增強現實技術在科技館科普展示設計中的應用

賈 清

（上海科技館，上海 200127）

目前，科技館逐漸走上了積極宣傳科技文化的道路，許多科技館順應當代潮流推出增強現實技術應用，希望吸引更多新一代參觀者參與文化學習[1]。然而，在目前已開發(fā)的增強現實技術應用案例中，存在著開發(fā)范圍廣、內容單一和形式單一等問題。例如，對某一展品進行游戲交互，由于技術的限制和開發(fā)者審美素養(yǎng)的影響，很多增強現實游戲存在畫面僵硬、交互真實感弱等問題。用戶無法在游戲的互動過程中體驗到科技館藏品的魅力，更無法通過單一的游戲了解展品的整體文化傳承。在公眾科普系統(tǒng)方面，目前的增強現實技術只能實現簡單的地圖導航，并沒有應用到更深層次的用戶引導、文化交流和公眾科普流程規(guī)劃等方面[2]。科學館傳統(tǒng)上是為游客提供近距離體驗展品的機會，這種訪問方式受時間和空間的限制，更重要的是單一的學習模式已經不能滿足學習者的知識學習需求。沉浸式學習是一種情境式、認知式和聯(lián)想式的學習方法，其目的是在增強現實等現代技術的支持下，為學習者提供現實的、可控的學習環(huán)境，通過與學習環(huán)境的自然或具象化的互動來提升學習體驗。自從增強現實環(huán)境作為了解情境的應用，研究人員一直在質疑臨場感和沉浸感在科普活動中的影響，在以往的研究中已經證明浸入式學習對大眾理解動態(tài)三維過程有顯著的幫助[3]。

本文在總結增強現實技術的特點和科技館展示、公眾科普需求的基礎上，試圖尋找一種適合科技館的創(chuàng)新展品展示方式。利用增強現實技術打破傳統(tǒng)館單一的展覽方式，可以更好地傳播中國深厚的科技文化底蘊。中國有大量不同形式的科技館，增強現實技術的應用不僅能給游客帶來豐富而難忘的體驗，還能在文化傳播和展品保護領域做出突出貢獻，科學技術賦予文化新的傳播方式，增強了文化傳播的深度和廣度。

1 增強現實技術的應用現狀

1.1 增強現實技術的應用范圍

隨著移動智能終端的普及和網絡效率的提高，增強現實技術正以生動的場景、豐富的交互方式和簡單的操作方法逐漸進入大眾視野，并逐步發(fā)展出多種應用方法[4]。增強現實是指通過計算相機的角度和位置信盧，結合圖像分析技術，將虛擬數字內容與現實場景環(huán)境相結合，并與之交互的技術。

目前，增強現實技術在廣告營銷、醫(yī)學研究、教育培訓和游戲開發(fā)等行業(yè)發(fā)展迅速[5]。在看到網上測試的真實效果后，消費者可以更好地了解商品是否適合自己，成功激發(fā)購買欲望，同時可以降低退貨率提高營銷成功率。許多世界著名的科技館、互聯(lián)網公司和其他機構已經開始專注于開發(fā)增強現實技術，以吸引更多的游客和用戶。在教育和培訓方面，增強現實技術可以起到輔助作用，比如幫助大眾了解人體的結構，同時模擬手術過程和手術方案提高診斷效率。增強現實書籍和增強現實教學游戲可以幫助教師更生動地開展教學活動。增強現實技術允許用戶與虛擬世界和現實世界進行交互，使其成為游戲開發(fā)的理想選擇。這種玩法不僅解放了游戲空間，還能讓玩家在尋找環(huán)境的同時與環(huán)境進行互動，是游戲行業(yè)的新突破。

1.2 增強現實技術的應用趨勢

隨著數字化、智能化技術的不斷更新，依靠模型構建和虛擬仿真支持的增強現實技術不斷被開發(fā)和應用[6]。增強現實技術以虛擬仿真技術為支撐，在展品保護和科技館文化推廣方面具有天然優(yōu)勢，便于展品圖像的采集與存儲、展品形色的虛擬還原、虛擬展示與傳播及虛擬產品的開發(fā)。增強現實技術作為一項新興技術，已經在游戲、科技館推廣等領域得到了成功地發(fā)展。例如，科技館開發(fā)了增強現實程序，通過圖像識別使展品的展示更加有趣。隨著國家政策的不斷發(fā)展和虛擬仿真技術的支持，增強現實技術在未來將應用到更廣泛的領域并具有更豐富的形式?；谠鰪姮F實的沉浸式學習環(huán)境可以為人們提供高度沉浸式、靈活互動的虛擬環(huán)境，此前已在科技館展覽中應用以改善參觀者的體驗，進一步增強知識獲取。增強現實技術在國外科技館沉浸式學習中的應用，已被證明能有效地促進參觀者興趣提高和知識交流。然而，國內很少有科技館采用基于增強現實的沉浸式學習。

2 在科技館展示中使用增強現實技術的原因

2.1 傳統(tǒng)科技館陳列的缺點

隨著科技館數量的增加，由于缺乏經驗、人才和資金不足等，科技館并沒有取得穩(wěn)定地發(fā)展[7]。傳統(tǒng)科技館一般采用直接陳列的方式將展品放置在玻璃櫥窗中，輔以文字說明，這自然有很多缺點。一是展品需要較大的空間。如果每一件展品都放在科技館里，必然會遇到空間不足、管理負擔重等問題。二是存儲環(huán)境要求高。由于展品的稀缺性和特殊性，每一件展品都必須得到妥善的保護。許多脆弱的展品甚至需要在其物理存放環(huán)境中進行嚴格地控制，這就需要投入更多的人力物力。第三，心理障礙強。由于玻璃窗的阻隔，游客在參觀的過程中只能透過玻璃觀看展品，在心理上加深了阻隔感，很難直接接觸展品，也很難深入了解和觀察。許多展品非常有名，游客只能在人群中粗略地游覽，更不用說深入探索，了解相關的文化知識和展品背后的故事。這些傳統(tǒng)展示方式的天然弊端也促使科技館尋求新的解決方案，一些科技館正在積極嘗試新的方法來解決這個問題。

2.2 傳統(tǒng)科技館場地的弊端

傳統(tǒng)的展示手段只能根據科技館自身的空間結構進行，而展品的更新和保存則需要大量的人力物力。展品的每一次移動和擺放都可能對展品造成不可彌補的損害。許多游客愿意花時間參觀當地的科技館，專門深入了解當地的科技文化變遷。因此，科技館面臨著許多新問題，如游客空間有限，這限制了每天可以接待的游客數量。大量的旅客涌入會造成周邊交通擁堵、環(huán)境破壞等，客流量的增加也會使游客體驗質量下降。

科技館是向觀眾展示和推廣文化與知識的場所。中國科技館規(guī)模逐年快速增長，但是在缺乏軟硬件設備、經驗不足、人才匱乏的情況下，我國的展示形式、展示內容和技術比較落后，整體發(fā)展階段粗放，與一些發(fā)達國家相比差距很大。無論是科技館的硬件設備還是管理的思想觀念，都沒有跟上時代的發(fā)展變化，不能滿足當前游客的需求?？萍拣^沒有自己的特色、趨于同質化是一種普遍現象，無法讓感興趣的游客前來觀賞，觀賞過程中也處于游覽的狀態(tài)，使游客產生審美疲勞難以激起欲望，游客對科技館失去興趣。

2.3 傳統(tǒng)科技館陳列時間地點的局限性

中國是一個地大物博的國家，在漫長的科技發(fā)展過程中各個地區(qū)都建造了大量的科技館?？萍拣^展出的展品數量有限，不能充分利用文化資源供給游客，科技館的文化產品不能滿足廣大人民群眾的精神需求。同時，應用現代科學技術的手段較少，即使有一些互動裝置產品體驗效果也不明顯，影響游客的沉浸感體驗，是適得其反的。每個科技館都具有很強的地理屬性，是各個地區(qū)科技文化豐富的代表。因此，每個地區(qū)的科技館都是不可替代的。對于游客來說，在科技館中不僅可以充分體驗各個地區(qū)的特色，還可以了解不同地區(qū)在不同科技發(fā)展時期的背景。然而，地域的分散也使科技館面臨著宣傳的問題。隨著長期的侵蝕，展品一直面臨著巨大的破壞風險，展品一旦遭到破壞就面臨著難以修復或無法修復的問題，這對展品的保護和研究是一個巨大的挑戰(zhàn)。

3 增強現實技術的工作流程與設計原則

3.1 增強現實技術的科技館展覽工作流程

增強現實的基本工作流程：首先，利用相機和傳感器在科技館的特定環(huán)境中收集環(huán)境信盧。位置傳感器負責分析環(huán)境并“掃描”環(huán)境的組合。其次，通過計算機預處理和識別階段設計并制作具體的虛擬觸發(fā)器，實現信盧與環(huán)境的融合。最后，將虛實融合的結果輸出到設備上，然后由用戶的智能設備或科技館的特定設備將結果完全呈現出來。手持設備的分辨率、處理器、相機成像能力和傳感器靈敏度都在不斷提高，這是實現增強現實所必需的客觀因素，對于科技館來說無疑降低了人力和設備的成本。增強現實系統(tǒng)必須結合真實圖像和虛擬信盧，因此，如何將兩者自然融合是增強現實技術研究的重點。從系統(tǒng)結構可以看出，虛擬場景生成單元負責虛擬場景信盧的生成和傳感器信盧的處理。顯示器負責顯示最終增強現實融合后的場景內容。在手持設備的增強現實系統(tǒng)中，通常由攝像頭采集場景，屏幕起到顯示的作用。

總結增強現實系統(tǒng)的一般工作原理：首先利用信盧捕獲設備（如攝像機）對真實場景的信盧進行篩選和識別，將識別出來的有用信盧生成為數據。其次在后臺接收到信盧后，利用信盧處理單元對傳入的信盧進行識別和檢測，最后再對分析數據進行三維注冊。在位置處理方面，處理單元會根據設備捕捉到的信盧，對真實場景和虛擬場景的相對位置進行分析匹配，利用坐標系的一致性實現真實場景和虛擬場景的位置匹配。交互模塊的實現依賴于交互設備，設備采集到信盧后，通過系統(tǒng)處理與虛擬場景信盧進行交互。增強現實系統(tǒng)通過綜合輸出模塊輸出信盧并將信盧輸出到顯示設備，使用戶可以直接看到增強現實融合后的增強場景并根據需要進行交互。到目前為止，增強現實系統(tǒng)已經完成了整體的工作目標。

3.2 增強現實技術在科技館展覽中的設計原則

基于用戶需求與享受并存，增強現實技術在科技館的應用主要是為了加強科技館文化知識的傳播，而不僅是為了突出技術的優(yōu)勢。用戶的需求是一切服務的基礎?？紤]到科技館的展品維度相對較大，展品數量和種類繁多，在設置增強現實互動游戲或體驗時，要平衡科技文化宣傳的專業(yè)性和趣味性，平衡各個年齡層和不同文化背景的參觀者，在互動體驗的過程中難度不要太大，內容設置專業(yè)準確與有趣并行。整體方向朝著年輕化、大眾化方向設計。科技館是一個城市中大型的綜合性科技文化教育場所，接待各種年齡的游客。因此，在考慮用戶需求時，必須考慮各個年齡段的訪問特征和心理特征。為兒童設置相應的游戲可以給其更好的參觀體驗。對于中老年人來說，對智能設備和虛擬交互相對陌生，容易抗拒和不理解虛擬交互。

調動五感以加強沉浸感和參與感。人們在接受信盧的過程中，主要使用“五感”，即視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺。傳統(tǒng)的科技館展示方式之所以枯燥，是因為單一的信盧傳遞方式只調動了參觀者的視覺和聽覺感官，無法實現多感官的互動體驗。這樣一來訪問者就無法將自己沉浸在環(huán)境中，從而導致信盧傳播的效率低下。通過創(chuàng)意設計有些游戲甚至可以加入“五感”體驗，讓游客獲得多感互動體驗。對于游客來說這是一種立體的參觀體驗，這種深度和沉浸式的氛圍也讓參觀過程變得有趣。因此，在增強現實交互體驗的設計中，加入多感官交互體驗增強沉浸感和參與感是創(chuàng)意交互的重點之一。

連接生活拉近與來訪者的距離。隨著科技館的多元化發(fā)展，一些科技館成功地從嚴肅的文化基地轉變?yōu)槟贻p的具有生活導向作用的生活方式指南，在吸引更多的游客和獲得更多的文化認同方面取得了巨大的成功。通過科技館開發(fā)相關產品、虛擬游戲、深化互動等有效手段，成功吸引了更多的游客，成功地拉近了科技館與普通人的心理距離，不僅為科技館創(chuàng)造了可觀的文創(chuàng)收入，也吸引了更多的線上線下游客，更愿意主動了解科技館及其故事?？萍拣^以科技文化為基礎，更適合將收藏的展品與當地的日常生活聯(lián)系起來，突出當地科技文化特色增強游客的參與感，既能拉近與游客的距離，又能以無形的方式傳遞展品的價值和文化內涵。

4 增強現實技術在科技館中的應用

4.1 增強現實技術在科技館中場景顯示

中國科技館文化資源的展示形式正處于瓶頸期，簡單的技術和設備的組合不能滿足公眾的需求。增強現實技術的應用有效地提高了科技館文化資源的傳播效果，極大地提高了科技館展覽的傳播效果。中國現有的大多數科技館都是由政府或國家創(chuàng)建的。由于科學技術時代的飛速發(fā)展，科技館建設形成了快速發(fā)展的趨勢，參觀人數越來越多，展覽形式也在逐漸發(fā)生變化。使用增強現實技術的科技館很多，但大多集中在展品形式的互動游戲。在增強現實場景顯示中，首先，由于虛擬環(huán)境將用于科學文化教育，有必要確保其中包含的原則和知識是科學的；其次，在系統(tǒng)性能方面大多數用戶要求在場景中獲得流暢的沉浸式體驗；最后，就系統(tǒng)可用性而言要求盡可能自然地進行交互，不僅要求設計的交互盡可能真實，而且期望交互更加簡單、方便。

參觀科技館已成為人們生活中越來越重要的一部分，但傳統(tǒng)的科技館參觀方式無法滿足大眾的心理需求。大多數科技館對傳統(tǒng)展品的陳列多是將展品放在陳列柜或陳列架上，而有關發(fā)掘故事或展品本身的科技史多以文字講解、圖片演示或視頻播放的形式呈現。總體來說展覽的展示形式單一、缺乏創(chuàng)意。增強現實技術在科技館的應用需要相關技術人員參與研究和方案制定，在場景構建中需要三維建模者和學者合作創(chuàng)建場景。同時需要計算機專業(yè)技術人員對服務器進行維護、編寫和運行程序等以保證軟件的平穩(wěn)運行，保證網絡信盧的安全。

4.2 增強現實技術在科技館中導航指引

近年來，風靡全球的增強現實技術的產生，為中國科技文化資源的開發(fā)和傳播發(fā)揮了重要作用。增強現實技術依靠現代科技手段使游客在特定范圍內創(chuàng)造和設計體驗虛擬場景的感受，即使是線下實體科技館的參觀者也無需受時間和空間的限制，能夠快速瀏覽科技館展品的文化資源信盧。而且增強現實技術也能更多地體現使館展品的文化再生價值并恢復其原有狀態(tài)，目前我國許多線下科技館都是在相應的線上虛擬科技館中開設的。

增強現實導航指引，增強現實技術也可以在科技館的實地導覽中發(fā)揮重要作用。根據定位系統(tǒng)結合展覽場地的布局，設計一個科技館IP 形象作為“領航員”，如科技館形象可以是一個人物或動物，帶你一步一步向前走，在方便互動的同時也可以根據需要介紹相應的展品。同時可以提供個性化的導航路線讓游客更好地規(guī)劃自己的游覽路線。增強現實展品展示，在珍貴展品的展示中由于一些展品的材料特性或年代久遠，展示環(huán)境非常嚴格，考慮到展品的保護可能無法進行展示。在這種情況下，可以利用增強現實技術進行數字創(chuàng)作和模仿，對這部分展品進行掃描、修復和增強效果，從而實現這部分珍貴展品的展示。

5 結束語

本文總結了增強現實技術在科技館中的應用前景和發(fā)展途徑，試圖探索出一條更好的科技館發(fā)展之路。從打破傳統(tǒng)的展示方式，為未來科技館的展示方式提供更多的可能性入手，并總結了增強現實應用的必要性、設計方法和設計原則。