增強現(xiàn)實技術(shù)在文物展示中的應(yīng)用

施昀

摘 要 本文介紹了增強現(xiàn)實技術(shù)，并分析了目前在博物館的應(yīng)用現(xiàn)狀，基于增強現(xiàn)實開發(fā)包，通過攝像機高速掃描數(shù)據(jù)進行快速建模，開發(fā)出多標記增強實現(xiàn)系統(tǒng)；系統(tǒng)應(yīng)用于用戶體驗和中小學歷史文化教育等方面，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞 增強現(xiàn)實 博物館 展示 教育

中圖分類號：TS807 文獻標識碼：A

0引言

隨著高性能計算設(shè)備和增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，為博物館藏品保護和利用提供好更好的解決方案。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)與虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)不同點在于，增強現(xiàn)實技術(shù)是在計算機中實時地整合虛擬信息與現(xiàn)實中的物體，通過每一幀圖像的處理，達到虛實結(jié)合的效果；而虛擬現(xiàn)實是一套模式現(xiàn)實場景的純虛擬技術(shù)。增強現(xiàn)實的優(yōu)點在于，可以使得所要突出的虛擬信息更加生動，用戶可以全方位觀察或欣賞虛擬物體。目前，增強現(xiàn)實技術(shù)在影視娛樂、軍事研究、工業(yè)制造、文物展示等方便有了廣泛的應(yīng)用，增強現(xiàn)實技術(shù)必將對人們的生活產(chǎn)生越來越深遠的影響。

眾所周知，博物館承擔著文化教育的重任，其核心是各種珍貴藏品。一直以來，觀眾都是現(xiàn)場通過透明隔離材料觀察欣賞藏品，觀察角度有一定的限制。通過高速攝像機可以將藏品的三維信息記錄保存，然后通過貼圖方式能夠最大限度地還原藏品，這種方法是我們保護和還原文物的主要手段。而這些三維數(shù)據(jù)，如果可以通過增強現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)出來，就可以將藏品移動起來，使得觀察者能夠更親密地參與到藏品的欣賞中。本文通過使用開源的增強現(xiàn)實軟件，實現(xiàn)了二次開發(fā)并結(jié)合攝像機數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)了輕量化的藏品展示系統(tǒng)。

1增強現(xiàn)實技術(shù)在博物館應(yīng)用現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實技術(shù)是將計算機生成的虛擬信息與真實世界的場景結(jié)合起來，通過計算機顯示技術(shù)為用戶提供豐富的視覺服務(wù)和交互的技術(shù)。增強現(xiàn)實可以整合的虛擬信息包括三維物體（如3ds文件）、視頻文件、文字等。增強現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字博物館應(yīng)用已經(jīng)取得了一定成果。上海博物館通過將家具、青銅器、金石藏品通過AR技術(shù)，通過文字及視頻介紹實現(xiàn)了藏品知識的講解和普及。2013年香港城市大學通過AR技術(shù)實現(xiàn)了敦煌莫高窟精彩呈現(xiàn)，給觀眾留下了深刻的印象?；窗膊┪镳^通過AR交互技術(shù)實現(xiàn)淮揚菜的制作，觀眾可以體驗到實際的操作中，為非物質(zhì)文化的展示與傳承提供了新的途徑。國外博物館在增強現(xiàn)實應(yīng)用方面比較早，通過三維數(shù)據(jù)的記錄，可以實現(xiàn)已損壞文物的展現(xiàn)，為文物保護提供了新方法?？傊鰪姮F(xiàn)實能夠解決文物不方便運輸和保護的方案，可以更好地實現(xiàn)展品的教育和研究意義。

2建模技術(shù)研究

一般在計算機研究中，通過OpenGL對三維物體建模。這種方式耗時成本高，對于計算資源比較緊張或交互計算要求較高時可以采用這種方式；而作為文物三維信息展示時，本文希望能夠更加真實地還原。

本文采用高速攝像設(shè)備精確得到三維數(shù)據(jù)，通過貼圖方式實現(xiàn)對藏品的錄入工作。平均制作一個文物的時間在半小時左右，采集數(shù)據(jù)平均在1G。得到數(shù)據(jù)后通過3DMAX軟件，保存為3DS文件，封裝后提供給展示系統(tǒng)調(diào)用。在掃描數(shù)據(jù)過程中，本文發(fā)現(xiàn)不同光照條件下獲得的數(shù)據(jù)內(nèi)容有所偏差。對于紋理比較深的文物，可以通過局部重構(gòu)方式，對這部分區(qū)域后期的貼圖也要進行精確處理。對于一些反光強烈的文物，做好自然光的處理，不能產(chǎn)生光暈，以免造成三維信息的失真。本文通過360度全方位獲取三維信息的方法，能夠最大限度地獲取文物數(shù)據(jù)信息。但是，高精度掃描與數(shù)據(jù)存儲存在矛盾。對于本文所提供的輕量級展示平臺，必須考慮到數(shù)據(jù)存放成本，以利于系統(tǒng)的保存、復(fù)制和展示。

3增強現(xiàn)實在展示中的應(yīng)用

ARToolKit是基于特殊標識的最有代表性的增強現(xiàn)實系統(tǒng)是由日本廣島城市大學與美國華盛頓大學聯(lián)合開發(fā)?；谔厥鈽俗R的跟蹤技術(shù)是在用戶場景中感興趣的目標上布置容易識別的標記物，攝像機采集圖像并對采集到的圖像進行分析處理，檢測、識別標記物并提取基準點。由于標記物是人為布置的，所以可以預(yù)先定義標志物的基準點在世界坐標系中的位置，而標志物的基準點在圖像平面中的坐標也是己知的，在攝像機內(nèi)部參數(shù)已知的情況下，很容易計算出攝像機外部參數(shù)，從而確定標志物在場景中的位置和方向，并由此確定用戶的位置和方向，達到跟蹤配準的目的。

通過對ARToolKit封裝后，不同標記關(guān)聯(lián)不同的藏品信息，通過多標記增強現(xiàn)實技術(shù)展示出來，本文實現(xiàn)了MAR系統(tǒng)。經(jīng)過測試此系統(tǒng)可以對不同標記信息所關(guān)聯(lián)的藏品信息準確表達，系統(tǒng)本身大小控制在5M以內(nèi)，數(shù)據(jù)信息可以根據(jù)展示的不同需要增加或減少。目前，實現(xiàn)加載的信息包括視頻、文字和3DS文件。這種輕量化的增加現(xiàn)實展示系統(tǒng)，主要應(yīng)用在博物館內(nèi)部綜合體驗區(qū)，由可穿戴設(shè)備即AR頭盔進行展示。另外，應(yīng)用在校園中小學生教育中，由于學生群體特殊一般無法集中到館內(nèi)方便地參觀學習，而MAR系統(tǒng)可以根據(jù)課本或?qū)W校要求提供的不同歷史時期，制作不同的平面卡片，學生通過在攝像機下放置想要了解的文物，系統(tǒng)會調(diào)用相對應(yīng)的3DS文件，從而快速地在卡片上合成出文物的三維信息和介紹。經(jīng)過實際校園學生測試，本系統(tǒng)可以滿足學生對文物有初步了解和學習，比二維圖像說明更能夠激發(fā)學生的積極性，進一步提升了學生們的想象力。

4總結(jié)

技術(shù)的發(fā)展必將為人們提供更為豐富的體驗，增加現(xiàn)實即是這種新的技術(shù)。本文通過開源的增強現(xiàn)實軟件，采用高速攝像機掃描和3DMAX建模，實現(xiàn)了多標記增強現(xiàn)實系統(tǒng)。主要應(yīng)用于用戶的可穿戴式體驗和中小學生互動學習中。通過實際應(yīng)用，對增強現(xiàn)實在數(shù)字博物館的應(yīng)用更加具有信心。在未來的工作中，可以將多標記增強現(xiàn)實系統(tǒng)運用到移動設(shè)備上，為參觀人員提供更為便捷的體驗。

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