基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的博物館動(dòng)態(tài)展示應(yīng)用
——以桂林博物館為例

朱 葉

（桂林電子科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣西 桂林 450305）

引言

博物館展示了國(guó)家和地區(qū)的歷史背景、綜合實(shí)力和文明程度，是促進(jìn)文化知識(shí)、增加大眾內(nèi)涵的非營(yíng)利性機(jī)構(gòu)。在新興信息經(jīng)濟(jì)和新型數(shù)字技術(shù)的多重驅(qū)動(dòng)下，博物館一直在進(jìn)行著數(shù)字化的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，我國(guó)博物館的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了從“傳統(tǒng)博物館——數(shù)字博物館——智慧博物館”的轉(zhuǎn)變：傳統(tǒng)博物館注重文物本身的展示，展示藏品的手段以實(shí)物陳列和圖文展板為主；數(shù)字博物館使用三維建模、虛擬仿真等數(shù)字技術(shù)把實(shí)體博物館的藏品轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)資源，將實(shí)體博物館以全景的形式、將展品以三維模型的形式呈現(xiàn)于線上虛擬展館，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨時(shí)間、跨地域傳播；智慧博物館則是在線下博物館中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，以社會(huì)公眾的服務(wù)需求為引領(lǐng)，以實(shí)體博物館的核心業(yè)務(wù)為主導(dǎo)，促成“物、人、數(shù)據(jù)”三者之間的信息交互模式。其中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，以下簡(jiǎn)稱AR）是一種將現(xiàn)實(shí)世界情景和數(shù)字虛擬信息無(wú)縫集成的技術(shù)，它通過(guò)利用各種數(shù)字技術(shù)將模擬仿真的虛擬信息疊加到真實(shí)世界，從而讓人類達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，在智慧博物館應(yīng)用場(chǎng)景中潛力巨大。

在個(gè)性化的文旅時(shí)代，博物館中充滿創(chuàng)意的AR應(yīng)用更加符合受眾深入體驗(yàn)、深度探索的文旅需求，AR應(yīng)用具備創(chuàng)新互動(dòng)、參與體驗(yàn)的特性，能夠?qū)Ρ就敛┪镳^進(jìn)行數(shù)字化應(yīng)用的重塑與升級(jí)。本文以桂林博物館作為研究的核心案例，利用Unity游戲引擎和ARKit技術(shù)框架，在移動(dòng)終端上制作“梅瓶風(fēng)韻”AR應(yīng)用，滿足用戶的個(gè)性化游覽需求，讓受眾在虛實(shí)交融的情境下主動(dòng)思考、參與互動(dòng)、寓教于樂(lè)。

一、博物館AR應(yīng)用研究背景

（一）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將虛擬空間與現(xiàn)實(shí)世界整合為一體的技術(shù)，能完成現(xiàn)實(shí)和虛擬空間的有效互動(dòng)，虛擬空間的信息可以對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的物體進(jìn)行反饋和強(qiáng)化，加深用戶對(duì)真實(shí)空間的理解。Milgram和Kishino提出了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的相關(guān)理論即“現(xiàn)實(shí)——虛擬連續(xù)體”，他們認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處于現(xiàn)實(shí)和虛擬之間。Azuma的研究表明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)該包括三個(gè)關(guān)鍵部分，即虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互和注冊(cè)跟蹤。過(guò)去博物館中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要依附于計(jì)算機(jī)與輔助設(shè)備，受到設(shè)備和空間的限制，游客在游覽過(guò)程中無(wú)法隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)AR導(dǎo)覽、AR實(shí)景掃描等互動(dòng)行為?，F(xiàn)如今手持智能設(shè)備已具備一定的圖像處理能力和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作能力，還擁有巨大的用戶基數(shù)，且隨著ARKit、ARCore、SenseAR等軟件工具包的不斷涌現(xiàn)，開發(fā)者可以方便快捷地在移動(dòng)設(shè)備上制作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，所以手持智能設(shè)備是目前AR應(yīng)用的主要載體。

（二）AR在博物館應(yīng)用的典例

在國(guó)家文物局給出的博物館等級(jí)名錄中，建設(shè)有線上數(shù)字博物館的約占百分之六左右，包含3D數(shù)字漫游的約占總數(shù)目的百分之四。博物館作為文化的重要傳播媒介，其展藏方式一直在經(jīng)歷著數(shù)字化的革新，但近幾年線上數(shù)字博物館展陳的弊端初顯，線上數(shù)字博物館所提供信息的真實(shí)性、交互性和現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感與實(shí)體博物館存在巨大的差異。利用AR技術(shù)虛實(shí)結(jié)合的特性為博物館制作動(dòng)態(tài)交互的AR應(yīng)用，打造線上線下聯(lián)動(dòng)的博物館體系，將是未來(lái)智慧博物館發(fā)展的新興趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)對(duì)AR博物館的建設(shè)探索剛起步，相關(guān)研究還未成體系，只涌現(xiàn)了少數(shù)的博物館AR應(yīng)用的優(yōu)秀典例。如王涌天等利用AR重建了觀水法、海晏堂等圓明園古建筑；Kenerdine為了保護(hù)壁畫不被破壞，利用AR重現(xiàn)了莫高窟景象；新安智慧旅游APP打造了AR形象大使“黛眉”，游客可以在屏幕中看到立體的“黛眉”講解“絲路漢關(guān)，山水新安”的景區(qū)特色，這種新奇的互動(dòng)體驗(yàn)成功地營(yíng)造出新安的IP文化形象。用戶掃描陜西歷史博物館的文物卡片會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)文物的三維模型，軟件還配有聲音和文字說(shuō)明，新奇的展示效果和新穎的互動(dòng)模式讓用戶對(duì)文物歷史有很深的印象。

（三）AR在博物館應(yīng)用的意義

（1）豐富藏品展示形式，深挖文化內(nèi)涵特色，促進(jìn)博物館數(shù)字化升級(jí)。博物館作為文化梳理與文化延續(xù)的重要場(chǎng)所，是文化輸出的重要陣地與有效媒介，但現(xiàn)如今，博物館的發(fā)展不再局限于將割裂的文物進(jìn)行擺放與堆砌，或延伸線上、打造虛擬展廳，而要根植于本土地域文化，研究地方特色、提煉文化要素，進(jìn)而利用數(shù)字技術(shù)做創(chuàng)意的“杠桿”、去撬動(dòng)博物館的生命力與生產(chǎn)力，融合文化內(nèi)容與技術(shù)形式，讓受眾能充分探索文物動(dòng)態(tài)信息、解讀厚重的歷史文化，在濃郁的歷史氛圍中領(lǐng)略傳承悠遠(yuǎn)的古老文明。

（2）受眾由“被動(dòng)接受”轉(zhuǎn)為“雙向互動(dòng)”，打破單一輸出格局，促進(jìn)文旅產(chǎn)業(yè)發(fā)展。現(xiàn)如今博物館成為熱門的文旅目的地，但不論是傳統(tǒng)文物展示還是數(shù)字博物館都幾乎是單向的信息傳遞模式，互動(dòng)性和趣味性不足。受眾的知識(shí)水平與知識(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，對(duì)博物館的展陳內(nèi)容、手段效果都隨之有了更高的要求，博物館觀眾渴望參與、需要思考、注重?cái)?shù)字媒體的互動(dòng)性帶來(lái)的體驗(yàn)感，而不是填鴨式的被動(dòng)接受知識(shí)、單向接受教育。因此，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)打造特色鮮明、實(shí)時(shí)交互的博物館AR應(yīng)用，滿足受眾個(gè)性化、差異化的需求，形成雙向互動(dòng)的虛擬體驗(yàn)格局變得尤為重要。

二、“梅瓶風(fēng)韻”桂林博物館AR應(yīng)用開發(fā)

（一）桂林博物館用戶需求分析

桂林博物館以桂林明代出土梅瓶、桂林歷史文物、廣西少數(shù)民族文物等為館藏特色，是展示桂林對(duì)外文化交流的重要窗口。桂林博物館官方采用線上、線下的問(wèn)卷形式對(duì)2019年度游客進(jìn)行調(diào)研，由官方數(shù)據(jù)可得出游客觀展的基礎(chǔ)資料信息、觀展時(shí)的興趣偏好信息與觀展后的意見與建議。

（1）對(duì)游客觀展前的基礎(chǔ)信息分析可得，參觀者群體趨向年輕化，對(duì)AR這種新興技術(shù)接受度會(huì)較高。在參觀博物館的客群中，26-45歲的游客占比48.28%，18-25歲的游客占比19.79%，雖然26-45歲游客為主要用戶群，但已婚有孩子的游客占游客總數(shù)的44.32%，他們的參觀目的大多是增強(qiáng)對(duì)孩子的歷史文化教育。

（2）對(duì)游客觀展中的興趣偏好分析可得，參觀者在觀展時(shí)注重對(duì)歷史文化知識(shí)的探求，喜愛講述桂林歷史和民俗文化的展廳，AR應(yīng)用應(yīng)加強(qiáng)對(duì)文化知識(shí)的講解。首先，38.92%的游客是為了觀察、了解文物而參觀桂林博物館，24.65%的觀眾是為了學(xué)習(xí)歷史而參觀；其次，在2019年度觀眾留言里排名前十的詞頻條目中，“歷史”出現(xiàn)了162次、“文化”出現(xiàn)了128次，說(shuō)明游客在桂林博物館中比較傾向獲取有關(guān)歷史文化的知識(shí)。

（3）綜合了游客觀展后的意見與建議可得，近半數(shù)觀眾認(rèn)為桂林博物館講解服務(wù)不到位，應(yīng)豐富藏品的展示形式，提升展示的附加價(jià)值。36.53%的游客表示不了解有講解員講解服務(wù)，24.80%的游客不清楚講解員講解服務(wù)的具體時(shí)間、講解方式等；且有115名觀眾明確提出需要改善講解員講解服務(wù)。

（二） “梅瓶風(fēng)韻”AR應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)

桂林博物館館藏有數(shù)量眾多、品種豐富的梅瓶，大致有十二種器型和三十種紋飾，被贊譽(yù)為“梅瓶之鄉(xiāng)，桂林一絕”。館中梅瓶均采用櫥窗放置的展示方式，展品下方僅放有介紹時(shí)代和尺寸的展牌，參觀者可以掃描二維碼看相應(yīng)的文字說(shuō)明和語(yǔ)音解說(shuō)，但對(duì)不同文物反復(fù)掃描與跳轉(zhuǎn)的過(guò)程會(huì)讓用戶產(chǎn)生疲憊感，所以針對(duì)梅瓶的講解與展示進(jìn)行“梅瓶風(fēng)韻”AR應(yīng)用的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

AR系統(tǒng)的原理是通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)現(xiàn)虛擬物體的配準(zhǔn)，通過(guò)顯示設(shè)備呈現(xiàn)虛實(shí)融合的景象，通過(guò)實(shí)時(shí)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)與虛擬系統(tǒng)的互動(dòng)。其中，ARKit是蘋果于2017年在WWDC推出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，已具備許多顯著優(yōu)勢(shì)和前沿特性，可以實(shí)現(xiàn)2D圖片識(shí)別、3D物體追蹤、人臉檢測(cè)等功能，所以本文基于ARKit軟件開發(fā)包，使用Unity3D中的ARFondation框架來(lái)制作移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件。

通過(guò)梅瓶圖像與文字說(shuō)明等梅瓶資料分析梅瓶紋樣特點(diǎn)，根據(jù)紋樣承載的文化內(nèi)涵設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)效果，如以“青花嬰戲圖梅瓶”為例，這件梅瓶的主題圖案描繪了古時(shí)兒童嬉戲玩耍的場(chǎng)面，圖中左側(cè)的孩童手持小旗、牽馬開道，中間的孩童跨騎木馬、揚(yáng)鞭追趕，他身后的孩童執(zhí)荷葉作為遮陽(yáng)傘蓋，右側(cè)的孩童手持蓮花作權(quán)杖隨行，圖中包含李白《長(zhǎng)干行》中的“竹馬”，有“連生貴子”“郎騎竹馬來(lái)”等寓意（源自桂林博物館官方釋義），依據(jù)梅瓶紋樣的內(nèi)涵來(lái)設(shè)計(jì)紋樣的動(dòng)態(tài)效果，并使用Particle System適當(dāng)加入粒子特效。

首先，將梅瓶圖片在PhotoShop中分離出需要制作動(dòng)效的紋樣圖層，如小旗、荷葉蓋、蓮花、騎竹馬的孩童等紋樣圖案，存儲(chǔ)為PSB大型圖集格式，導(dǎo)入U(xiǎn)nity游戲引擎用于制作2D動(dòng)畫。其次，在Skinning Editor中，為動(dòng)態(tài)紋樣創(chuàng)建骨骼并根據(jù)動(dòng)作關(guān)系連接骨骼鏈條，將骨骼之間的權(quán)重關(guān)系調(diào)整到合適的數(shù)值，生成權(quán)重配比的骨骼網(wǎng)絡(luò)。最后，使用Animation動(dòng)畫編輯器對(duì)骨骼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)畫制作，并存儲(chǔ)為預(yù)制體，制作過(guò)程如圖1所示。

圖1 A為青花嬰戲圖梅瓶，B為紋樣切分圖層，C為骨骼鏈，D為權(quán)重網(wǎng)絡(luò)，E為骨骼層級(jí)，F(xiàn)為Animation動(dòng)畫幀制作

圖像檢測(cè)是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形算法對(duì)攝像機(jī)中的2D圖像進(jìn)行識(shí)別定位與跟蹤配準(zhǔn)的技術(shù)，而物體檢測(cè)是對(duì)真實(shí)環(huán)境中的物體進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)的技術(shù)。在“梅瓶風(fēng)韻”應(yīng)用中，2D圖像識(shí)別用于對(duì)文物卡片中的梅瓶圖片進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，3D物體追蹤則是針對(duì)真實(shí)展館中的梅瓶文物進(jìn)行識(shí)別與跟蹤。

（1）對(duì)2D文物卡片進(jìn)行圖像識(shí)別。首先，建立2D梅瓶圖片資源的參考圖像庫(kù)，參考圖像庫(kù)存儲(chǔ)每個(gè)梅瓶的特征值信息，當(dāng)攝像頭捕捉到文物卡片中圖像信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)比對(duì)參考圖像庫(kù)中的圖像特征值，將真實(shí)環(huán)境中的圖像信息與預(yù)設(shè)的參考圖像建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，在場(chǎng)景中掛載AR Tracked Image Manager組件，置入?yún)⒖紙D像庫(kù)及梅瓶圖像所匹配的預(yù)制體，每個(gè)預(yù)制體內(nèi)包含該梅瓶紋樣的動(dòng)畫信息及音頻講解。

（2）對(duì)真實(shí)的3D梅瓶文物進(jìn)行物體追蹤。首先，使用XCode對(duì)ios系統(tǒng)提供的3D物體掃描工具進(jìn)行編譯，將真實(shí)文物放在掃描工具的包圍盒內(nèi)，移動(dòng)手機(jī)獲取其完整的3D空間特征信息，制成該梅瓶的.arobject文件。其次，建立梅瓶文物的參考物體庫(kù)，用于存儲(chǔ)三維物體的空間特征信息，以供與真實(shí)環(huán)境中的文物建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，掛載AR Tracked Object Manager組件，并用AR Object Anchor設(shè)置位置錨點(diǎn)、用于標(biāo)注虛擬動(dòng)畫渲染到真實(shí)文物上的指定位置，檢測(cè)核心代碼與圖像檢測(cè)類似。

當(dāng)游客使用“梅瓶風(fēng)韻”軟件掃描文物卡片或真實(shí)文物時(shí)，即可出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的梅瓶紋樣的動(dòng)態(tài)展示及語(yǔ)音講解，免去了游客掃描跳轉(zhuǎn)的反復(fù)且繁瑣的操作，從手機(jī)屏幕中即可看到眼前文物的動(dòng)態(tài)紋樣、聽到對(duì)應(yīng)文物的講解，并能實(shí)時(shí)控制圖像檢測(cè)、文字說(shuō)明和音頻講解，軟件界面及掃描效果示例如圖2，依次為“梅瓶風(fēng)韻”應(yīng)用界面、未啟用圖像檢測(cè)的青花仕女撲流螢圖梅瓶、啟用圖像檢測(cè)后帶有“流螢”粒子特效的仕女撲流螢動(dòng)畫以及梅瓶的文字解說(shuō)。

圖2 “梅瓶風(fēng)韻”應(yīng)用界面及圖像追蹤界面

三、結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)大多數(shù)博物館年接待量在30萬(wàn)人次及以下，出現(xiàn)了大型博物館“門庭若市”，而絕大部分的中小型博物館“無(wú)人問(wèn)津”的境況，有限的空間展示環(huán)境滿足不了用戶日益增長(zhǎng)的文化需求，包括桂林博物館在內(nèi)的中小型博物館亟待借助AR等數(shù)字技術(shù)的力量進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文以桂林博物館為例，通過(guò)分析其館藏特色與受眾需求，從文物卡片與實(shí)景導(dǎo)覽兩個(gè)角度設(shè)計(jì)了“梅瓶風(fēng)韻”AR應(yīng)用，賦予靜態(tài)紋樣以動(dòng)態(tài)鮮活的生命力，讓游客不再只是“走馬觀花”式地游覽，而是可以利用眼睛快速捕捉動(dòng)態(tài)的圖案信息，結(jié)合語(yǔ)音講解深入理解梅瓶的文化內(nèi)涵，提升了梅瓶展示的信息豐富度。