博物館數(shù)字展品中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

華文怡

（上?？萍拣^，上海 200127）

0 前言

隨著科教興國(guó)戰(zhàn)略方針的實(shí)施，博物館面對(duì)科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的新局勢(shì)以及層出不窮的新知識(shí)，若僅靠傳統(tǒng)的靜態(tài)展品陳列方式，很難對(duì)民眾普及新知識(shí)。因此博物館需與時(shí)俱進(jìn)，借助混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)博物館展品進(jìn)行數(shù)字化改革，加大展品科普創(chuàng)新力度，為民眾帶來(lái)耳目一新的科普教育方式，從傳統(tǒng)靜態(tài)展品展列與人工講解，過渡為利用互動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)展品功能的數(shù)字化動(dòng)態(tài)展列模式，在豐富民眾新知識(shí)的同時(shí)，強(qiáng)化身臨其境的體驗(yàn)效果，促進(jìn)博物館數(shù)字時(shí)代的穩(wěn)步發(fā)展。

1 博物館傳統(tǒng)靜態(tài)展品陳列的弊端

1.1 展品展示單一固定

以往博物館均采用靜態(tài)展品陳列方式進(jìn)行展覽，只有一小部分動(dòng)態(tài)媒介技術(shù)予以輔助展示，這種單向的展品陳列方式無(wú)法讓參觀者根據(jù)自己的喜好進(jìn)行自主選擇，只能被動(dòng)地接受博物館片面的信息傳遞。這種單一固定的展示方式，還讓博物館整體陳列區(qū)域缺乏活力，無(wú)法調(diào)動(dòng)參觀者的參觀興趣，無(wú)法通過多元化互動(dòng)獲取各種資源信息。

1.2 受眾無(wú)法與展品互動(dòng)

人是信息傳播活動(dòng)中不可或缺的重要因素。以往參觀者在參觀博物館時(shí)，主要借助圖文標(biāo)識(shí)或者導(dǎo)覽引導(dǎo)走馬觀花似的游覽一圈，如同做任務(wù)一般完成參觀。主要原因是簡(jiǎn)潔直白的文字說(shuō)明方式，無(wú)法讓參觀者產(chǎn)生想要進(jìn)一步深入探究的欲望，更不能留給參觀者深刻的記憶。大多數(shù)參觀者快速掃過展品的文字說(shuō)明以后，便轉(zhuǎn)向下一個(gè)展品繼續(xù)這一行為。雖然大多數(shù)博物館已經(jīng)借助現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備吸引參觀者的眼球，但仍舊無(wú)法使他們停下腳步耐心研究每個(gè)展品包含的學(xué)科技術(shù)知識(shí)。

1.3 缺乏感官認(rèn)同感

視覺是人類獲取信息的主要方式，所以博物館傳統(tǒng)展品靜態(tài)陳列習(xí)慣將參觀者看到的展品形態(tài)作為陳列擺放的重中之重，卻忽略了其他感官的臨場(chǎng)體驗(yàn)，致使許多參觀者在實(shí)地參觀過程中得到的身心體驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)查詢并無(wú)不同[1]。除此之外，部分博物館過度強(qiáng)調(diào)燈光色彩的渲染，容易使參觀者產(chǎn)生視覺疲勞，降低參觀者觀看展品的積極性，缺乏其他感官的場(chǎng)景認(rèn)同。針對(duì)這種情況，博物館在展品陳列過程中，應(yīng)增加視覺、聽覺、觸覺等多重感官體驗(yàn)，以此增加參觀者的參觀興趣。

2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 豐富文化感受

由于我國(guó)民眾群體之間存在較大差異，不同層次的參觀者對(duì)博物館展品的認(rèn)知信息存在顯著差距，可能無(wú)法理解產(chǎn)品所展示的知識(shí)內(nèi)容?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以將博物館展品以圖文、音頻、視頻等精準(zhǔn)的信息內(nèi)容傳遞給參觀者，讓參觀者從中了解該展品的構(gòu)成原理，通過沉浸而真實(shí)的虛擬互動(dòng)，加深參觀者對(duì)展品的理解認(rèn)知，提高展品的有效傳播力度。

2.2 雙向交互

因博物館參觀者年齡跨度較大，許多青少年兒童無(wú)法了解展品的歷史背景，需利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)展品進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，真實(shí)還原展品背后的歷史原因，使參觀者能夠更加準(zhǔn)確地理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，在科普歷史知識(shí)的同時(shí)，提高青少年兒童的求真認(rèn)知。

2.3 提高參與性

將信息技術(shù)與科普教育的傳播方式相結(jié)合，不僅降低了成本，還能受到廣大青少年的持續(xù)關(guān)注，流連忘返于各個(gè)展品之間。除此之外，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用便于展品的網(wǎng)絡(luò)傳播，通過多元化展示方式，使參觀者更加準(zhǔn)確地篩選想要了解的信息內(nèi)容，提高參觀者的參與積極性。

2.4 提升展示效率

與展品近距離地接觸，可以讓參觀者真實(shí)地感受到展品的信息技術(shù)，依托互聯(lián)網(wǎng)成為遠(yuǎn)端教育的受眾者，在線選擇自己感興趣的展品知識(shí)，讓身在異地的參觀者節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，成為科普教育的受眾者。

3 混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，二者之間的硬件部分采用的硬件技術(shù)相一致，并且存在諸多相同共性?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)體系主要是利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)構(gòu)建文字、圖片以及各種虛擬的信息，隨后再將這些信息應(yīng)用到參觀者能夠看到的現(xiàn)實(shí)物體當(dāng)中，這樣參觀者就能通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)觀看到與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相符的信息資料，提高參觀者對(duì)現(xiàn)實(shí)科技環(huán)境領(lǐng)域的認(rèn)知度。也就是說(shuō)，參觀者可以通過頭戴顯示儀以及方位追蹤器等混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)身臨其境的感官體驗(yàn)[2]。

現(xiàn)階段，混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件設(shè)施主要有虛擬場(chǎng)景生成器、虛擬環(huán)境、頭戴顯示儀、真實(shí)環(huán)境定位裝置、真實(shí)環(huán)境交互裝置以及作用于參觀者觀察視線的頭部調(diào)整設(shè)備等。其中虛擬環(huán)境生成設(shè)備需先采用建模方式構(gòu)建虛擬環(huán)境，然后對(duì)虛擬環(huán)境以及其他硬件設(shè)施進(jìn)行管理。參觀者在佩戴頭戴顯示儀期間，需要通過頭部姿勢(shì)調(diào)整跟蹤視線，確保參觀者的視線參觀坐標(biāo)與虛擬環(huán)境的坐標(biāo)一致。值得注意的是，參觀者的感官度與周圍環(huán)境的虛擬變化需通過交互設(shè)施進(jìn)行調(diào)控指令的輸入與輸出，且上述功能與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)部分相一致。

頭戴顯示儀作為混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的顯示裝，一般分為兩種形式：一種形式為透光式頭戴顯示儀（Optical seethrough），另一種是影像式頭戴顯示儀（Video seethrough）。通常情況下參觀者在使用透光式頭戴顯示儀時(shí)，只能看到現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景，電腦只是將該場(chǎng)景呈現(xiàn)在顯示儀上。而影像式頭戴顯示儀在使用過程中，可以讓參觀者看到在現(xiàn)實(shí)生活中不能看到的場(chǎng)景，頭戴顯示儀中的攝像頭功能可以對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景畫面進(jìn)行采集，并與電腦制作的虛擬景象相結(jié)合，再通過電腦傳遞給參觀者[3]。也就是說(shuō)，影像式頭戴顯示儀與常規(guī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)類別相一致，且該系統(tǒng)中的圖像處理設(shè)備在AR系統(tǒng)具有極為重要的設(shè)置作用。

4 博物館數(shù)字展品中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)

4.1 空間場(chǎng)景映射設(shè)計(jì)

空間場(chǎng)景映射功能主要是用Hololens識(shí)別博物館空間場(chǎng)景表面，通過對(duì)環(huán)境表面建模映射，為數(shù)字展品空間擺放功能提供基礎(chǔ)條件。設(shè)計(jì)者需佩戴Hololens設(shè)備在博物館特定區(qū)域進(jìn)行反復(fù)走動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)頭部完成對(duì)特定區(qū)域天花板、墻面、地面的掃描，隨后將該區(qū)域空間場(chǎng)景生成數(shù)字化表格紋理。為了更好地完成數(shù)字展品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者需根據(jù)掃描提示，明確空間場(chǎng)景掃描范圍，增加空間場(chǎng)景映射的立體感[4]。在渲染空間映射場(chǎng)景時(shí)，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用了Holo-toolkit開發(fā)工具包中的空間映射組件，空間映射數(shù)據(jù)源腳本通常負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理掃描到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，設(shè)計(jì)者在掌握空間映射數(shù)據(jù)源腳本的基礎(chǔ)上，通過空間映射觀察者腳本定期掃描周圍環(huán)境，不斷更新空間映射數(shù)據(jù)源腳本中的表面數(shù)據(jù)。而空間映射管理腳本主要負(fù)責(zé)查看空間映射觀察者腳本是否進(jìn)行定期工作，同時(shí)負(fù)責(zé)空間環(huán)境獲取列表接口。

4.2 數(shù)字展品放置設(shè)計(jì)

數(shù)字展品放置功能的主要目的是將全息對(duì)象與物理實(shí)體共同展示在真實(shí)空間當(dāng)中，這就要求數(shù)字全息對(duì)象具有一定的物理特性。比如蒼鷹展示應(yīng)在天空中，棕熊展示應(yīng)放在地面上等，而不是將全息對(duì)象隨意進(jìn)行懸浮設(shè)計(jì)[5]。因此，全息對(duì)象在生成過程中需要通過系統(tǒng)制作出智能放置方案。數(shù)字展品在空間映射期間，掃描空間表面網(wǎng)格實(shí)施標(biāo)簽化處理，其標(biāo)簽類型為地面、墻面、天花板、桌面以及其他類似表面，每種標(biāo)簽均是按照平面所處的空間位置予以標(biāo)準(zhǔn)界定。在處理好該項(xiàng)步驟以后，設(shè)計(jì)者還需對(duì)全息數(shù)字展品進(jìn)行屬性標(biāo)定，如九大星系設(shè)置為水平，山脈地理信息設(shè)置為垂直等。除此之外，數(shù)字展品智能生成主要有水平與垂直兩種屬性，且這兩種屬性多用于多數(shù)量展品。例如：八大行星為水平生成屬性，當(dāng)多行星同時(shí)生成在相同空間場(chǎng)景時(shí)，就會(huì)涉及行星位置擺放的問題，為了更好地將八大行星進(jìn)行科學(xué)合理的空間擺放，先要掃描展示空間所有具有墻面屬性的平面，然后計(jì)算出這些平面的中心坐標(biāo)點(diǎn)與Hololens坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算出二者的相差值。再在Hololens坐標(biāo)中Y值范圍的0.2米以內(nèi)生成水平列隊(duì)，根據(jù)八大行星的排列順序進(jìn)行錯(cuò)落排列。這種排列方式可以讓八大行星在真實(shí)環(huán)境的表面上予以生成，且生成高度便于參觀者更為舒適地查看。

4.3 真實(shí)展品3D識(shí)別設(shè)計(jì)

參觀者在參觀博物館期間，主要想通過數(shù)字技術(shù)展示數(shù)字展品的真實(shí)性，理解展品的相關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)者需要借助真實(shí)展品的識(shí)別功能繼續(xù)設(shè)計(jì)，以便參觀者可以通過佩戴Hololens眼鏡識(shí)別展品，并呈現(xiàn)與之相匹配的數(shù)字化信息，便于參觀者的準(zhǔn)確了解。為了保證展品的真實(shí)性，設(shè)計(jì)者可以采用 Vuforia+Hololens技術(shù)使展品呈現(xiàn)三維特征，在識(shí)別真實(shí)展品的基礎(chǔ)上展示可視化AR信息，參觀者可以根據(jù)自身實(shí)際需求一邊瀏覽，一邊操作AR功能版面的便捷導(dǎo)航功能[6]。為了讓參觀者可以借助移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，設(shè)計(jì)者可以利用Vuforia AR SDK對(duì)其安裝圖像采集、三維對(duì)象識(shí)別、圖像識(shí)別以及跟蹤注冊(cè)等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能的開發(fā)包。Vuforia+Hololens將AR體驗(yàn)與展品中的特定圖像或者物體聯(lián)系在一起，可以增加展品的三維真實(shí)性。

4.4 交互模塊設(shè)計(jì)

Hololens的交互模塊設(shè)計(jì)是根據(jù)不同手勢(shì)進(jìn)行的不同操作方式。Hold手勢(shì)是在保持按下手勢(shì)的基礎(chǔ)上保持超出的系統(tǒng)閾值，當(dāng)參觀者用手按住觸摸板時(shí)，可以進(jìn)行選取對(duì)象的輔助性操作。Tap手勢(shì)是借助手勢(shì)激活檢測(cè)對(duì)象，為參觀者展示實(shí)例化信息內(nèi)容。Navigation手勢(shì)是參觀者按下該模塊以后，用手移動(dòng)三維單位的立方體，使數(shù)字展品可以進(jìn)行水平或者垂直的移動(dòng)，而頁(yè)面導(dǎo)航需構(gòu)建連續(xù)滾動(dòng)、縮放等手勢(shì)，該手勢(shì)與鼠標(biāo)中的單擊功能較為相似。Manipulation手勢(shì)需要在三維立體世界移動(dòng)雙手，并通過移動(dòng)調(diào)整或者旋轉(zhuǎn)全息圖形。以Tap手勢(shì)為例，參觀者對(duì)數(shù)字展品進(jìn)行點(diǎn)擊操作時(shí)，通過凝視數(shù)字展品對(duì)其執(zhí)行Tap手勢(shì)，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)虛擬化信息界面，界面中全是有關(guān)展品的信息介紹內(nèi)容，無(wú)論參觀者在數(shù)字展品的哪個(gè)方向，操作界面始終正向面對(duì)參觀者，待參觀者再次執(zhí)行Tap手勢(shì)時(shí)，該項(xiàng)電腦界面就會(huì)消失。

5 博物館數(shù)字展品中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類可穿戴的新型智能設(shè)備逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過各種各樣的載體進(jìn)行有機(jī)選擇?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界相結(jié)合的新型視覺環(huán)境，在該環(huán)境中物理信息與數(shù)字信息能夠?qū)崟r(shí)共存交互。換句話說(shuō)，混合現(xiàn)實(shí)既是虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，又是現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界、數(shù)字信息技術(shù)的優(yōu)化結(jié)合?；诖?，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在博物館數(shù)字展品中具有較為廣泛的發(fā)展空間。

數(shù)字全息投影技術(shù)是指計(jì)算機(jī)虛擬模仿再現(xiàn)物體圖像數(shù)字信息，該技術(shù)在2010年上海世博會(huì)國(guó)家館中，為前來(lái)參觀的游客展出數(shù)字互動(dòng)版的“清明上河圖”，該地圖采用全息技術(shù)分為晝夜兩個(gè)版本，以優(yōu)質(zhì)的畫面還原了北宋宣和時(shí)期開封市的繁榮場(chǎng)景，地圖中的人物與景色栩栩如生，仿佛跨越千年再次復(fù)活一般。數(shù)字全息投影技術(shù)是在原有三維布局的基礎(chǔ)上借助恢復(fù)算法以及虛擬環(huán)境組織，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平分割與垂直分層，使得大量數(shù)據(jù)作品在呈現(xiàn)過程中合理布局、無(wú)縫連接，隨后再通過計(jì)算機(jī)技術(shù)與文字對(duì)話結(jié)合的方式，為參觀者呈現(xiàn)清明上河圖的沉浸式人機(jī)交互體驗(yàn)，陶醉于北宋東京的繁榮[7]。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的多維度交互展示技術(shù)，可以通過人與多模態(tài)實(shí)時(shí)交互，增加科技展覽館的互動(dòng)性與趣味性。設(shè)計(jì)者可以將生動(dòng)有趣的游戲應(yīng)用于特定場(chǎng)景之中，通過語(yǔ)言、面部表情、頭部動(dòng)作等多種互動(dòng)溝通方式，了解參觀者想要表達(dá)的意圖或者將要執(zhí)行的動(dòng)作，并感知接受參觀者反饋的信息內(nèi)容，使其在大數(shù)據(jù)生成的虛擬場(chǎng)景環(huán)境中，切實(shí)感受到身臨其境的體驗(yàn)。在現(xiàn)階段發(fā)展中，多維度交互展示技術(shù)除了在博物館等地進(jìn)行應(yīng)用以外，還與游戲元素、旅游元素相結(jié)合，在虛擬與現(xiàn)實(shí)的空間中進(jìn)行體驗(yàn)互動(dòng)，凸顯文化展示的低碳綠色，也是未來(lái)人機(jī)交互發(fā)展的必然趨勢(shì)。

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是指運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的重構(gòu)、記錄以及實(shí)時(shí)測(cè)量，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)算法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過紅外線中的高靈敏度攝像機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，隨后對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別出來(lái)以后，利用攝像頭控制調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)物體。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科普領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其應(yīng)用效果的好壞直接影響參觀者的整體體驗(yàn)和感受。由于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)管理是架構(gòu)在該系統(tǒng)的管理上，只需通過定期系統(tǒng)更新，便可為民眾帶來(lái)最新的知識(shí)體驗(yàn)。博物館應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際需求，將傳統(tǒng)紙質(zhì)出版物、移動(dòng)終端、頭戴顯示儀等技術(shù)設(shè)備優(yōu)化結(jié)合，構(gòu)建全新功能的數(shù)字展品，使得科普知識(shí)以更加先進(jìn)的形式普及推廣，促進(jìn)博物館公益服務(wù)再上一個(gè)新臺(tái)階。