VR、AR技术在智慧博物馆中的应用
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摘要：当代社会迅猛发展的数字技术，给博物馆注入了新的活力。本文在分析数字展示技术在博物馆实体展览和虚拟展览中的应用案例的基础上，将几种常用的展示技术进行对比，讨论了数字展示与传统展示的优劣，进而提出了运用数字展示技术的原则。
关键词：数字展示技术；博物馆展览；增强现实；虚拟现实
1引言
近年来，人们开始对文化的需求呈现出与日俱增的态势，博物馆作为人类认知文明的重要场所，馆藏展品的展示方式一直备受关注。传统的博物馆展示模式大多采用物品陈列方式，几乎所有展品都是以静态方式摆放在橱窗中，再辅以有限的文字说明，这样的展示方式会令参观者感觉索然无味，并且很难观测到展品的细节特征。随着移动互联网的迅猛发展，增强现实（AugmentReality，AR）交互式展示方式得到了更多人的青睐，国内外众多学者都对增强现实技术进行了相关探索及应用研究。
2关键技术
2.1系统框架
AR-VR博物馆展览互动系统将虚拟现实技术与增强现实技术结合，利用虚拟现实技术的沉浸感以及增强现实的交互感提升参观者参观博物馆的交流互动体验。系统一共分两个模块，分别是博物馆虚拟漫游模块和增强交互模块，博物馆虚拟漫游模块使用虚拟现实技术，虚拟的模拟博物馆内外场景，把客观上并不存在的景物，运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到沉浸在虚拟博物馆场景中。而增强交互模块基于增强现实技术，通过摄像头采集场景视频，采用计算机视觉跟踪注册方法根据真实场景中的人工标志物信息进行跟踪注册，将虚拟信息叠加在真实场景中，以增强展品信息展示。
2.2虚拟漫游模块开发
博物馆展览互动系统中虚拟漫游模块开发基于Unity3D平台、Unity3D是由UnityTechnologies公司开发的一款综合性交互式开发平台，拥有高度优化的图形渲染管道，可以结合一些增强现实开发工具，来实现虚实叠加人机交互功能，也可以实现虚拟现实世界的生成。首先通过3dsMax、Maya等三维软件完成建模和贴图，将模型建好后发布为.fbx格式文件，接下来将.fbx文件直接导入Unity3D中构建虚拟博物馆场景。
2.2.1虚拟场景构建
虚拟博物馆场景模型制作是虚拟现实漫游模块开发中非常重要的组成部分，因为模型的质量决定了虚拟场景搭建后的效果，与博物馆漫游系统的体验效果直接相关。在本文中，所有博物馆建筑均采用3dsMax建模软件实现，在制作建筑模型过程中，既要考虑模型真实感问题，又要考虑系统运行速度问题。
因此，采用精细建模和简单建模相结合的方式构建虚拟的博物馆三维景观。博物馆场景模型的制作分为两种，一种是复杂模型，像博物馆内陈设、展品等，这种模型制作要求非常精细，做建模时要适当保留细节。还有一种是简单模型，像道路、树木等，这种模型的制作非常简单，只需制作出大致的轮廓，可以靠贴图去实现三维效果。模型的制作也有很多的規范，在考虑到系统性能的情况下要求非常多。
比如，做模型在不影响真实度基础上，必须要减少模型的面数和分段数，删除模型相交处隐形的面数，单个模型面数最多不能超过1000，否则场景中复杂模型过多，会影响系统的运行，从而通过对整个场景中模型的优化来达到最终的效果。贴图方面，本文使用高清数码相机拍摄的图片来制作纹理贴图，让体验者有更加直观的感受。
2.2.2虚拟漫游
当博物馆场景搭建完成后，导入Unity平台，通过加入虚拟漫游交互功能，可以实现体验者在博物馆场景中进行虚拟漫游，体验者通过上下左右键进行前后左右行走，也可以通过头戴设备进行视角转换，或是选择跑步、走路等多种方式以便让用户获得更好的体验，
2.3增强交互模块开发
同VR技术相比，AR技术可以使博物馆导览系统创造更丰富的互动方式，因为AR技术可以在真实世界中叠加虚拟信息，因此可以增强真实世界的物体和环境等方面。增强交互模块开发主要分三步进行：首先，通过摄像头采集真实场景视频图像；其次，将检测到的标志进行跟踪注册。最后，在真实的场景中叠加虚拟信息丰富博物馆中展品的信息显示。
2.3.1视频采集
当系统切换到增强交互模块后，摄像头被立即打开，实时采集博物馆中的环境，并生成一系列的真实场景图像，供系统跟踪注册模块进行调用。
2.3.2基于计算机视觉的跟踪注册技术
跟踪注册是增强现实系统的核心，目前的增强现实系统中，主要有两大类跟踪注册技术，一类是基于计算机视觉跟踪注册；另一类是利用设备中的传感器、GPS进行硬件跟踪注册。基于计算机视觉的跟踪注册方式按照系统是否使用人工标记来区分，分为使用人工标记增强现实技术和没有使用人工标记的增强现实技术。基于人工标记的增强现实系统能够将虚拟模型准确定位到真实世界，并最大限度地实现虚实之间的无缝融合，具有快速、稳定、准确的特点，可以快速从复杂的真实环境中检测出人工标记且对硬件配置要求不高。
2.3.3虚实叠加处理
经过跟踪注册步骤后，则获得了摄像机位姿，此时将摄像头所拍摄的室内环境视频流图像与生成的虚拟文物信息进行实时融合，形成增强现实图像，最终将虚拟的文物信息渲染到屏幕上，使用户体验到真实室内场景与虚拟信息相融合的逼真效果。本文增强现实交互模块开发采用VuforiaSDK实现。VuforiaSDK是一个功能强大的增强现实开发工具包，在Java、C++和.NET语言中提供了API接口，并扩展至Unity3D中。
2.4显示技术
随着计算机软硬件技术的不断发展，VR系统显示设备在不断进步，头盔显示器可以让用户感受到空间立体感，所以本文中VR系统采用OculusRiftDK2虚拟显示设备。DK2是Oculus公司在2014年推出的虚拟现实显示设备，分辨率达到1920×1080，根据体验者的反馈来看，DK2的显示效果非常理想。AR系统主要是呈现物体的三维详细信息，应该以轻巧灵便为系统设计原则，所以本文中AR系统采用基于Android操作系统的智能手机屏幕作为AR系统显示设备，简单便携，可以不受展览环境的限制，拥有更加丰富的使用范围。
2.5人与空间环境的交互
人与空间环境的交互采用虚拟现实技术实现。参观者在参观博物馆时，不仅需要观察展品，更重要的是了解展品的历史年代，发展流传历史。通过Unity3D平台构建虚拟三维博物馆，参观者以第一人称视角，在场景中进行漫游了解展品的详细信息。当用户点击屏幕左侧上方的AR按钮后，VR场景立即切换到AR互动界面。
3结语
虚拟漫游使参观者沉浸在博物馆营造的空间环境中，周围的展品烘托出浓厚的文化氛围，突出表现特定的场景中观众与展品的“对话和交流”。比起传统的交互技术，虚拟现实技术和增强现实技术的结合可以使可视化效果更逼真，在参观过程中能够调动参观者的积极性，动态地展示展品信息，启发参观者的观察与思考，使参观者在交流互动中加深记忆，实现更深层次的交互体验。在未来的研究中，可以将增强现实识别能力作为研究重点，实现云服务和移动增强现实技术的结合。
参考文献
[1]FeinerS，MacIntyreB，HollererT，etal.Atouringmachine：prototyping3Dmobileaugmentedrealitysystemsforexploringtheurbanenvironment[J].PersonalandUbiqui-tousComputing，1997，1（4）：74-81.
（作者单位：中国国家博物馆）
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