數(shù)字科技館中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

尹火嬌

（廣東科學(xué)中心，廣東　廣州　510006）

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數(shù)字科技館中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

尹火嬌

（廣東科學(xué)中心，廣東廣州510006）

摘要：我國不斷加快數(shù)字化科技館的建設(shè)，以此保證我國科普教育工作的穩(wěn)定發(fā)展。在數(shù)字科技館的建設(shè)過程中，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)我國數(shù)字科技館的發(fā)展?？墒菑哪壳拔覈鴶?shù)字科技館的發(fā)展形勢來看，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及程度偏低?；诖?，文章通過對現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)的涵義、特點(diǎn)及系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行闡述，結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字科技館中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，提出了幾點(diǎn)完善建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)字科技館；混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)；應(yīng)用

近幾年，在我國提倡的科教興國戰(zhàn)略方針中，以提升民眾的科學(xué)文化素養(yǎng)為根本，將科普知識(shí)推廣到千家萬戶。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的新局勢下，新知識(shí)的發(fā)現(xiàn)層出不窮，如今僅依靠簡單的科普推廣手段很難對民眾實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的普及。因此科普推廣工作需要進(jìn)行改革，科普推廣形式需要進(jìn)行創(chuàng)新。基于此，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提出很大程度的滿足民眾對新知識(shí)的認(rèn)識(shí)。在科普知識(shí)的推廣過程中，合理使用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但能讓廣大民眾切身感受到新知識(shí)，而且還能提升民眾的認(rèn)知能力。因此這也和“既方便學(xué)習(xí)新知識(shí)，又能切身體驗(yàn)”的數(shù)字科技館建設(shè)理念相吻合。

1　混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的涵義

所謂的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)演變而來的，它們技術(shù)特征之間存在著一定的聯(lián)系。美國多倫多大學(xué)工程學(xué)院的Paul Milgram教授對混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mixed Reality，簡稱MR）是這樣解釋的：混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是將我們的真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境共同呈現(xiàn)在一個(gè)畫面中。除此之外，他還對“真實(shí)--虛擬連續(xù)集”（reality-virtuality continuum）進(jìn)行了定義，把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境看做兩個(gè)極點(diǎn)，然后再和軸線中間的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（也叫作擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）與增強(qiáng)虛擬組成一個(gè)體系，這個(gè)體系就叫做混合現(xiàn)實(shí)體系。但是混合現(xiàn)實(shí)能夠滿足虛擬連續(xù)極值中的每一部分。換種角度來看，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以推動(dòng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境和媒體之間的發(fā)展。有些人一直認(rèn)為混合現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一個(gè)意思，然而并非如此，對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來講只是注重虛擬技術(shù)服務(wù)的真實(shí)性。相對來說，在混合現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境擁有相同的地位，不論是把現(xiàn)實(shí)環(huán)境引入到虛擬環(huán)境中，還是將虛擬環(huán)境引入到真實(shí)環(huán)境中，這些操作都是正確的。除此之外，混合現(xiàn)實(shí)所采用的系統(tǒng)還能有效解決虛擬物體和現(xiàn)實(shí)物體之間的矛盾關(guān)系。

1.2混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

（1）真實(shí)性：在傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)中，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)就是具有一定的仿真性、真實(shí)感及身臨其境的現(xiàn)場感。對于虛擬現(xiàn)實(shí)而言，它只能依靠電腦來營造出一個(gè)虛擬環(huán)境，但是混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效的將虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境融合在一起，從而致使民眾切身感受到不一樣的環(huán)境，從中也能讓民眾獲得不一樣的感官刺激。

（2）構(gòu)想性：構(gòu)想性在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)中“不但能夠營造出一個(gè)逼真的環(huán)境，而且還能根據(jù)人們的想象力建立起一個(gè)不現(xiàn)實(shí)或者絕不會(huì)發(fā)生的虛擬環(huán)境”。這種技術(shù)的使用范圍極其寬廣，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，隨著多媒體技術(shù)的不斷創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)也隨之演變出多種技術(shù)手段。把目前僅有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)取長補(bǔ)短相互融合在一起，就可以創(chuàng)新出新的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段。先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)也給混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新奠定了一定的基礎(chǔ)。

（3）實(shí)時(shí)互動(dòng)性：混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)把以往的虛擬現(xiàn)實(shí)展示手段和過去的實(shí)物展示技術(shù)融合在一起，就好比在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間建立起了一條紐帶，從而使得廣大消費(fèi)者行走于虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中間。這樣以來可以優(yōu)化以往的靜態(tài)展示的信息傳遞的單一性，使得人們的信息交流更加的靈活自由。

2　混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是從虛擬現(xiàn)實(shí)的層面上演變而來的，其各種硬件部分和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的硬件如出一轍，它們之間存在一定的共性?；旌犀F(xiàn)實(shí)體系是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建起各種虛擬的東西、文字及圖片等信息，隨后再將這些信息引用到消費(fèi)者能看到的現(xiàn)實(shí)物體之上。這樣以來就能為消費(fèi)者提供諸多與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相關(guān)的信息資料，從而提升了消費(fèi)者對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的認(rèn)知度，這個(gè)過程的關(guān)鍵點(diǎn)在于顯示與相關(guān)的注冊流程。所以說，頭戴顯示儀（vr）及方位追蹤設(shè)備都是這種混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不可或缺的硬件設(shè)備。

每個(gè)混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)施分別是虛擬場景生成器、頭戴顯示儀、作用于消費(fèi)者觀察視線的頭部調(diào)整設(shè)備、虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境所具有的定位裝置及交互裝置。虛擬環(huán)境的生成設(shè)備主要任務(wù)是虛擬環(huán)境的建模、管理、構(gòu)建及其余硬件設(shè)施管理；頭部姿態(tài)調(diào)整設(shè)備主要是跟蹤用戶的視線，從而保證消費(fèi)者的視線觀察坐標(biāo)和虛擬環(huán)境坐標(biāo)相互對應(yīng)；交互設(shè)施主要是消費(fèi)者的感官度及環(huán)境改變進(jìn)行調(diào)控的指令輸出輸入端，上面所講的幾個(gè)功能和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的對應(yīng)部分一致。

混合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)里的顯示裝置一般使用頭戴顯示儀（HMD）。一般頭戴顯示儀（HMD）分為兩種類別，其中一種是透光式HMD（Optical see-through），另一種是影像式HMD （Video see-through）。一般情況下用戶在使用透光式HMD時(shí)，只能看到現(xiàn)實(shí)環(huán)境，電腦只是把將要呈現(xiàn)的場景在整個(gè)顯示儀上表現(xiàn)出來。而對于影像式的HMD來講，用戶使用它不能看到現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境，HMD中的攝像頭將現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境采集之后，再與電腦中的虛擬影像相互結(jié)合之后呈現(xiàn)給用戶。它與普通的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)屬于同一類別，其系統(tǒng)的圖像處理設(shè)備在整個(gè)AR系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。其圖像處理設(shè)備不僅包括幾百美元的3D圖形加速卡，而且也涵蓋了價(jià)值十幾萬美元的專用圖形工作站。除此之外，混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的硬件設(shè)施還有人機(jī)交互裝置，例如數(shù)據(jù)手套、6D鼠標(biāo)器、跟蹤器、力反饋裝置、語音識(shí)別及合成裝置等，這些設(shè)備的種類非常多，其作用也不同。

3　現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)在數(shù)字科技館應(yīng)用

3.1應(yīng)用實(shí)例

3.1.1三維地圖展項(xiàng)的應(yīng)用

科技館中的三維地圖主要利用了地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，就可以方便快捷的找到參觀者要找的地方了。首先從外太空開始，呈現(xiàn)在眼前的是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的地球，參觀者可以通過一只手指在觸摸屏上通過移動(dòng)來轉(zhuǎn)動(dòng)觀看地球的全貌。接著，還可以點(diǎn)擊羊城圖標(biāo)，就可以看到廣州市的全貌了。在這里，參觀者可以觀摩廣州城市的風(fēng)光，也同樣可以通過一只手指移動(dòng)屏幕來尋找我們自己的家園?？赐炅藦V州市的全局風(fēng)光，還可以通過下面的景點(diǎn)圖標(biāo)，觀看到廣州的北京路、白云山麓湖、陳家祠、白鵝潭等各個(gè)著名景點(diǎn)。

3.1.2模擬飛行展項(xiàng)的應(yīng)用

模擬飛行展項(xiàng)由仿真計(jì)算機(jī)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、操作負(fù)載系統(tǒng)等組成。仿真計(jì)算機(jī)解算描述機(jī)載系統(tǒng)特性和飛行動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，視景系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)，產(chǎn)生座艙外的景象，包括建筑物、機(jī)場與跑道、道路、燈光、田野、河流、地形地貌等，視景系統(tǒng)可以模擬雨、雪、云、霧、能見度等氣象條件，以及白天、夜間的景象，使體驗(yàn)者有身臨其境的感覺。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)給體驗(yàn)者提供加速、過載等感覺。音響系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、氣流噪聲等音響效果。模擬座艙具有與真實(shí)飛機(jī)座艙一樣的布局，其中儀表顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的各種飛行參數(shù)和機(jī)載系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。體驗(yàn)者在模擬座艙內(nèi)根據(jù)窗外景象信息、艙內(nèi)儀表顯示信息，通過駕駛桿、舵對飛機(jī)進(jìn)行操縱，操縱量經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸入仿真計(jì)算機(jī)，解算飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，獲得相應(yīng)的飛行速度、飛行高度等飛行參數(shù)，更新窗外視景和儀表顯示，給體驗(yàn)者帶來真實(shí)一樣的感受。

3.1.3數(shù)字劇場中的應(yīng)用

這個(gè)劇場包含互動(dòng)游戲和數(shù)字影片2個(gè)部分。參觀者首先看到的在地上緩慢移動(dòng)的原生態(tài)機(jī)械蟲就是屬于互動(dòng)游戲部分。每一只機(jī)械蟲代表著一種數(shù)字家庭相關(guān)的技術(shù)或產(chǎn)品。當(dāng)參觀者踩到飄移的機(jī)械蟲時(shí)，它就會(huì)顯示它代表的技術(shù)名稱，并以光波的形式快速向墻面移動(dòng)，逐漸顯現(xiàn)出數(shù)字城市概念的圖形。當(dāng)4面墻的圖形完成時(shí)系統(tǒng)便自動(dòng)進(jìn)入下一精彩階段——數(shù)字影片的播放。第二部分的數(shù)字影片以劇場墻面作為投影面進(jìn)行影片的播放，配合天花懸吊反光板反射效果給予觀眾沉浸感和強(qiáng)烈的視覺沖擊。籍此以一種全新的方式向您講述了什么是數(shù)字家庭、為什么要建立數(shù)字化家庭、數(shù)字化家庭對人類生活的影響、數(shù)字化生活包含哪些內(nèi)容以及數(shù)字化手段在目前生活中的應(yīng)用。由此可見，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)中包含了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、建模技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等，“虛擬漫游”將有效的把混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶到了科普展示中，以此推動(dòng)了高科技科普場館技術(shù)的發(fā)展。

3.2應(yīng)用完善

（1）如果要向參觀者介紹混合技術(shù)，那么就需要建立起一個(gè)主題展覽，其主要為參觀者介紹這種技術(shù)的發(fā)展過程、原理及使用形式，以此讓參觀者更直接的了解到先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。除此之外，參觀者還能對現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)產(chǎn)生無限的遐想，以此使得混合技術(shù)不斷創(chuàng)新更好的服務(wù)于廣大民眾。如果把現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)當(dāng)做一種輔助方式，那么將會(huì)提高信息的完整度，參觀者不光重視展品還將會(huì)被現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)所吸引?；诖耍谥贫ㄕ鬼?xiàng)時(shí)首先要判斷能否應(yīng)用現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)，該技術(shù)使用之后會(huì)對民眾帶來什么影響。（2）例如有些展項(xiàng)需要將虛擬圖形與標(biāo)識(shí)物品融合在一起，如果把虛擬物品和其他真實(shí)物體相互結(jié)合，由于其物品真實(shí)存在，虛實(shí)相互結(jié)合，這樣將會(huì)產(chǎn)生不一樣的效果。一般這里有兩個(gè)問題值得重視，其一標(biāo)識(shí)物體要與真實(shí)物體疊加，或者標(biāo)識(shí)物用真實(shí)物體替代；其二虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境要有效結(jié)合，給觀眾營造出一種逼真的畫面感。（3）有效使用現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)可視化這一特征，營造出空間學(xué)習(xí)氛圍，使用三維視圖來吸引參觀者的眼球。比如，某一學(xué)者發(fā)明出了一個(gè)能夠提升學(xué)生基礎(chǔ)化學(xué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，稱作“增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)”，主要是對化學(xué)中的分子及分子反應(yīng)進(jìn)行建模。這就是一個(gè)典型的現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)應(yīng)用的案例，把比較抽象且難以描述的分子形象的展示給學(xué)生。這和真實(shí)分子之間存在著一定的區(qū)別，其中最大的優(yōu)點(diǎn)就是不會(huì)損壞創(chuàng)造空間。這種虛擬的立體式物品與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相互融合，當(dāng)學(xué)生融入到這種學(xué)習(xí)環(huán)境中，就會(huì)產(chǎn)生極大的興趣。同時(shí)對某一知識(shí)領(lǐng)域有一個(gè)系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

4　結(jié)語

從當(dāng)前的發(fā)展形勢來看，現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)的發(fā)展程度與現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)的科普推廣的效果，直接影響用戶的體驗(yàn)感受。由于現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)的管理系統(tǒng)建立在云端架構(gòu)，其內(nèi)容的更新速度極快，這樣以來更加方便民眾學(xué)習(xí)新的知識(shí)。現(xiàn)實(shí)混合技術(shù)內(nèi)容管理系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)出版物、PC、移動(dòng)終端、智能電視等，這些都是互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)入端。這樣可以建造起一個(gè)全新的數(shù)字化科技館，使用先進(jìn)的科普方式對科普知識(shí)、科學(xué)精神及科學(xué)方法進(jìn)行推廣普及。

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The Application of Mixed Reality Technology in Digital Science and Technology Museum

Yin Huojiao
(Guangdong Science Center, Guangzhou510006, China)

Abstract：China is accelerating the construction of the digital science and technology museum, to ensure the steady development of our country science education work.In the process of digital science and technology museum construction, the application of mixed reality technology will further promote the development of Chinese digital science and technology museum. But from the current our country the development situation of digital science and technology museum, the popularity of mixed reality technology level is low. Based on this, through to the real meaning of hybrid technology, elaborates the characteristics and system structure, combined with the application of mixed reality technology in the digital science and technology museum was analyzed, and puts forward some perfecting Suggestions.

Key words：digital science and technology museum; mixed reality technology; application

作者簡介：尹火嬌（1982-），女，廣東韶關(guān)。