VR、AR技術(shù)在智慧博物館中的應(yīng)用

馬騰飛

摘要：當(dāng)代社會迅猛發(fā)展的數(shù)字技術(shù)，給博物館注入了新的活力。本文在分析數(shù)字展示技術(shù)在博物館實體展覽和虛擬展覽中的應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，將幾種常用的展示技術(shù)進(jìn)行對比，討論了數(shù)字展示與傳統(tǒng)展示的優(yōu)劣，進(jìn)而提出了運(yùn)用數(shù)字展示技術(shù)的原則。

關(guān)鍵詞：數(shù)字展示技術(shù)；博物館展覽；增強(qiáng)現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實

1引言

近年來，人們開始對文化的需求呈現(xiàn)出與日俱增的態(tài)勢，博物館作為人類認(rèn)知文明的重要場所，館藏展品的展示方式一直備受關(guān)注。傳統(tǒng)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(tài)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(xì)節(jié)特征。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實（AugmentReality，AR）交互式展示方式得到了更多人的青睞，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)探索及應(yīng)用研究。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1系統(tǒng)框架

AR-VR博物館展覽互動系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感以及增強(qiáng)現(xiàn)實的交互感提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統(tǒng)一共分兩個模塊，分別是博物館虛擬漫游模塊和增強(qiáng)交互模塊，博物館虛擬漫游模塊使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，虛擬的模擬博物館內(nèi)外場景，把客觀上并不存在的景物，運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)，在用戶眼前生成一個虛擬的環(huán)境，使人感到沉浸在虛擬博物館場景中。而增強(qiáng)交互模塊基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，通過攝像頭采集場景視頻，采用計算機(jī)視覺跟蹤注冊方法根據(jù)真實場景中的人工標(biāo)志物信息進(jìn)行跟蹤注冊，將虛擬信息疊加在真實場景中，以增強(qiáng)展品信息展示。

2.2虛擬漫游模塊開發(fā)

博物館展覽互動系統(tǒng)中虛擬漫游模塊開發(fā)基于Unity3D平臺、Unity3D是由UnityTechnologies公司開發(fā)的一款綜合性交互式開發(fā)平臺，擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，可以結(jié)合一些增強(qiáng)現(xiàn)實開發(fā)工具，來實現(xiàn)虛實疊加人機(jī)交互功能，也可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)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(fā)布為.fbx格式文件，接下來將.fbx文件直接導(dǎo)入Unity3D中構(gòu)建虛擬博物館場景。

2.2.1虛擬場景構(gòu)建

虛擬博物館場景模型制作是虛擬現(xiàn)實漫游模塊開發(fā)中非常重要的組成部分，因為模型的質(zhì)量決定了虛擬場景搭建后的效果，與博物館漫游系統(tǒng)的體驗效果直接相關(guān)。在本文中，所有博物館建筑均采用3dsMax建模軟件實現(xiàn)，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(tǒng)運(yùn)行速度問題。

因此，采用精細(xì)建模和簡單建模相結(jié)合的方式構(gòu)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(fù)雜模型，像博物館內(nèi)陳設(shè)、展品等，這種模型制作要求非常精細(xì)，做建模時要適當(dāng)保留細(xì)節(jié)。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(xiàn)三維效果。模型的制作也有很多的規(guī)范，在考慮到系統(tǒng)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(chǔ)上，必須要減少模型的面數(shù)和分段數(shù)，刪除模型相交處隱形的面數(shù)，單個模型面數(shù)最多不能超過1000，否則場景中復(fù)雜模型過多，會影響系統(tǒng)的運(yùn)行，從而通過對整個場景中模型的優(yōu)化來達(dá)到最終的效果。貼圖方面，本文使用高清數(shù)碼相機(jī)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(dāng)博物館場景搭建完成后，導(dǎo)入Unity平臺，通過加入虛擬漫游交互功能，可以實現(xiàn)體驗者在博物館場景中進(jìn)行虛擬漫游，體驗者通過上下左右鍵進(jìn)行前后左右行走，也可以通過頭戴設(shè)備進(jìn)行視角轉(zhuǎn)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(qiáng)交互模塊開發(fā)

同VR技術(shù)相比，AR技術(shù)可以使博物館導(dǎo)覽系統(tǒng)創(chuàng)造更豐富的互動方式，因為AR技術(shù)可以在真實世界中疊加虛擬信息，因此可以增強(qiáng)真實世界的物體和環(huán)境等方面。增強(qiáng)交互模塊開發(fā)主要分三步進(jìn)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(biāo)志進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)切換到增強(qiáng)交互模塊后，攝像頭被立即打開，實時采集博物館中的環(huán)境，并生成一系列的真實場景圖像，供系統(tǒng)跟蹤注冊模塊進(jìn)行調(diào)用。

2.3.2基于計算機(jī)視覺的跟蹤注冊技術(shù)

跟蹤注冊是增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，目前的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中，主要有兩大類跟蹤注冊技術(shù)，一類是基于計算機(jī)視覺跟蹤注冊；另一類是利用設(shè)備中的傳感器、GPS進(jìn)行硬件跟蹤注冊?；谟嬎銠C(jī)視覺的跟蹤注冊方式按照系統(tǒng)是否使用人工標(biāo)記來區(qū)分，分為使用人工標(biāo)記增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)和沒有使用人工標(biāo)記的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)?；谌斯?biāo)記的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M模型準(zhǔn)確定位到真實世界，并最大限度地實現(xiàn)虛實之間的無縫融合，具有快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點，可以快速從復(fù)雜的真實環(huán)境中檢測出人工標(biāo)記且對硬件配置要求不高。

2.3.3虛實疊加處理

經(jīng)過跟蹤注冊步驟后，則獲得了攝像機(jī)位姿，此時將攝像頭所拍攝的室內(nèi)環(huán)境視頻流圖像與生成的虛擬文物信息進(jìn)行實時融合，形成增強(qiáng)現(xiàn)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(nèi)場景與虛擬信息相融合的逼真效果。本文增強(qiáng)現(xiàn)實交互模塊開發(fā)采用VuforiaSDK實現(xiàn)。VuforiaSDK是一個功能強(qiáng)大的增強(qiáng)現(xiàn)實開發(fā)工具包，在Java、C++和.NET語言中提供了API接口，并擴(kuò)展至Unity3D中。

2.4顯示技術(shù)

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，VR系統(tǒng)顯示設(shè)備在不斷進(jìn)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(tǒng)采用OculusRiftDK2虛擬顯示設(shè)備。DK2是Oculus公司在2014年推出的虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備，分辨率達(dá)到1920×1080，根據(jù)體驗者的反饋來看，DK2的顯示效果非常理想。AR系統(tǒng)主要是呈現(xiàn)物體的三維詳細(xì)信息，應(yīng)該以輕巧靈便為系統(tǒng)設(shè)計原則，所以本文中AR系統(tǒng)采用基于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)屏幕作為AR系統(tǒng)顯示設(shè)備，簡單便攜，可以不受展覽環(huán)境的限制，擁有更加豐富的使用范圍。

2.5人與空間環(huán)境的交互

人與空間環(huán)境的交互采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)。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(fā)展流傳歷史。通過Unity3D平臺構(gòu)建虛擬三維博物館，參觀者以第一人稱視角，在場景中進(jìn)行漫游了解展品的詳細(xì)信息。當(dāng)用戶點擊屏幕左側(cè)上方的AR按鈕后，VR場景立即切換到AR互動界面。

3結(jié)語

虛擬漫游使參觀者沉浸在博物館營造的空間環(huán)境中，周圍的展品烘托出濃厚的文化氛圍，突出表現(xiàn)特定的場景中觀眾與展品的“對話和交流”。比起傳統(tǒng)的交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合可以使可視化效果更逼真，在參觀過程中能夠調(diào)動參觀者的積極性，動態(tài)地展示展品信息，啟發(fā)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(xiàn)更深層次的交互體驗。在未來的研究中，可以將增強(qiáng)現(xiàn)實識別能力作為研究重點，實現(xiàn)云服務(wù)和移動增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[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）