基于移動(dòng)終端，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于博物館展示的研究
——以馬王堆漢墓增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示為例

李旭杰

（天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院，天津 300131）

一、緒論

（一）AR技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動(dòng)終端設(shè)備的發(fā)展，不再局限于固定環(huán)境或大型設(shè)備，借助更加便利快捷、普及的移動(dòng)終端——手機(jī)加以實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以在平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重要意義。

（二）博物館展示的新技術(shù)需求

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類(lèi)文化遺產(chǎn)的實(shí)物，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，為參觀者提供學(xué)習(xí)、教育、娛樂(lè)服務(wù)的場(chǎng)所。提供高質(zhì)量的信息服務(wù)是博物館核心價(jià)值所在。

博物館展示通常是具有獨(dú)特的實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)的特征，但是依然需要新技術(shù)的融合與支撐。因?yàn)橛^眾隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信息獲取與體驗(yàn)的需求不斷提升，這就成為博物館發(fā)展的必然方向，現(xiàn)階段博物館建設(shè)及展示設(shè)計(jì)發(fā)展，整體呈現(xiàn)出積極導(dǎo)入數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、智能技術(shù)的趨勢(shì)特點(diǎn)。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在馬王堆漢墓展示中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）馬王堆漢墓展示現(xiàn)狀及問(wèn)題點(diǎn)分析

通過(guò)到湖南省博物館馬王堆漢墓展示現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)查研究，總結(jié)出如下分析結(jié)果：

1.展品展覽信息分散，不完整

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

2.展品脫離環(huán)境，體驗(yàn)感知不充分

文物脫離原有的墓穴環(huán)境，使得參觀者體驗(yàn)的臨場(chǎng)感大大降低。

（二）應(yīng)用方案的構(gòu)想與設(shè)計(jì)

以參觀者視角與需求為出發(fā)點(diǎn)，完成如下方案構(gòu)想與設(shè)計(jì)：參觀者使用自身攜帶的智能手機(jī)、平板電腦來(lái)到棺槨展示區(qū)，安裝程序，借助照相機(jī)的鏡頭，將其對(duì)準(zhǔn)墓穴的任意角度進(jìn)行觀看,如下圖所示。屏幕獲得現(xiàn)實(shí)墓穴中真實(shí)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(shè)計(jì)方案特點(diǎn)：1.補(bǔ)充展品缺失部分；2.展示文物空間關(guān)系及出土先后順序；3.豐富參觀體驗(yàn)；4.避免文物破壞。

方案設(shè)計(jì)示意圖

三、馬王堆漢墓增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示方案的實(shí)現(xiàn)

（一）技術(shù)路線

1. 三維虛擬場(chǎng)景模型制作技術(shù)

為了三維虛擬場(chǎng)景高仿真度實(shí)時(shí)渲染的呈現(xiàn)，運(yùn)用Maya軟件建立動(dòng)畫(huà)角色模型與場(chǎng)景模型的構(gòu)建，如下圖所示。

虛擬場(chǎng)景的三維模型

2. 圖像特征識(shí)別與匹配技術(shù)

圖像特征識(shí)別與匹配的技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)注冊(cè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，有兩種方法：人工標(biāo)記特征點(diǎn)方法和自然特征點(diǎn)提取方法。不能破壞文物原有的體貌，所以人工標(biāo)記特征的方法不適用，我們采取自然特征的匹配方法進(jìn)行圖片的識(shí)別跟蹤。

3. 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)

三維跟蹤技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)。常用的三維跟蹤注冊(cè)方法有兩類(lèi)：基于硬件（如陀螺儀、慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)等）跟蹤器的三維跟蹤技術(shù)與基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維跟蹤技術(shù)。本文將就計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維跟蹤技術(shù)如何應(yīng)用于馬王堆漢墓進(jìn)行展示。

（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

1.開(kāi)發(fā)環(huán)境與測(cè)試環(huán)境的設(shè)定

開(kāi)發(fā)環(huán)境：基于一臺(tái)硬件性能優(yōu)良的PC進(jìn)行開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的搭建，采用Unity 3D作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，Maya三維動(dòng)畫(huà)軟件作為虛擬場(chǎng)景制作環(huán)境，高通開(kāi)發(fā)的針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用Unity 3D中的開(kāi)發(fā)包Vuforia AR SDK作為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的具體實(shí)現(xiàn)工具包。

測(cè)試環(huán)境：以等比例縮小的木制實(shí)體棺槨模型為測(cè)試現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，不受自然光影響的前提下在其放置的空間環(huán)境中控制燈光照度及角度不變，測(cè)試過(guò)程中棺槨位置及其周?chē)h(huán)境不變。程序開(kāi)發(fā)基于Android 平臺(tái)的三星Galaxy Mega設(shè)備將系統(tǒng)升級(jí)為4.0以上版本。

2.實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景建模

為了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用呈現(xiàn)的效果與加載速度達(dá)到理想狀態(tài)，需要有效控制模型與貼圖。使用多邊形（Polygons）建模，選擇貼圖時(shí)，控制其分辨率不高于1024×1024dpi，可以較好地保證觀看畫(huà)面效果及模型的加載匹配速度。

3.實(shí)現(xiàn)圖像的采集與處理

本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)圖像采集的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Vuforia SDK增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具包中的Single Image和最新添加的3D Object模塊進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）棺槨的連續(xù)圖像采集：將置于現(xiàn)實(shí)空間中的棺槨模型進(jìn)行三維掃描，自動(dòng)將其分解為49個(gè)面進(jìn)行依次捕捉采集。掃描建模完成之后需測(cè)試捕捉的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，拖動(dòng)text中顯示綠色測(cè)試點(diǎn)后，其隨動(dòng)性的靈敏度表示捕捉效果優(yōu)良度。

（2）圖像特征點(diǎn)處理及三維注冊(cè)。將采集完成的目標(biāo)文件上傳至Add Target板塊中，目標(biāo)管理器進(jìn)行樣本分析，下載的樣本注冊(cè)矩陣信息Vuforia SDK通過(guò)Tracker及其子類(lèi)識(shí)別三維空間中能跟蹤監(jiān)測(cè)到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的棺槨目標(biāo)，當(dāng)前現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的圖像與樣本矩陣信息相匹配成功即對(duì)當(dāng)前現(xiàn)實(shí)圖像進(jìn)行跟蹤渲染，實(shí)現(xiàn)三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)。反之，則退出對(duì)當(dāng)前圖像的三維跟蹤渲染，重新加載識(shí)別。

4.實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景疊加

在工程文件中導(dǎo)入三維模型，工程文件的顯示界面中不能識(shí)別之前掃描完成的.ob文件具體圖像，在手動(dòng)調(diào)試導(dǎo)入的三維模型后，需生成手機(jī)APP，進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)虛擬模型與現(xiàn)實(shí)棺槨的空間關(guān)系、燈光模擬等，實(shí)現(xiàn)較好效果的虛實(shí)融合。

（三）應(yīng)用程序使用測(cè)試

將針對(duì)于三星Galaxy Mega手機(jī)Android4.2系統(tǒng)，生成的SDK文件導(dǎo)入手機(jī)，借助等比例縮放（1∶4）棺槨模型進(jìn)行模擬實(shí)際環(huán)境的使用測(cè)試：

1.當(dāng)取景器對(duì)準(zhǔn)真實(shí)棺槨場(chǎng)景時(shí)，目標(biāo)管理器對(duì)捕捉圖像進(jìn)行1~2秒分析匹配后，顯示屏即可呈現(xiàn)馬王堆漢墓增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果，對(duì)比未經(jīng)虛擬融合的真實(shí)場(chǎng)景，無(wú)縫疊加女尸及其陪葬品的虛擬三維模型后顯示圖像復(fù)原了出土?xí)r的場(chǎng)景，效果直觀、整體。

應(yīng)用測(cè)試效果圖

2. 模擬視角偏差，在不同角度、高度、遠(yuǎn)近距離進(jìn)行移動(dòng)過(guò)程中，手機(jī)始終保持對(duì)應(yīng)觀看點(diǎn)相應(yīng)的虛實(shí)結(jié)合圖像的顯示，觀眾可以在移動(dòng)中從不同角度持續(xù)觀看。

3.當(dāng)發(fā)生移動(dòng)速度過(guò)快，棺槨完全脫離取景器時(shí)，在任意停留位置重新取景測(cè)試，即可得到當(dāng)前位置增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之后虛、實(shí)場(chǎng)景融合效果，具有很好的實(shí)時(shí)性和應(yīng)變性。

4.模擬了博物館參觀過(guò)程中，展示棺槨被穿梭人群局部遮擋干擾的情況下，系統(tǒng)通過(guò)未遮擋區(qū)域進(jìn)行捕捉識(shí)別，通過(guò)空間固定關(guān)系的計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)加載追蹤完整的棺槨模型，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫疊加虛擬空間場(chǎng)景。并未對(duì)觀看過(guò)程造成圖像丟失或者畸形的不良影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)還存在不足之處，需要在后續(xù)工作中進(jìn)行修正與完善：

1.目前實(shí)驗(yàn)效果顯示虛擬三維模型缺少相對(duì)應(yīng)的陰影效果，當(dāng)與真實(shí)場(chǎng)景相融合后，光照雖然模擬近似，但未添加陰影效果會(huì)產(chǎn)生一定的割裂感。

2.由于該項(xiàng)目的虛擬場(chǎng)景需要放置嵌入真實(shí)場(chǎng)景的棺槨中，從不同角度觀看時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的遮擋，現(xiàn)階段測(cè)試效果并未滿(mǎn)足棺槨邊沿對(duì)內(nèi)置器皿的空間遮擋關(guān)系，觀看體驗(yàn)的真實(shí)度有待提高。

四、結(jié)論

該方案解決了原有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于攜帶等不足，以及附加設(shè)備的發(fā)放及返還的問(wèn)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(huán)境，體驗(yàn)感知不充分的問(wèn)題。通過(guò)最終的實(shí)體模型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該程序具有較穩(wěn)定的應(yīng)用性，在后續(xù)的研究中，可以探討添加展示內(nèi)容的動(dòng)態(tài)信息及輔助說(shuō)明等功能。該技術(shù)類(lèi)型的博物館展示應(yīng)用，必將會(huì)發(fā)展出更多的數(shù)字化展示。