虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術在中醫(yī)藥博物館科學普及中的應用分析

韓 玉 韓曉雯 盧 穎▲ 孫瑞娟

1. 北京中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥博物館，北京100029；2. 南京吾皇網(wǎng)絡科技有限公司，江蘇南京 210000

中醫(yī)藥學包含著中華民族幾千年的健康養(yǎng)生理念及實踐經(jīng)驗，凝聚著中華民族的博大智慧，是祖先留給我們的寶貴財富[1]。中醫(yī)藥博物館是進行中醫(yī)藥文化保存、研究和傳播的重要機構，肩負著傳承古老的中醫(yī)藥文化的作用[2]。2019 年10 月，中共中央國務院印發(fā)了《關于促進中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新發(fā)展的意見》，提出推進中醫(yī)藥博物館事業(yè)發(fā)展，實施中醫(yī)藥文化傳播行動，把中醫(yī)藥文化貫穿國民教育始終。目前，全國共有隸屬于高校的中醫(yī)藥博物館18 家，隸屬于企業(yè)的中醫(yī)藥博物館21 家，在宣傳普及中醫(yī)藥知識方面發(fā)揮著重要作用。由于中醫(yī)藥知識專業(yè)性較強[3]，觀眾參觀時在理解上難免存在一些障礙；展覽多為固定的靜態(tài)展陳[4]，展陳形式單一、刻板，難以激發(fā)青少年的興趣；博物館人員編制少[5]，無法滿足日益增長的觀眾講解需求。

基于此，2019 年北京中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥博物館自行開發(fā)了“中醫(yī)藥博物館AR”軟件，為24 件文物與標本建立模型，實現(xiàn)了觀眾與展品的互動。通過調查問卷的反饋，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術能夠在豐富展示形式、激發(fā)觀眾興趣、傳遞更多信息、增強展品交互能力等發(fā)面發(fā)揮很好的作用，從而大大增進觀眾對中醫(yī)藥文化的理解，有利于中醫(yī)藥博物館更好地科學普及中醫(yī)藥知識，弘揚中華傳統(tǒng)文化。

1 虛擬現(xiàn)實技術與增強現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（virtual reality）技術簡稱VR 技術，它是基于計算機技術產(chǎn)生的一種人為創(chuàng)造虛擬環(huán)境的技術[6]。虛擬現(xiàn)實利用數(shù)字交互向觀眾顯示更逼真的虛擬情境，使觀眾跨越空間的界限去觀察展品的內部構造和信息，使觀者能融入到展品中，對模擬事件發(fā)生的歷史背景和空間環(huán)境進行“場景再現(xiàn)”[7]。目前，國內外多個博物館已使用虛擬現(xiàn)實技術，首都博物館“王后 母親 女將——紀念殷墟婦好墓考古發(fā)掘四十周年特展”中，利用VR 技術將婦好墓復原，參觀者通過佩戴VR 眼鏡，可沉浸式體驗整個墓室空間細節(jié)和下葬過程，感受婦好墓的震撼場景[8]。浙江大學國家重點實驗室圍繞敦煌藝術的數(shù)字化保護，開發(fā)了敦煌莫高窟虛擬參觀旅游系統(tǒng)、壁畫臨摹技術和壁畫色彩演變技術以及計算機輔助石窟保護修復系統(tǒng)等[9]。天津市藝術科學規(guī)劃項目“虛擬現(xiàn)實（VR）視野下的天津非物質文化遺產(chǎn)保護研究”通過動畫再現(xiàn)傳統(tǒng)非遺藝人的詳細動作，讓學習者全方位地觀察學習非遺技藝[10]。

增強現(xiàn)實（augmented reality）技術簡稱AR 技術，是在VR 基礎上發(fā)展起來的新興技術[11]。增強現(xiàn)實也被稱作混合現(xiàn)實，也就是把現(xiàn)實世界與虛擬世界合并在一起[12]。通過顯示設備，用戶可以同時看到虛擬信息和真實場景融合后的畫面，是真實世界與虛擬世界在三維空間上的疊加，具有實時交互功能。增強現(xiàn)實技術集數(shù)字信息合成、圖像識別及視點跟蹤等多方面于一體[13]，其原理是通過攝像機識別現(xiàn)實場景中的標識圖案，利用三維空間注冊技術計算虛擬物體在現(xiàn)實世界坐標系中的位置及姿態(tài)，以實現(xiàn)虛擬數(shù)字信息與現(xiàn)實場景實時融合。蘇州博物館開發(fā)的“云觀博AR”博物館智慧觀覽平臺，以“鎮(zhèn)館之寶”五代越窯秘色瓷蓮花碗為例，觀眾可以通過手機屏幕旋轉、縮放這件文物的動態(tài)三維模型，觀察蓮花瓣紋的精美細節(jié)，以及碗內秘色瓷特有的“無水似水”的釉色[14]。增強現(xiàn)實技術還可以應用于在服裝專業(yè)教育教學中，“華服小當家”是增強現(xiàn)實技術與中國傳統(tǒng)服飾和禮儀文化的結合，以藝術審美和文化傳承為核心，讓學生了解民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化[15]。圓明園遺址公園中，增強現(xiàn)實技術把圓明園損毀或丟失的部分以虛擬圖像的形式疊加到遺址上，以呈現(xiàn)圓明園的本來樣貌，讓觀眾領略圓明園當年的盛景[16]。

在博物館展陳內容豐富、準確、科學的基礎上，利用VR 技術和AR 技術能夠更好地做好展品、實物以及展示內容的組合搭配，形成一個主題鮮明、內容完整、有突出亮點的展覽，并激發(fā)觀眾參與[17]。

2 北中醫(yī)博物館VR/AR技術體驗的設計

北京中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥博物館（以下簡稱北中醫(yī)博物館）坐落于北京中醫(yī)藥大學校內，設有中國醫(yī)學史展廳和中藥綜合展廳2 個展廳。其中醫(yī)學史展廳展現(xiàn)了中國醫(yī)藥的發(fā)展歷史與成就，收藏了從遠古時期至新中國成立以前的醫(yī)藥文物1000 余件、善本醫(yī)籍200 余種，中藥展廳及庫房收藏來自于植物、動物、礦物的中藥標本2850 余種、5000 余份。自建館以來，北中醫(yī)博物館在本校教學科研和國內外中醫(yī)藥文化交流方面發(fā)揮了重要作用，先后被評為全國中醫(yī)藥文化宣傳基地、北京市青少年外事交流基地、朝陽區(qū)愛國主義教育基地，年參觀量達20 000 余人次。

在VR/AR 技術體驗的設計中，針對有中醫(yī)藥特色，觀眾關注度較高的24 件醫(yī)史文物和中藥標本建立了VR/AR 模型，以增強觀眾與展品之間的互動。設計過程分為醫(yī)史文物與中藥標本的選取和軟件開發(fā)兩個環(huán)節(jié)，其中軟件開發(fā)分為素材收集、模型制作、UI 繪制、引擎開發(fā)四個步驟。

2.1 醫(yī)史文物與中藥標本的選取

醫(yī)史文物的選取原則：具有鮮明的中醫(yī)藥特色；花紋美觀，觀賞性強；觀眾興趣度高，有較強的產(chǎn)生互動的意愿；日常情況下不容易全方位欣賞或看清細節(jié)。素材的籌備包括品名、器類、時代、出土信息、尺寸重量、展品細節(jié)、文物背后的故事，以及文物的高清圖片。

由于中藥標本多為植物加工后的藥材，或來自動物的生理、病理產(chǎn)物，中藥標本應選擇觀眾興趣度高，且日常很難見到原植物或原動物，利用VR/AR 技術，可以形象的呈現(xiàn)動植物的原貌，傳遞更多信息，展現(xiàn)中藥背后的故事。素材的籌備包括植物或動物的科屬、形態(tài)特點、真?zhèn)舞b別、功能主治，以及動植物、中藥標本的高清圖片。

基于以上原則，選取醫(yī)史文物標本共14 件，中藥標本共10 件，選取的文物、標本名稱，見表1。

2.2 軟件開發(fā)

2.2.1 素材收集 使用高清數(shù)碼相機對醫(yī)史文物、中藥標本進行360拍攝，即前、后、左、右、上、下六個方向。為保證模型美術人員繪制貼圖的需求，照片素材在保證高清的同時，要求在一個方向上拍攝時要連貫，高度與維度要一致，并無明顯反光。進而收集文字素材，分別對24 個醫(yī)史文物、中藥標本展品進行文字方面的描述和整理，為軟件平面設計（UI）中涉及的文字介紹提供依據(jù)。另外，針對無法采集到的藥用植物，還需向建模人員提供藥用植物圖片和專業(yè)而詳實的特征描述，以便避免模型錯誤和返工現(xiàn)象。

表1 北中醫(yī)博物館VR/AR技術體驗設計選取的文物與標本

2.2.2 模型制作 使用3dsMax/Maya 三維建模軟件進行Ploy 多邊形建模。因最終進行移動端發(fā)布，性能的需求控制模型精度為“中?！?，即保證效果的同時簡化模型。合理布局模型的線段，合理展UV，為貼圖繪制提供便利。保證貼圖大小應為2 的n 次方，利于引擎中性能優(yōu)化。保持模型名稱、貼圖名稱、材質球名稱三者需一致，便于在后期Unity 軟件中查找和重新指認。最后，將模型保存為Fbx 格式，導入Unity 中檢查有無漏面、重面，模型重心是否正確等。醬釉軍持的模型網(wǎng)格及材質球效果，見圖1。

圖1 醬釉軍持模型網(wǎng)格及材質球效果圖

2.2.3 UI 繪制 使用Photoshop 軟件進行程序中所有UI 元素的繪制，包含一級LOGO 演繹界面、二級Scan 掃描界面、三級AR、VR 交互界面。另外，還有24 個AR 識別圖的繪制。

2.2.4 引擎開發(fā) 在Unity 引擎中，導入三維模型，重建UI 界面，依據(jù)AR 功能需求，實現(xiàn)AR 掃描功能及相關邏輯判斷。（1）模型設置：將檢查無誤的模型導入后，模型材質球應依據(jù)現(xiàn)實物體的質感進行細節(jié)處理。如醬釉軍持的陶瓷磨砂啞光質感；針灸銅人的古銅色金屬質感；天山雪蓮的植物質感等。（2）UI 搭建：依據(jù)UI 美術效果圖，在Unity 中將一個個UI 元素搭建組合起來，并程序控制界面之間相關邏輯響應事件；控制錨點，以便保證UI 元素在不同尺寸的移動端運行時同比縮放。（3）AR/VR 交互：首先，對每個需要響應事件的模型對象添加boxcollider 組件，設置各個模型的Tag 名稱，用于事件中射線的區(qū)分和查找。其次，使用C# 腳本進行程序的邏輯控制與交互實現(xiàn)，如添加單擊、雙擊、手指縮放、拖動等事件功能。AR 模塊中，項目采用EasyAR 相關SDK 進行開發(fā)，保證程序發(fā)布后無水印。（4）聲音特效：添加程序背景音、按鈕音、模型交互音等聲音特效。

3 北中醫(yī)博物館VR/AR技術體驗的功能與展示

軟件名稱為“中醫(yī)藥博物館AR”，圖標為博物館兔子搗藥館標，目前支持Android 系統(tǒng)和蘋果IOS 系統(tǒng)，掃描二維碼或在App Store 搜索“中醫(yī)藥博物館AR”軟件，下載安裝后即可使用。軟件的主頁面中設有選項卡，分別是AR 掃描、識別卡列表和使用說明。識別卡列表中有24 件展品的識別圖，觀眾可以在使用說明的指示下，在展柜上找到想要了解的文物或標本的識別圖，用攝像頭對準識別圖進行掃描，開始奇妙之旅?！爸嗅t(yī)藥博物館AR”軟件的功能模塊如圖2 所示。開發(fā)的“中醫(yī)藥博物館AR”軟件，能夠全方位展示文物與標本細節(jié)，呈現(xiàn)文物標本背后的知識和更詳實的文字介紹，并能實現(xiàn)觀眾與展品的互動。

圖2 “中醫(yī)藥博物館AR” 軟件功能模塊

3.1 全方位展示文物與標本細節(jié)

觀眾打開軟件后，只要將鏡頭對準每個文物或標本的專屬識別圖，屏幕畫面中將浮現(xiàn)出三維展品的效果。如VR 狀態(tài)下，移動終端中浮現(xiàn)出文物或標本的三維立體模型，觀眾可以通過雙指開合進行縮放，單指拖動進行360旋轉，從而全方位的欣賞文物或動植物的細節(jié)。針灸銅人在VR 狀態(tài)下的不同角度，見圖3。

圖3 針灸銅人在VR 狀態(tài)下的旋轉效果圖

3.2 呈現(xiàn)文物標本背后的知識

文物與標本多為靜態(tài)展陳，許多觀眾往往缺乏一些背景知識，從而對展品的理解不夠清晰。例如掃描龍涎香的識別圖時，出現(xiàn)原動物抹香鯨的形態(tài)，讓觀眾了解抹香鯨的形態(tài)特點；掃描西紅花識別圖時，出現(xiàn)番紅花原植物，并能清晰的看到伸出花冠的三根紅色柱頭，從而糾正觀眾認為西紅花是完整的一朵花的誤區(qū)；掃描人參標本的識別圖，出現(xiàn)人參植物生長時的原貌，便于觀眾觀察人參植物的花、葉、果實與根的形態(tài)特點，從而更好地理解野山參的鑒別特征。人參標本識別圖與AR 效果圖，見圖4。

圖4 人參識別圖人參AR 效果圖

3.3 更詳實的文字介紹

單擊屏幕左上角的“介紹”圖標，即可出現(xiàn)文物標本的文字介紹，文物的介紹包括展品的品名、器類、時代、出土信息、尺寸重量、展品細節(jié)；標本的介紹包括植物或動物的科屬、形態(tài)特點、中藥的來源、性狀、功能主治等，輕觸“介紹”可關閉。麝香的介紹，見圖5。

圖5 麝香的文字介紹

3.4 實現(xiàn)觀眾與展品的互動

單擊右上角的相機圖標，可實現(xiàn)虛擬拍攝的服務功能，觀眾可以與屏幕中與虛擬文物影像進行合影。觀眾與虛擬狀態(tài)下的內經(jīng)圖合影，見圖6。

圖6 觀眾與虛擬的內經(jīng)圖合影

3.5 交互動能

在屏幕中，單擊模型對象，模型將進行縮放，并出現(xiàn)蝴蝶飛入的動態(tài)交互畫面。單擊右下角的“切換VR”與“切換AR”字樣，可以進行VR 與AR 模式的切換。

4 北中醫(yī)博物館VR/AR技術應用效果評價

4.1 問卷調查

“中醫(yī)藥博物館AR”軟件自2019 年5 月18 日上線，至今已有數(shù)千名觀眾進行安裝與使用。為了檢驗軟件在中醫(yī)藥科普宣傳中的使用效果，并收集有效建議以便軟件優(yōu)化與提升，博物館開展了問卷調查，面向觀眾共發(fā)放調查問卷1269 份，回收有效問卷1251 份，調查的問題，見表2。

4.2 問卷調查結果

調查結果顯示，在安裝軟件的年齡方面，26.05% 的 觀 眾 在18 歲 以 內，62.16% 的 觀 眾 在18 ～40 歲，9.74% 的觀眾在41 ～60 歲，60 歲以上的觀眾只占2.05%，表明大學生和中年人年齡層為使用軟件的主要群體。

表2 “中醫(yī)藥博物館AR” 軟件用戶使用反饋調查表

在觀眾對AR/VR 技術的了解程度方面，10.55% 的觀眾表示之前完全沒有聽過，52.60% 的觀眾了解一點點，31.58% 的觀眾偶爾使用過類似軟件，只有5.27% 的觀眾表示此類軟件感覺非常常見。

對于觀眾是否愿意安裝AR/VR 軟件來提升參觀的感受方面，88.52% 的觀眾表示愿意安裝，其中59.01% 的觀眾是因為希望獲得更有趣的體驗，29.51% 的觀眾是出于比較好奇軟件有什么功能。3.26% 的觀眾不愿意安裝軟件，其中1.33% 的觀眾是因為對電子產(chǎn)品不感興趣，還是比較喜歡傳統(tǒng)的參觀形式，有1.93% 的觀眾是因為不喜歡在手機上安裝東西，覺得軟件沒有什么用。另有8.22% 的觀眾表示沒有安裝軟件，是因為忽略了軟件的宣傳海報，但如果有講解員推薦他們使用，就會愿意安裝試試。

在這款軟件在哪些方面能起到幫助方面，27.81% 的觀眾表示軟件在全方位展示文物、標本的細節(jié)方面有幫助；22.14% 的觀眾比較喜歡與文物標本合影，覺得軟件在與文物標本互動方面有幫助；21.27% 的觀眾覺得在展示平時看不到的中藥原植物、原動物方面有幫助；14.79% 的觀眾覺得在“觸摸”原本不能觸摸的文物方面很有幫助；13.99% 的觀眾覺得軟件能夠吸引小朋友的興趣，在增強趣味性方面有幫助。

在文物與標本所呈現(xiàn)的真實度方面，61.63%的觀眾認為效果比較真實，有身臨其境的感覺，23.34% 的觀眾認為效果稍顯刻板，不夠美觀，15.03% 的觀眾認為不夠立體。

在觀眾希望增加的AR/VR 模型或場景上，19.34% 的觀眾希望增加藥用植物形態(tài)，20.70% 的觀眾希望增加藥用植物生長環(huán)境，16.63% 的觀眾希望增加中醫(yī)望、聞、問、切的過程，18.71% 的觀眾希望增加人體穴位、推拿按摩手法，14.15% 的觀眾希望增加中藥炮制過程，10.47% 的觀眾希望增加古代醫(yī)家的故事。

在觀眾功能改進方面，32.13% 的觀眾希望軟件中有展品識別圖，這樣就可以自行掃描軟件中的圖，走出博物館仍能夠利用軟件進行掃描觀摩；31.33% 的觀眾希望可以不安裝軟件，微信“掃一掃” 即可實現(xiàn)掃描；27.82% 的觀眾希望掃描后可以呈現(xiàn)動態(tài)視頻；4.40% 的觀眾希望增加“關閉”與“返回主頁”按鈕，以便操作；另有4.32% 的觀眾還自行列舉了提高像素與清晰度、AR 狀態(tài)下標本與文物可以縮放、增加自由編輯功能等，表明軟件仍有使用的不便之處，有較大提升與改進空間。

4.3 “中醫(yī)藥博物館AR” 軟件的功能提升與改進

基于面向社會大眾的調查問卷，“中醫(yī)藥博物館AR”軟件可以在如下方面進行功能提升與改進。（1）開發(fā)更多新功能：在未來，中醫(yī)藥博物館可以利用VR 與AR 技術開發(fā)更多功能，如戴頭盔的VR體驗，實現(xiàn)觀眾身臨其境觀察藥用植物生長環(huán)境、采集野外藥用植物；觀摩中醫(yī)望、聞、問、切的診療過程；虛擬體驗中藥炮制過程；觀察人體穴位和推拿按摩手法等；實現(xiàn)掃描后觀看動態(tài)視頻等。（2）增強模型的準確性：在經(jīng)費允許的情況下，采集原植物、原動物實物，在實物基礎上進行模型制作，并增加專業(yè)人員與軟件開發(fā)繪圖人員的溝通，從而使模型線條更加準確、美觀，模型更加真實、立體。（3）軟件使用的功能細節(jié)：針對年輕群體，可以開啟前置攝像頭的使用功能，便于年輕人實現(xiàn)自拍。針對老年人，實現(xiàn)圖片和文字介紹的縮放功能，便于觀看，同時為文字介紹錄制音頻，便于收聽。拍照后，提示照片的存儲位置，便于查找成品圖片。增加關閉、返回等按鈕，使操作更加流暢。（4）軟件界面的設計感與美觀性：由于中醫(yī)藥博物館展覽形式多為仿古設計，軟件界面中的文字、圖片要與展覽環(huán)境、陳列內容相協(xié)調，必要時可以用古典音樂作為背景，促進展陳效果與環(huán)境的統(tǒng)一。保證像素與清晰度，讓觀眾體驗良好。

5 討論

博物館是學習知識、參觀文物、感受歷史的地方，具有較強的社會意義與教育功能。隨著數(shù)字時代的到來，傳統(tǒng)的觀賞模式已無法滿足觀眾的需求[18]。將VR 與AR 技術運用到博物館中，能夠強化博物館的社會教育功能，為博物館展陳設計提供新的形式，擴展展覽的內涵。習近平強調，要遵循中醫(yī)藥發(fā)展規(guī)律，傳承精華，守正創(chuàng)新，將教育培養(yǎng)中醫(yī)藥事業(yè)傳承發(fā)展人才擺在重要位置。傳承創(chuàng)新發(fā)展中醫(yī)藥是新時代中國特色社會主義事業(yè)的重要內容。

中醫(yī)藥博物館開發(fā)與應用VR 與AR 技術應注意以下幾個問題：（1）新技術要服務于展覽內容，選擇必要的展品進行VR/AR 模型開發(fā)，選擇的模型應有助于增進民眾對中醫(yī)藥的理解，不要為了開發(fā)而開發(fā)；（2）要保證新技術的應用科學而準確，例如在中藥原植物模型的制作中，基于圖片制作模型很容易出錯，需要博物館工作人員與模型美術人員、軟件工程師更加密切、細致的溝通，避免模型出現(xiàn)不必要的錯誤；（3）重視觀眾對軟件的反饋，提升用戶對軟件的體驗，避免開發(fā)后即被淘汰，并不斷開發(fā)新的功能，以適應用戶的需求；（4）防止新技術的使用喧賓奪主，讓觀眾沉浸于新技術而忽略展覽內容；（5）確定軟件界面美觀，操作流暢，設備后期維護便捷可靠，保證軟件能夠長期穩(wěn)定、運行良好，并避免關鍵時候出現(xiàn)問題。

中醫(yī)藥博物館應該加大對VR 與AR 技術的投資以及使用力度，并與展陳設計緊密結合，構建出完善的虛擬環(huán)境，滿足觀眾日益增長的文化需求，真正地做到讓文物活起來[16-17]。新技術在社會應用實踐中反映出的諸多問題，反過來為技術研發(fā)提出了更高的標準。相關從業(yè)人員要結合實際情況，客觀的認識現(xiàn)階段計算機人工智能識別技術應用瓶頸，有針對性的進行研發(fā)和優(yōu)化，為更好的服務于中醫(yī)藥文化傳播作出貢獻。