一種虛擬現實技術，又被稱為虛擬環境技術，該技術在應用過程中，利用計算機技術對現實中事物進行識別，并在虛擬世界中構建三維環境，形成的虛擬環境能夠與現實世界進行交互，同時，能進行獨立運行[1]。AR技術在應用過程中，用戶能夠對虛擬世界的內容進行感知，如視覺、觸覺、聽覺等，提高人們在虛擬世界中的沉浸感。如通過應用環境建模以及交互和系統集成等技術的應用，在虛擬網絡中構建博物館，用戶通過頭盔等設備的連接，產生在真實博物館中觀賞的感覺，使虛擬與現實之間的連接效果得到增強。

2 數字博物館特點

數字博物館是在數字化技術的影響下構建而成的，在實際使用過程中，多項技術集成應用，將現實中的博物館同步到網絡中，觀眾能夠通過計算機或者手機等聯網設備，進行在線游覽博物館。我國在2012年正式上線百度百科數字博物館，在發展過程中不斷升級，目前已得到長足進步。

相比實體博物院，數字博物館需要使用計算機和相關硬件及軟件系統之間的發配，為觀眾呈現相應的內容，在實際應用過程中，能夠精準地對信息進行儲存、并根據實際信息進行調整，整體形象較為生動，易于傳播，具有較強的發展意義[2]。在對實際博物館藏品進行信息采集后，通過三維技術進行構建，有效提高對實際藏品的保護效果，通過網絡窗口能夠對藏品進行直接搜索，提高信息檢索效率，提高研究人員的實際研究效果。

現代化數字博物館在應用時，靈活利用AR和VR技術，使現實和虛擬之間的交互效果得到提升，為博物館觀眾提供更加良好的體驗，滿足使用者在足不出戶的情況下觀賞博物館的需求，為觀眾提供更加真實的虛擬博物館參觀體驗。

3 博物館中對AR和VR技術的應用

3.1 AR技術的應用

AR技術在數字博物館中應用的過程中，通過虛擬現實技術來幫助實現博物館虛擬化，使觀眾能夠通過網絡對虛擬博物館進行瀏覽、漫游和交互，深度對藏品進行分析和查詢。在構建虛擬博物館時，主要使用三維技術生成藏品圖形，研究人員對藏品進行三維數據測量，根據數據來構建相應的三維圖像。此時應加載計算機視覺技術，對圖形三維圖形進行調整，使虛擬三維圖片視覺效果更符合人眼觀察習慣，提高虛擬藏品圖像的實際觀賞效果。觀眾在對藏品進行瀏覽和觀賞的過程中，會從不同的角度對藏品進行觀察，為滿足用戶的需求，使虛擬的瀏覽體驗得到提升，此時應在虛擬系統中構建動態模擬系統，將其與三維圖形的數據庫進行連接，同時與用戶的操控系統進行對應連接，使圖像能夠根據用戶的視角移動方向展示相應觀察角度動態形象，在進一步加強人機互動的同時，提高虛擬現實效果。

在構建AR系統時，需要通過系統加強對不同技術的集成，如3D模型技術和模型標定技術以及合成技術等，完成對博物館的虛擬構建。在進行虛擬系統構建時，應明確最終目標，一方面為用戶展示博物館中相關藏品內容；另一方面加強用戶與虛擬場景之間的交互。在此需求下，首先對實際的博物館真實場景進行識別和數據調查，對現場的全面信息進行采集，同時對攝像機的坐標進行標記，對不同坐標下的攝像機采集信息進行識別和控制，豐富圖像庫存。將采集數據輸入到虛擬顯示系統，將真實的圖像與虛擬的場景進行結合，形成現實系統，為用戶展示博物館中藏品內容，實現對數字博物館的參觀。

3.2 VR技術的應用

VR技術在數字圖書館中的應用更多地體現在人機交互中，通過將虛擬和現實技術進行結合，通過三維技術的展示來促進完成互動，將現實與虛擬進行疊加，為觀眾提供更加良好的博物館瀏覽體驗。VR系統在實施過程中，需要在虛擬博物館不同藏品中進行坐標定位，根據不同虛擬坐標來對虛擬模型進行對應。在該過程中對虛擬藏品的位置和形象等進行識別和定位，并與真實三維圖片和攝像位置進行對照修整。在該階段中，通過VR技術來對虛擬場景進行調整，使其與虛擬攝像坐標進行對應，并將其與真實世界坐標進行對應。用戶在操作過程中，用戶可以進行信息交互，對某藏品進行控制使其現實化，通過控制VR系統，對虛擬中的藏品圖像進行處理，同時將虛擬空間坐標與現實世界坐標進行嵌入融合，使虛擬景象順利疊加在現實世界中，并將現實世界與虛擬景象結合的畫面回傳到現實設備中，實現現實增強效果，在該情況下，支持用戶與場景之間的互動，提高觀眾的參與感和體驗感。

在現實增強實現的過程中，主要應用以下技術：①顯示技術。該技術的主要應用目是對虛擬現實效果的增強，通過顯示技術使博物館中的展品更加真實地展示在觀眾的眼前，提高感知體驗效果。②三維技術。該技術在應用過程中，應加強對三維坐標的管理和識別效果[3]。加強三維坐標與現實環境中坐標的重合效果，有利于提高虛擬與現實環境之間的結合效果。③系統開發技術。在對數字博物館進行VR設計的過程中，為提高現實增強效果，需要靈活利用不同的系統開發工具，對虛擬藏品進行識別和控制，優化其在現實環境中的展示效果，從而提高整體的系統開發和展示作用。

3.3 技術集成應用設計

數字博物館在使用AR和VR技術集成的過程中，為提高整體的展示效果，應根據博物館的實際情況進行框架構建，從而便于進一步對內部的結構和功能進行完善。數字博物館在構建時，應為觀眾提供兩種瀏覽路徑。其一，單純的虛擬瀏覽，用戶選擇該方式時，可以通過網絡的入口對博物館中的不同展品進行搜索，或者通過不同分類進行瀏覽觀賞，在該情況下，支持通過直觀方式在計算機和手機中對藏品進行觀賞。用戶可以通過不同的視角進行觀看，并了解展品的相關信息。其二，在觀賞過程中加入信息交互，滿足用戶與虛擬博物館之間的互動。在該情況下，用戶一般需要借助專門的頭盔、眼鏡或其他的設備，幫助提高用戶的體驗感。在外部設備的幫助下，為其提供沉浸式博物館瀏覽體驗。用戶在AR和VR系統的輔助下，通過設備增加身臨其境的感覺，并且在沉浸式體驗中，能夠與虛擬的展品進行互動，滿足用戶的實際需求。

在對數字博物館虛擬現實系統進行框架設計的過程中，主要將系統分為兩個框架，一方面，針對移動設備的虛擬交互系統進行框架構建，結合需求設置虛擬引導、藏品展示以及說明功能，在瀏覽的過程中，可以選擇與虛擬藏品進行交互，同時觀看文字圖片或者播放語音說明等，提高對博物館藏品的了解。另一方面，針對虛擬現實技術進行設計，將框架分為藏品展示以及博物館環游等功能，在產品展示的過程中，能夠通過不同角度觀看瀏覽，同時允許相應的互動游戲。在虛擬環游的過程中，根據虛擬導向在虛擬世界中，對整個博物館進行游覽，從而提高整體的體驗效果。

4 未來數字博物館的發展趨勢

4.1 虛擬現實交互應用

現代化AR和VR技術的應用逐漸豐富，但發展仍受到一定的制約。受到硬件和軟件等計算機相關技術水平的影響，目前的虛擬現實交互應用水平仍然較低，觀眾的感官體驗有限。

為提高未來數字博物館的整體質量，在利用AR和VR技術的過程中，提高虛擬和現實之間的交互效果。如在虛擬世界中構建更為真實的場景，同時優化整體形象和圖片影響的視覺效果，使其在微觀角度仍能夠保持較為清晰且真實的效果，提高對博物館藏品的展示效果[4]。同時加強與博物館之間的互動效果。目前的互動中主要包括瀏覽引導和互動游戲，但受到技術的制約，互動游戲仍停留在表面。通過未來的發展，構建相應的體感設備，將觀眾投射到虛擬世界中，對虛擬環境中的博物館進行參觀，提高系統的沉浸效果，同時提高觀眾對藏品的了解效果。

4.2 設備升級管理

現代化背景下，AR和VR技術效果有一定提升，但在實際的應用過程中仍受到設備的限制。大部分博物館中缺乏精密度高的硬件，在實際的三維數據采集過程中，可能無法做到更加真實的還原效果，從而影響實際的展示效果。部分設備在缺乏系統運維的情況下，影響系統的實際運行效果，導致畫面無法與現實環境達到更好的匹配效果，影響觀眾的視覺體驗，并且容易造成眩暈感，不利于提高設備使用效果[5]。

為加快博物館設備升級效率，在實際的發展過程中，國家應加強支持效果，通過相關的政策指導以及資金投入等方式，加快博物館內部虛擬現實相關設備的更新，從而提高數字博物館的設備應用效果。

4.3 資源協調管理

在數字博物館進行虛擬現實構建的過程中，通過對不同技術資源的應用，構建完善的虛擬現實顯示系統。由于整體的操作需要專業人員對其進行全面的管理和操控，在博物館中缺乏足夠的專業人才，導致無法對博物館資源以及AR和VR技術資源進行有效協調和管理，最終影響整體的呈現效果[6]。

在數字博物館的未來發展過程中，其內部的相關數據和資源將會不斷增加，在應用過程中，提高對資源的協調管理技術，通過提高AR和VR技術，對資源應用效率進行提升，同時加強博物館與其他網絡熱門IP進行聯合，充分利用已有資源，完善博物館管理水平的同時，促進博物館的進一步發展。

5 結束語

綜上所述，在數字博物館設計與運營管理過程中，加強對AR和VR技術的應用，結合博物館的自身特點，構建恰當的虛擬現實框架，提高虛擬現實對博物館的實際體現效果，進一步融合發展不同的應用技術，使虛擬現實技術的使用效果得到有效提升，促進我國數字博物館的廣泛發展與提升[7]。