博物館陳列展覽數字交互設計探討

摘 要：數字交互是博物館陳列展覽中觀眾與展品之間最直接的交流途徑，也是連接觀眾與展品的紐帶。文章簡單介紹了博物館陳列展覽數字交互設計的目的，分析了博物館陳列展覽數字交互設計框架，論述了博物館陳列展覽數字交互設計內容，包括寬視野立體顯示、跟蹤定向、三維建模等，并從虛擬現實漫游、增強現實交互、混合現實交互幾個方面對博物館陳列展覽數字交互設計實現做進一步探究，希望為博物館陳列展覽數字交互設計提供一些參考。

關鍵詞：博物館；陳列展覽；數字交互設計

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.02.021

在現代科技與信息媒體飛速發展的21世紀，數字媒體設施在各行各業得到了廣泛應用。在博物館陳列展覽交互設計中應用數字媒體設施，可以在提高博物館陳列展覽質量的同時促進觀眾與展廳互動，調動觀眾觀展積極性。因此，探討博物館陳列展覽數字交互設計方案具有非常突出的現實意義。

1 博物館陳列展覽數字交互設計目的

1.1 提供多元展覽方式

借助數字交互設計中的虛擬制作，開放文物交互式觀察端口，滿足參觀者細致觀察展品細節的要求，并收集參觀者觀看數據和意見，為下一步活動開展方案優化提供支撐①。

1.2 突破時間空間限制

一方面，借助數字交互設計，整合展品展示、講解內容，滿足多人同時在線欣賞、學習、討論，突破進場時間、參展時間等方面的限制；另一方面，借助數字交互設計中的VR全景技術，虛擬制作近似真實博物館的建筑結構，無限擴大主題場館，突破空間限制②。

1.3 降低展覽成本

借助數字交互設計中的超寫實渲染，將博物館陳列展覽的真實藏品轉化為數字數據，高度還原藏品本身材質效果，在突破藏品展示材質、材料、尺寸、年代等方面限制的同時，降低藏品保養、修復成本。

2 博物館陳列展覽數字交互設計框架

博物館陳列展覽數字交互設計是基于虛擬現實沉浸感與增強現實交互的增強交互、虛擬漫游多部分開發③。因數字交互場景非真實存在，需借助計算機構建虛擬場景，相關場景可與感知設備相聯系，以便觀眾經外部工具獲取場景信息。設計框架如圖1所示。

完整的博物館陳列展覽數字交互設計框架需根據空間環境交互需要，根據博物館陳列展覽專題設定場景。搭建場景后，開發觀眾多方位移動漫游模塊，包括向前移動、向后移動、向左移動、向右移動等，移動漫游模塊與鼠標或頭盔直接相連。虛擬漫游后，觀眾可以點擊按鈕切換交互模式。在增強交互模式下，系統開啟攝像頭捕捉場景初始識別圖像，經計算機視覺跟蹤注冊技術進行攝像機位置姿態數據核算，并持續將位置姿態數據傳遞給輸出渲染模塊，以便虛擬展品在真實場景內的順利加載④。

3 博物館陳列展覽數字交互設計內容

3.1 寬視野立體顯示

寬視野立體顯示是在透鏡陣列三維顯示基礎上的相應子像素陣列設計，將多臺投影機畫面無縫智能拼接成完整、色彩一致、同步的大規模、高分辨率、寬視角顯示，顯示驅動為一套虛擬現實驅動系統，可實時顯示高性能二維/三維圖形。寬視野立體顯示裝置由一層傾斜微透鏡陣列、分布于微透鏡陣列后一層傾斜子像素陣列構成，子像素陣列內相鄰兩行像素之間錯位相同，水平方向上每一個傾斜微透鏡等效節寬度為2mm，子像素陣列利用RGB像素依次間隔排列，第一行像素順序循環排列紅色、綠色、藍色像素，第二行像素循環排列綠色、藍色、紅色像素，第三行像素循環排列藍色、紅色、綠色像素，有序循環。對應32寸16K分辨率顯示設備內每一個子像素水平寬度為0.01mm，水平方向設置200視點，視場角達到150°。此時，在相鄰子像素圖像元對應針孔重建三維圖像后，每一個圖像元成像區域均處于最佳觀看距離位置重合，且其發出光線不會干擾與圖像元相鄰圖像元重建三維圖像，具體關系如下：

式（1）中，q為子像素圖像元寬度；i為最佳觀看距離；g為顯示屏與針孔陣列間距；p為針孔節距；w為針孔孔徑寬度。

3.2 虛擬場景跟蹤定向

3.2.1 三維定向

三維定向是博物館陳列展覽數字交互設計的重要內容，主要是在待掃描物體周邊布置兩個掃描點，確定兩個掃描點的坐標，在其中一點安置掃描儀，另外一點安置定向特征標識，定向前計算定向標識，便于定向后掃描數據處理，確定掃描主光軸水平面投影線與兩點連線之間夾角，并根據坐標值計算兩點連線方位角，確定三維主光軸方位角。進而根據目標物反射率，確定目標物表面點云數據三維影像圖，影像圖中每一點灰度值均與對應點目標物反射率成正比⑤。在點云數據三維影像圖內，借助反射膜規劃定向標識，輸出環狀反射膜。在環狀反射膜內，定向標識中心坐標為三維，其中Z坐標正方向對應三維掃描水平向前，定向標識高度與三維掃描高度相同。此時，提取定向標識表面點云數據Z坐標，根據定向標識中心Z坐標平均值進行點云數據平面投影，促使三維點云數據轉化為二維點云數據。在獲得二維點云數據后，根據圖像處理技術擬合標識環外緣，輸出定向標識坐標，為實時跟蹤提供依據。

3.2.2 實時跟蹤

實時跟蹤是基于博物館陳列展覽藏品的三維模型輪廓特征，設定目標區域為1、背景區域為0，以投影圖像與輸入圖像之間匹配對為核心，借助定點與三角面片的數據格式，集成剛體運動的旋轉矩陣、平移向量以及面片對應投影區域，構建輪廓部件模型，促使目標三維模型的每一個定點均投影到圖像上。

依據局部輪廓辨識度進行若干局部輪廓段的分割。對于每一局部輪廓段，以相位匹配準則為依據，在梯度域構建二維－三維對應。一般應用3×3的Sobel算子求解二值圖像、輸入圖像對應梯度圖，針對每一個輪廓段提前設定輪廓段對應圖像子塊、輸入圖像待匹配子塊、梯度向量與圖像坐標系正方向夾角、像素點梯度向量，實現以余弦與準則為基礎的梯度相位匹配。

確定二維、三維對應后，借助剛體目標各部件幾何關系，將實時輸入圖像中目標外圍周邊梯度錯誤匹配對消除，并借助原始二值圖像子塊對應梯度幅值進行匹配準則加權，確保剛體目標位置姿態跟蹤過程中各部件之間相對幾何位置固定。隨后以二維－三維匹配對為基礎，經RPNP算法進行三維目標物位置姿態參數的迭代求解，直至整個過程收斂，最終實現序列圖像目標位置姿態的實時無漂移跟蹤。

3.3 觸覺力覺反饋

觸覺力覺反饋是借助現代化技術手段，將虛擬物體空間運動轉變為特殊設備運動，促使用戶經特殊設備獲得真實力度感、方向感，并在人機交互界面感覺到博物館展品表面紋理，并看到藏品整體，了解藏品質量、溫度等。其中觸覺反饋涵蓋多種觸摸反饋信息，即觀眾與博物館陳列展覽藏品“接觸”所獲得的觸摸感、振動感、壓制感、刺痛感等。作為作用于觀眾皮膚表面的力，觸摸反饋側重于觀眾微觀感覺，如對博物館陳列展覽藏品表面質地、粗糙程度、形狀、紋理的感覺等；力學反饋主要是借助作用力和反作用力原理，在增強現實系統中打造高度沉浸氛圍，多視角傳遞力度、方向信息⑥。力學反饋涵蓋全部力量反饋產生感知信息，主要作用于觀眾關節、肌肉、肌腱等部位，側重于觀眾宏觀整體感受，特別是觀眾手指、手臂、手腕對博物館陳列展覽藏品重量、整體形狀的感受等。

博物館陳列展覽數字交互設計中的觸覺力覺反饋設計可以基于增強現實的力覺反饋、運動感知為重點，將多力覺系統設定為骨架形式，在檢測方位的同時生成移動阻力、有效抵抗阻力。隨后收集參觀展覽過程中觀眾人體姿態、面部表情、生理指標（血壓、呼吸、心律）、語音語調等信息并判斷觀眾情感。根據觀眾情感，借鑒TESLASUIT電觸覺反饋，恰當連接觀眾接收觸覺、力覺反饋與基于計算機開發電子設備，并經電流、電壓、波形、電機尺寸、水合作用等智能計算模擬展品壓力、重量等物理屬性，促進觀眾與博物館展覽空間有效情感交互，削弱人機界面感，緩解觀眾在參觀博物館陳列展覽過程中疲勞感。

3.4 三維模型構建

三維模型構建是博物館陳列展覽數字交互設計的重中之重⑦。在三維模型構建時，可以綜合利用三維激光掃描、攝像測量技術，以HeroScan手持掃描儀與FARO大空間激光掃描儀、智圖云移動推車掃描系統為支撐，全面采集博物館陳列展覽產品的空間、影像、紋理數據，高精度永久保存展品信息，滿足觀眾近距離720°欣賞展品要求。以高淳博物館“耕讀傳家-館藏名人字畫展”“剪·彩-館藏民間藝術家傅山河剪紙作品展”數字交互展覽為例，博物館利用三維數字化技術，經互聯網平臺CMS數字管理系統、數字陳列展覽系統編輯處理時輸入內容，構建館藏名人字畫、剪紙作品三維模型，并在實景內加入快速導覽、全景漫游、熱點等功能，促使景觀三維模型動態化、三維化、數字化，更具觀賞性。

在單個展品三維模型構建的基礎上，設計者可借鑒場景空間類型表述經驗，利用單元式（或節點式）完整敘事情節空間代替線性游覽路徑，各個空間相對獨立，允許觀眾根據個人興趣選擇內容，提升三維虛擬場景沉浸感。

4 博物館陳列展覽數字交互設計實現

4.1 實現環境

博物館陳列展覽數字交互設計實現環境主要是基于Windows操作系統，處理器為Inter（R）Core（TM）i7-10700 CPU@2.90GHz，內存為16GB，64位操作系統含WDDM1.0驅動程序，硬盤空間為40GB（64位）。在顯卡為DirectX10時，利用Java語言基于Windows10開發博物館數字交互軟件。軟件引擎為Unity3D，三維模型創作軟件為3D Max（或Maya軟件），輸出格式為.fbx。在將三維模型輸入虛擬引擎后，綜合利用數據庫調用技術、圖片標識技術、網絡傳輸技術，在觀眾、展品之間搭建交互環境⑧。同時借助Java程序編譯語言設置計算機指令，滿足VR（Virtual Reality，虛擬現實）、AR（Augmented Reality，增強現實）、MR（Mixed Reality，混合現實）之間的切換要求，以便觀眾經顯示終端實現數字交互系統的虛擬漫游。

4.2 實現功能

4.2.1 虛擬現實漫游

在寬視野立體顯示技術、跟蹤定向技術與觸覺和力覺反饋技術的支持下，經語音、手柄或動作傳達指令，實現虛擬漫游。虛擬漫游場景模型均為3Dmax的Export Selected模式搭建模型，文物三維模型則為Maya創建模型，最終導出為.fbx格式文件在Unity平臺Assets文件夾下，調整坐標系方位與單位比例，單位為Metres。同時借助平臺自帶Material、Shader進行三維顏色、材質設置。完成三維模型的材質與顏色設置后，利用Mesh Collider組件為全部墻體與地面添加碰撞屬性，避免出現人物角色穿透建筑物的虛假感，并從第一人稱視角加入漫游交互，滿足基于計算機命令控制手柄鍵的觀眾場景自由漫游。

4.2.2 增強現實交互

增強現實交互是真實環境疊加虛擬內容的交互，可以再現鮮活歷史，滿足觀眾交互愿望⑨。增強現實交互實現的前提是注冊AR核心技術，經AKAZE算法開發整合Vuforia SDK，對圖片、文本、物體和標記進行識別、追蹤。同時創設AR Camera，采集平面圖像、展品信息，將信息上傳到Vuforia平臺與網絡端Database。隨后將Image Target標識添加至圖片，經Unity引擎Inspector窗口選項粘貼License Key并關聯其與Database內圖片，形成網絡數據端鏈接。在Hierachy窗口Image Target下導入Prefabs，進行模型位置、大小、角度的調整，并借助Java語言交互預設.exe格式程序至移動端，將現實中二維（或三維）物體設定為Marker。在觀眾選擇AR交互模塊，經AR眼鏡（或移動智能終端）攝像頭識別Marker，并在匹配所采集信息、網絡Database內圖片基礎上，借助Pose Estimation插件評估Marker姿態與位置。隨后將評估結果反饋至增強工作站，由增強工作站分析信息，并將Marker在現實場景內中心作為原點構建模板坐標系，明確模板坐標系、屏幕坐標系之間的映射關系。在坐標系一定的情況下，設定手柄漫游功能屬性（表1），對位匹配虛擬信息、現實場景信息，確保虛擬物體大小、位置、運動路徑與現實環境完美匹配，最終在現實終端疊加呈現三維虛擬模型與真實世界。

4.2.3 混合現實交互

混合現實交互是虛擬現實沉浸性與增強現實交互性的集成，本質上是虛擬現實功能與增強現實輸出的疊加。即在三維建模技術支持下，以虛擬數字化形式將照片整體架構、內部細節與現實世界融合，經多傳感器融合技術進行照片細節的放大或縮小，并借助三維定向技術、實時跟蹤技術進行展品的360°展示，促使展品在真實世界活起來、展品所在場景動起來、字畫人物走出來，有效拓展現有博物館陳列展覽空間、展品內涵，避免因觀眾角度、位置變化而出現展品形態扭曲。

在啟動MR+陳列展覽數字交互模式后，系統立即調用三維注冊算法，合并現實世界與虛擬世界信息，確保虛擬空間內信息與真實世界同步。此時，佩戴操控手柄、HoloLens眼鏡、HTC VIVE頭顯的觀眾可在虛擬博物館視景內以720度視角進行前后、左右方向漫游，并可借助手柄操控抓取數字展品觀看。

5 總結

綜上所述，設計人員應立足博物館陳列展覽主題與形式，全方位考察參觀者的行為習慣、情感需求，探索多感官、立體化、多層次的數字交互框架。在框架內，綜合利用寬視野立體顯示技術、跟蹤定向技術、三維建模技術與觸覺、力覺反饋技術，打造虛擬現實、增強現實、混合現實交互場景，顛覆傳統博物館陳列展覽設計模式，給予觀眾更為豐富的觀展體驗，促進博物館陳列展覽信息的高效率傳播。

注釋

①鄧南茜，劉佳麗，戴婧欣，等.交互體驗設計在兒童博物館應用效果的實證研究：以上海兒童博物館為研究對象[J].東方收藏，2022（12）：70-73.

②孟宇.淺析國內博物館陳列展覽中交互設計的運用[J].大慶社會科學，2023（2）：114-117.

③楊雯.麗江東巴文化數字化村落博物館概念設計：以麗江大東鄉為例[J].中國民族美術，2022（2）：28-33.

④唐梵婷.交互設計在博物館展覽形式中的創新性應用[J].收藏與投資，2022，13（6）：128-130.

⑤柴秋霞，鄧又溪，郭振.人工智能應用趨勢下的博物館展覽交互敘事[J].博物院，2023（3）：24-29.

⑥馮祎然，霍發仁.兒童數字博物館交互界面情感化設計研究：以故宮博物院青少網站為例[J].設計，2023，36（11）：50-53.

⑦楊芳圓，蔡青青.基于Unity3D平臺的VR黃酒博物館漫游交互系統開發[J].電視技術，2022，46（8）：26-28.

⑧呂美玉，張欣羽.基于情感體驗的中國傘博物館交互設計研究[J].工業設計，2022（5）：113-115.

⑨廖瑋，辛梓綺，張恒，等.博物館數字化產品界面交互設計研究：以河北博物館為例[J].鞋類工藝與設計，2023，3（8）：176-178.