AR-VR混合技術(shù)在博物館展覽互動中的運用

陶武

摘 ? 要：傳統(tǒng)的博物館展示方式多采用櫥窗陳列物品，存在互動性差等缺陷，通過分析增強現(xiàn)實虛擬混合所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出基于AR-VR混合開發(fā)博物館互動展示系統(tǒng)的方法，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方式可使館藏信息展示更全面，激發(fā)參觀者的觀察與思考。本文在AR技術(shù)基礎上融入VR技術(shù)，提出基于AR-VR混合技術(shù)展示展品方式，采用雙向互動方式在AR與VR間進行切換，克服了增強現(xiàn)實技術(shù)在交流互動中存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)實虛擬 ?增強現(xiàn)實 ?博物館展覽

中圖分類號：G720 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0254-02

1 ?VR技術(shù)在數(shù)字博物館中的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當代藝術(shù)在數(shù)字領(lǐng)域發(fā)展演變的重要方向，依托于計算機與人工智能技術(shù)，借助靈境科技營造數(shù)字化空間，賦予了藝術(shù)創(chuàng)造及各匯總藝術(shù)行為的自由。媒體就似乎手段形成了自身獨立的藝術(shù)語言體系，中國VR藝術(shù)研究中心秉承致力于社會公益事業(yè)發(fā)展的理想，推動了對VR技術(shù)在數(shù)字博物館中的應用。

VR技術(shù)將人們帶入由多感知系統(tǒng)與靈境技術(shù)創(chuàng)造的深度沉浸。以往藝術(shù)實踐中，藝術(shù)家受到物理世界固有邏輯系統(tǒng)的支配，VR技術(shù)是數(shù)字技術(shù)中神奇的科技，打破了以往藝術(shù)實踐的經(jīng)驗模式，任何信息的物質(zhì)性因素可變?yōu)榭煽氐碾娮幼兞恐怠?/p>

藝術(shù)家通過對VR、AR等技術(shù)思想把握，采用人機交互手段控制作品形式，打造現(xiàn)實情況下不能實現(xiàn)的藝術(shù)效果。如VR性質(zhì)的交互裝置系統(tǒng)可設置觀眾穿越多種感官的交互通道，藝術(shù)家可借助軟硬件配合促進參與者與作品的溝通，通過視頻界面進行動作捕捉，放映增強效果的影像。觀眾可通過自身動作控制投影的文本，可移動場景增強了作品的沉浸感，使觀眾進入作品內(nèi)部，觀察其過程。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1 系統(tǒng)框架

AR-VR博物館展示互動系統(tǒng)將AR技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合，利用二者的優(yōu)勢提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統(tǒng)分為博物館虛擬漫游模塊與增強交互模塊。虛擬漫游模塊使用VR技術(shù)，將客觀上不存在的景物在用戶眼前生成虛擬環(huán)境，增強交互模塊通過攝像頭采集場景視頻，根據(jù)真實場景中的人工標志物信息進行跟蹤注冊[1]。

首先開啟程序進入虛擬漫游模塊，開啟場景漫游模式，參觀者可向前后左右移動，在AR-VR切換中，參觀者只需點擊虛擬AR按鈕即可切換到真實世界，開啟攝像頭捕獲場景的初始識別圖像，計算出攝像機位置數(shù)據(jù)，將虛擬展品加載到真實場景中。

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，擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，可實現(xiàn)虛擬加人機交互功能的生成。通過三維軟件完成建模，模型建好后發(fā)布為fbx格式文件，導入Unity3D中構(gòu)建虛擬博物館場景。

虛擬博物館場景模型制作是虛擬現(xiàn)實漫游模塊開發(fā)中的重要部分，與博物館漫游系統(tǒng)體驗效果直接相關(guān)。建筑模型制作時要考慮系統(tǒng)運行速度問題。博物館場景模型制作分為復雜模型與簡單模型。復雜模型制作要求精細，簡單模型僅需制作出大致的輪廓。模型的制作有很多規(guī)范。如模型必須適當減少面數(shù)與分段數(shù)，單個模型面數(shù)不得超1000。否則會影響系統(tǒng)的運行。使用高清數(shù)碼相機拍攝圖片制作紋理貼圖。

博物館場景搭建完成后導入Unity平臺，可實現(xiàn)體驗者在博物館場景中進行虛擬漫游，可通過頭戴設備進行視角轉(zhuǎn)換，使用戶獲得更好的體驗。

2.3 增強交互模塊開發(fā)

AR技術(shù)可使系統(tǒng)創(chuàng)造更豐富的互動方式，AR技術(shù)可增強真實世界的物體與環(huán)境[2]。增強交互模塊開發(fā)首先通過攝像頭采集真實場景視頻圖像，在真實場景中疊加虛擬信息豐富展品信息顯示。

系統(tǒng)增強交互模塊實時采集博物館中的環(huán)境，生成真實場景圖像供系統(tǒng)調(diào)用。跟蹤注冊是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，其主要有基于計算機視覺跟蹤注冊與傳感器進行硬件跟蹤注冊兩類技術(shù)，前者按系統(tǒng)是否使用人工標記區(qū)分。基于人工標記的增強現(xiàn)實系統(tǒng)能將虛擬模型定位到真實世界，可快速從復雜的真實環(huán)境中檢測出人工標記，大多增強現(xiàn)實系統(tǒng)的跟蹤注冊模塊采用基于人工標記的方式實現(xiàn)。

跟蹤注冊過程首先基于視頻采集設備采集視頻圖像，AR-VR系統(tǒng)通過調(diào)用移動設備攝像頭采集視頻圖像。對采集圖像進行預處理，完成從彩色的視頻圖像到黑白兩色二值圖像的轉(zhuǎn)換。如像素點灰度值S（x，y）≥t可為背景點。經(jīng)閥值化處理的圖像為：

得到二值化的圖像，利用圖像分割技術(shù)找出圖像中興趣點。判斷標記是否為合法標記。模板匹配成功后確定標志物的特定ID識別。

經(jīng)跟蹤注冊步驟后，將拍攝室內(nèi)環(huán)境視頻流圖像與虛擬文物信息進行實時融合，使用戶體驗到真實場景與虛擬信息融合的效果。增采用Vuforia SDK實現(xiàn)強現(xiàn)實交互模塊開發(fā)。在Java與NET語言中提供了API接口。

目前常用的增強現(xiàn)實開發(fā)平臺有AR Toolkit，Vuforia，AR Toolkit如表示無移動速度過快無法產(chǎn)生虛擬疊加效果。無法對普通圖片進行識別，Aurasma非免費開發(fā)者無法獲得軟件全部代碼。

2.4 顯示技術(shù)

隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，頭盔顯示器可讓用戶感受到空間立體感，本文VR系統(tǒng)采用Ocular Rifi DK2虛擬顯示設備，分辨率達到1920×1080，DK2顯示效果理想。AR系統(tǒng)呈現(xiàn)物體信息應以輕巧為設計原則。采用基于Android操作系統(tǒng)智能手機屏為顯示設備，可不受展覽環(huán)境限制[3]。

3 ?實驗結(jié)果分析

實驗基于Unity3D平臺，采用的移動設備在內(nèi)存Intel CoreTM2 Quad CPU，4GB內(nèi)存。啟動系統(tǒng)后進入VR系統(tǒng)，參觀者可欣賞博物館外風景或參觀博物館內(nèi)藏品。切換到AR系統(tǒng)后，跟蹤角度為標志物與攝像頭的家教，逐幀圖像進行注冊性能驗證，拍攝角度為初始0°時，系統(tǒng)采集不到人工標志圖像特征信息，跟蹤角度小于20°時，超系統(tǒng)跟蹤注冊功能模塊工作范圍。

標志物遮擋對系統(tǒng)的影響很大，系統(tǒng)注冊精度會受到很大影響。實驗通過不同遮擋測試系統(tǒng)性能，隨遮擋率增加。經(jīng)測試表明本文方法能根據(jù)殘留標志物信息獲取準確的跟蹤注冊數(shù)據(jù)，可很好的適應遮擋環(huán)境。

基于AR-VR混合技術(shù)開發(fā)博物館導覽系統(tǒng)有很好的三維展示功能，參觀者對某展品感興趣時可切換到系統(tǒng)觀察展品細節(jié)特征，對標志物采用特征點檢測方式效果好。

4 ?結(jié)語

本文提出了基于AR與VR技術(shù)結(jié)合的展示系統(tǒng)，該方法能在終端連接運動中自適應現(xiàn)實虛擬疊加效果，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合可使可視化效果更逼真，動態(tài)的展示展品信息，使參觀者在交流互動中加深記憶，未來研究可將增強現(xiàn)實識別能力作為重點。

參考文獻

[1] 邵恒.VR技術(shù)在博物館文物保護中的應用[J].智庫時代，2018（43）：149，152.

[2] 張貝貝.VR技術(shù)在博物館展陳設計過程中的優(yōu)勢及應用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（10）：141-142.

[3] 李婷婷，王相海.基于AR-VR混合技術(shù)的博物館展覽互動應用研究[J].計算機工程與應用，2017，53（22）：185-189，263.