AR和VR技術(shù)在數(shù)字博物館的應(yīng)用研究

陳天侖

（故宮博物院，北京 100009）

1 AR和VR技術(shù)概述

AR技術(shù)是一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠通過利用計(jì)算機(jī)以及攝影機(jī)等設(shè)備在不同角度上疊加圖像的方式，加強(qiáng)虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的無縫連接，從而實(shí)現(xiàn)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。AR技術(shù)常與虛擬技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，其將虛擬世界轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界中，如將虛擬博物館中知識(shí)技術(shù)實(shí)體化展示轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界中，展現(xiàn)在觀眾的眼前，使其能夠通過相關(guān)設(shè)備在視覺、聽覺和嗅覺等方面感受虛擬信息，從而提高對(duì)博物館的游覽效果。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，主要的應(yīng)用技術(shù)包括：多媒體技術(shù)、三維建模技術(shù)、實(shí)時(shí)顯示以及多種傳感器控制等技術(shù)，通過技術(shù)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景之間的融合發(fā)展，進(jìn)一步為觀眾提供多方面的感知信息。AR技術(shù)應(yīng)用時(shí)具有以下特點(diǎn)，首先，其能夠?qū)⒄鎸?shí)世界和虛擬世界進(jìn)行信息集成。通過將虛擬投向現(xiàn)實(shí)，使二者實(shí)現(xiàn)更好的融合，提高觀眾不同感官的實(shí)際感受效果，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的集成。其次，實(shí)時(shí)交互性。想要降低虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的差異，應(yīng)提高二者之間信息的實(shí)時(shí)性，AR技術(shù)根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的信息變化情況進(jìn)行調(diào)整，使虛擬信息更加接近現(xiàn)實(shí)。最后，應(yīng)用廣泛性，AR技術(shù)能夠根據(jù)環(huán)境的變化，對(duì)虛擬連接和集成進(jìn)行調(diào)整，提高與不同現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之間的契合效果，使該技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用在不同空間環(huán)境中。

VR技術(shù)是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又被稱為虛擬環(huán)境技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用過程中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)中事物進(jìn)行識(shí)別，并在虛擬世界中構(gòu)建三維環(huán)境，形成的虛擬環(huán)境能夠與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互，同時(shí)，能進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行[1]。AR技術(shù)在應(yīng)用過程中，用戶能夠?qū)μ摂M世界的內(nèi)容進(jìn)行感知，如視覺、觸覺、聽覺等，提高人們?cè)谔摂M世界中的沉浸感。如通過應(yīng)用環(huán)境建模以及交互和系統(tǒng)集成等技術(shù)的應(yīng)用，在虛擬網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建博物館，用戶通過頭盔等設(shè)備的連接，產(chǎn)生在真實(shí)博物館中觀賞的感覺，使虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的連接效果得到增強(qiáng)。

2 數(shù)字博物館特點(diǎn)

數(shù)字博物館是在數(shù)字化技術(shù)的影響下構(gòu)建而成的，在實(shí)際使用過程中，多項(xiàng)技術(shù)集成應(yīng)用，將現(xiàn)實(shí)中的博物館同步到網(wǎng)絡(luò)中，觀眾能夠通過計(jì)算機(jī)或者手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)行在線游覽博物館。我國在2012年正式上線百度百科數(shù)字博物館，在發(fā)展過程中不斷升級(jí)，目前已得到長(zhǎng)足進(jìn)步。

相比實(shí)體博物院，數(shù)字博物館需要使用計(jì)算機(jī)和相關(guān)硬件及軟件系統(tǒng)之間的發(fā)配，為觀眾呈現(xiàn)相應(yīng)的內(nèi)容，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠精準(zhǔn)地對(duì)信息進(jìn)行儲(chǔ)存、并根據(jù)實(shí)際信息進(jìn)行調(diào)整，整體形象較為生動(dòng)，易于傳播，具有較強(qiáng)的發(fā)展意義[2]。在對(duì)實(shí)際博物館藏品進(jìn)行信息采集后，通過三維技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，有效提高對(duì)實(shí)際藏品的保護(hù)效果，通過網(wǎng)絡(luò)窗口能夠?qū)Σ仄愤M(jìn)行直接搜索，提高信息檢索效率，提高研究人員的實(shí)際研究效果。

現(xiàn)代化數(shù)字博物館在應(yīng)用時(shí)，靈活利用AR和VR技術(shù)，使現(xiàn)實(shí)和虛擬之間的交互效果得到提升，為博物館觀眾提供更加良好的體驗(yàn)，滿足使用者在足不出戶的情況下觀賞博物館的需求，為觀眾提供更加真實(shí)的虛擬博物館參觀體驗(yàn)。

3 博物館中對(duì)AR和VR技術(shù)的應(yīng)用

3.1 AR技術(shù)的應(yīng)用

AR技術(shù)在數(shù)字博物館中應(yīng)用的過程中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來幫助實(shí)現(xiàn)博物館虛擬化，使觀眾能夠通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)虛擬博物館進(jìn)行瀏覽、漫游和交互，深度對(duì)藏品進(jìn)行分析和查詢。在構(gòu)建虛擬博物館時(shí)，主要使用三維技術(shù)生成藏品圖形，研究人員對(duì)藏品進(jìn)行三維數(shù)據(jù)測(cè)量，根據(jù)數(shù)據(jù)來構(gòu)建相應(yīng)的三維圖像。此時(shí)應(yīng)加載計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對(duì)圖形三維圖形進(jìn)行調(diào)整，使虛擬三維圖片視覺效果更符合人眼觀察習(xí)慣，提高虛擬藏品圖像的實(shí)際觀賞效果。觀眾在對(duì)藏品進(jìn)行瀏覽和觀賞的過程中，會(huì)從不同的角度對(duì)藏品進(jìn)行觀察，為滿足用戶的需求，使虛擬的瀏覽體驗(yàn)得到提升，此時(shí)應(yīng)在虛擬系統(tǒng)中構(gòu)建動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，將其與三維圖形的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，同時(shí)與用戶的操控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接，使圖像能夠根據(jù)用戶的視角移動(dòng)方向展示相應(yīng)觀察角度動(dòng)態(tài)形象，在進(jìn)一步加強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)的同時(shí)，提高虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

在構(gòu)建AR系統(tǒng)時(shí)，需要通過系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)不同技術(shù)的集成，如3D模型技術(shù)和模型標(biāo)定技術(shù)以及合成技術(shù)等，完成對(duì)博物館的虛擬構(gòu)建。在進(jìn)行虛擬系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，應(yīng)明確最終目標(biāo)，一方面為用戶展示博物館中相關(guān)藏品內(nèi)容；另一方面加強(qiáng)用戶與虛擬場(chǎng)景之間的交互。在此需求下，首先對(duì)實(shí)際的博物館真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)調(diào)查，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的全面信息進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)攝像機(jī)的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)不同坐標(biāo)下的攝像機(jī)采集信息進(jìn)行識(shí)別和控制，豐富圖像庫存。將采集數(shù)據(jù)輸入到虛擬顯示系統(tǒng)，將真實(shí)的圖像與虛擬的場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合，形成現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，為用戶展示博物館中藏品內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字博物館的參觀。

3.2 VR技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)在數(shù)字圖書館中的應(yīng)用更多地體現(xiàn)在人機(jī)交互中，通過將虛擬和現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過三維技術(shù)的展示來促進(jìn)完成互動(dòng)，將現(xiàn)實(shí)與虛擬進(jìn)行疊加，為觀眾提供更加良好的博物館瀏覽體驗(yàn)。VR系統(tǒng)在實(shí)施過程中，需要在虛擬博物館不同藏品中進(jìn)行坐標(biāo)定位，根據(jù)不同虛擬坐標(biāo)來對(duì)虛擬模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在該過程中對(duì)虛擬藏品的位置和形象等進(jìn)行識(shí)別和定位，并與真實(shí)三維圖片和攝像位置進(jìn)行對(duì)照修整。在該階段中，通過VR技術(shù)來對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整，使其與虛擬攝像坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并將其與真實(shí)世界坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。用戶在操作過程中，用戶可以進(jìn)行信息交互，對(duì)某藏品進(jìn)行控制使其現(xiàn)實(shí)化，通過控制VR系統(tǒng)，對(duì)虛擬中的藏品圖像進(jìn)行處理，同時(shí)將虛擬空間坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)進(jìn)行嵌入融合，使虛擬景象順利疊加在現(xiàn)實(shí)世界中，并將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬景象結(jié)合的畫面回傳到現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)效果，在該情況下，支持用戶與場(chǎng)景之間的互動(dòng)，提高觀眾的參與感和體驗(yàn)感。

在現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的過程中，主要應(yīng)用以下技術(shù)：①顯示技術(shù)。該技術(shù)的主要應(yīng)用目是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)效果的增強(qiáng)，通過顯示技術(shù)使博物館中的展品更加真實(shí)地展示在觀眾的眼前，提高感知體驗(yàn)效果。②三維技術(shù)。該技術(shù)在應(yīng)用過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)三維坐標(biāo)的管理和識(shí)別效果[3]。加強(qiáng)三維坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中坐標(biāo)的重合效果，有利于提高虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的結(jié)合效果。③系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。在對(duì)數(shù)字博物館進(jìn)行VR設(shè)計(jì)的過程中，為提高現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)效果，需要靈活利用不同的系統(tǒng)開發(fā)工具，對(duì)虛擬藏品進(jìn)行識(shí)別和控制，優(yōu)化其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的展示效果，從而提高整體的系統(tǒng)開發(fā)和展示作用。

3.3 技術(shù)集成應(yīng)用設(shè)計(jì)

數(shù)字博物館在使用AR和VR技術(shù)集成的過程中，為提高整體的展示效果，應(yīng)根據(jù)博物館的實(shí)際情況進(jìn)行框架構(gòu)建，從而便于進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行完善。數(shù)字博物館在構(gòu)建時(shí)，應(yīng)為觀眾提供兩種瀏覽路徑。其一，單純的虛擬瀏覽，用戶選擇該方式時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)的入口對(duì)博物館中的不同展品進(jìn)行搜索，或者通過不同分類進(jìn)行瀏覽觀賞，在該情況下，支持通過直觀方式在計(jì)算機(jī)和手機(jī)中對(duì)藏品進(jìn)行觀賞。用戶可以通過不同的視角進(jìn)行觀看，并了解展品的相關(guān)信息。其二，在觀賞過程中加入信息交互，滿足用戶與虛擬博物館之間的互動(dòng)。在該情況下，用戶一般需要借助專門的頭盔、眼鏡或其他的設(shè)備，幫助提高用戶的體驗(yàn)感。在外部設(shè)備的幫助下，為其提供沉浸式博物館瀏覽體驗(yàn)。用戶在AR和VR系統(tǒng)的輔助下，通過設(shè)備增加身臨其境的感覺，并且在沉浸式體驗(yàn)中，能夠與虛擬的展品進(jìn)行互動(dòng)，滿足用戶的實(shí)際需求。

在對(duì)數(shù)字博物館虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)的過程中，主要將系統(tǒng)分為兩個(gè)框架，一方面，針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的虛擬交互系統(tǒng)進(jìn)行框架構(gòu)建，結(jié)合需求設(shè)置虛擬引導(dǎo)、藏品展示以及說明功能，在瀏覽的過程中，可以選擇與虛擬藏品進(jìn)行交互，同時(shí)觀看文字圖片或者播放語音說明等，提高對(duì)博物館藏品的了解。另一方面，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將框架分為藏品展示以及博物館環(huán)游等功能，在產(chǎn)品展示的過程中，能夠通過不同角度觀看瀏覽，同時(shí)允許相應(yīng)的互動(dòng)游戲。在虛擬環(huán)游的過程中，根據(jù)虛擬導(dǎo)向在虛擬世界中，對(duì)整個(gè)博物館進(jìn)行游覽，從而提高整體的體驗(yàn)效果。

4 未來數(shù)字博物館的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)交互應(yīng)用

現(xiàn)代化AR和VR技術(shù)的應(yīng)用逐漸豐富，但發(fā)展仍受到一定的制約。受到硬件和軟件等計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)水平的影響，目前的虛擬現(xiàn)實(shí)交互應(yīng)用水平仍然較低，觀眾的感官體驗(yàn)有限。

為提高未來數(shù)字博物館的整體質(zhì)量，在利用AR和VR技術(shù)的過程中，提高虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的交互效果。如在虛擬世界中構(gòu)建更為真實(shí)的場(chǎng)景，同時(shí)優(yōu)化整體形象和圖片影響的視覺效果，使其在微觀角度仍能夠保持較為清晰且真實(shí)的效果，提高對(duì)博物館藏品的展示效果[4]。同時(shí)加強(qiáng)與博物館之間的互動(dòng)效果。目前的互動(dòng)中主要包括瀏覽引導(dǎo)和互動(dòng)游戲，但受到技術(shù)的制約，互動(dòng)游戲仍停留在表面。通過未來的發(fā)展，構(gòu)建相應(yīng)的體感設(shè)備，將觀眾投射到虛擬世界中，對(duì)虛擬環(huán)境中的博物館進(jìn)行參觀，提高系統(tǒng)的沉浸效果，同時(shí)提高觀眾對(duì)藏品的了解效果。

4.2 設(shè)備升級(jí)管理

現(xiàn)代化背景下，AR和VR技術(shù)效果有一定提升，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中仍受到設(shè)備的限制。大部分博物館中缺乏精密度高的硬件，在實(shí)際的三維數(shù)據(jù)采集過程中，可能無法做到更加真實(shí)的還原效果，從而影響實(shí)際的展示效果。部分設(shè)備在缺乏系統(tǒng)運(yùn)維的情況下，影響系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，導(dǎo)致畫面無法與現(xiàn)實(shí)環(huán)境達(dá)到更好的匹配效果，影響觀眾的視覺體驗(yàn)，并且容易造成眩暈感，不利于提高設(shè)備使用效果[5]。

為加快博物館設(shè)備升級(jí)效率，在實(shí)際的發(fā)展過程中，國家應(yīng)加強(qiáng)支持效果，通過相關(guān)的政策指導(dǎo)以及資金投入等方式，加快博物館內(nèi)部虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)設(shè)備的更新，從而提高數(shù)字博物館的設(shè)備應(yīng)用效果。

4.3 資源協(xié)調(diào)管理

在數(shù)字博物館進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的過程中，通過對(duì)不同技術(shù)資源的應(yīng)用，構(gòu)建完善的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。由于整體的操作需要專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行全面的管理和操控，在博物館中缺乏足夠的專業(yè)人才，導(dǎo)致無法對(duì)博物館資源以及AR和VR技術(shù)資源進(jìn)行有效協(xié)調(diào)和管理，最終影響整體的呈現(xiàn)效果[6]。

在數(shù)字博物館的未來發(fā)展過程中，其內(nèi)部的相關(guān)數(shù)據(jù)和資源將會(huì)不斷增加，在應(yīng)用過程中，提高對(duì)資源的協(xié)調(diào)管理技術(shù)，通過提高AR和VR技術(shù)，對(duì)資源應(yīng)用效率進(jìn)行提升，同時(shí)加強(qiáng)博物館與其他網(wǎng)絡(luò)熱門IP進(jìn)行聯(lián)合，充分利用已有資源，完善博物館管理水平的同時(shí)，促進(jìn)博物館的進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)束語

綜上所述，在數(shù)字博物館設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理過程中，加強(qiáng)對(duì)AR和VR技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合博物館的自身特點(diǎn)，構(gòu)建恰當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)框架，提高虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)博物館的實(shí)際體現(xiàn)效果，進(jìn)一步融合發(fā)展不同的應(yīng)用技術(shù)，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用效果得到有效提升，促進(jìn)我國數(shù)字博物館的廣泛發(fā)展與提升[7]。