李旭杰

（天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 300131）

一、緒論

（一）AR技術(shù)概述

增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動終端設(shè)備的發(fā)展，不再局限于固定環(huán)境或大型設(shè)備，借助更加便利快捷、普及的移動終端——手機加以實現(xiàn)，移動增強現(xiàn)實可以在平板電腦、智能手機等設(shè)備上實現(xiàn)，該技術(shù)的現(xiàn)實應(yīng)用具有重要意義。

（二）博物館展示的新技術(shù)需求

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類文化遺產(chǎn)的實物，并對其進行分類，為參觀者提供學(xué)習(xí)、教育、娛樂服務(wù)的場所。提供高質(zhì)量的信息服務(wù)是博物館核心價值所在。

博物館展示通常是具有獨特的實物現(xiàn)場體驗的特征，但是依然需要新技術(shù)的融合與支撐。因為觀眾隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，對信息獲取與體驗的需求不斷提升，這就成為博物館發(fā)展的必然方向，現(xiàn)階段博物館建設(shè)及展示設(shè)計發(fā)展，整體呈現(xiàn)出積極導(dǎo)入數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、智能技術(shù)的趨勢特點。

二、增強現(xiàn)實技術(shù)在馬王堆漢墓展示中的應(yīng)用設(shè)計

（一）馬王堆漢墓展示現(xiàn)狀及問題點分析

通過到湖南省博物館馬王堆漢墓展示現(xiàn)場的實際調(diào)查研究，總結(jié)出如下分析結(jié)果：

1.展品展覽信息分散，不完整

為了減少不同種類文物的損壞與消耗，湖南省博物館無可選擇地將挖掘出土的女尸、棺槨以及各類隨葬品分列于不同的展柜中，使得展品分離，展品信息的關(guān)聯(lián)性被人為切割，不利于參觀者完整地感受和認知馬王堆漢墓整體信息。

2.展品脫離環(huán)境，體驗感知不充分

文物脫離原有的墓穴環(huán)境，使得參觀者體驗的臨場感大大降低。

（二）應(yīng)用方案的構(gòu)想與設(shè)計

以參觀者視角與需求為出發(fā)點，完成如下方案構(gòu)想與設(shè)計：參觀者使用自身攜帶的智能手機、平板電腦來到棺槨展示區(qū)，安裝程序，借助照相機的鏡頭，將其對準墓穴的任意角度進行觀看,如下圖所示。屏幕獲得現(xiàn)實墓穴中真實棺槨與虛擬的女尸三維模型以及所有陪葬品三維模型的很好融合。該設(shè)計方案特點：1.補充展品缺失部分；2.展示文物空間關(guān)系及出土先后順序；3.豐富參觀體驗；4.避免文物破壞。

方案設(shè)計示意圖

三、馬王堆漢墓增強現(xiàn)實展示方案的實現(xiàn)

（一）技術(shù)路線

1. 三維虛擬場景模型制作技術(shù)

為了三維虛擬場景高仿真度實時渲染的呈現(xiàn)，運用Maya軟件建立動畫角色模型與場景模型的構(gòu)建，如下圖所示。

虛擬場景的三維模型

2. 圖像特征識別與匹配技術(shù)

圖像特征識別與匹配的技術(shù)是增強現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)?；谟嬎銠C視覺注冊的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，有兩種方法：人工標記特征點方法和自然特征點提取方法。不能破壞文物原有的體貌，所以人工標記特征的方法不適用，我們采取自然特征的匹配方法進行圖片的識別跟蹤。

3. 三維跟蹤注冊技術(shù)

三維跟蹤技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術(shù)。常用的三維跟蹤注冊方法有兩類：基于硬件（如陀螺儀、慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)等）跟蹤器的三維跟蹤技術(shù)與基于計算機視覺的三維跟蹤技術(shù)。本文將就計算機視覺的三維跟蹤技術(shù)如何應(yīng)用于馬王堆漢墓進行展示。

（二）增強現(xiàn)實應(yīng)用程序的實現(xiàn)

1.開發(fā)環(huán)境與測試環(huán)境的設(shè)定

開發(fā)環(huán)境：基于一臺硬件性能優(yōu)良的PC進行開發(fā)系統(tǒng)的搭建，采用Unity 3D作為開發(fā)環(huán)境，Maya三維動畫軟件作為虛擬場景制作環(huán)境，高通開發(fā)的針對增強現(xiàn)實應(yīng)用Unity 3D中的開發(fā)包Vuforia AR SDK作為實現(xiàn)增強現(xiàn)實的具體實現(xiàn)工具包。

測試環(huán)境：以等比例縮小的木制實體棺槨模型為測試現(xiàn)實場景，不受自然光影響的前提下在其放置的空間環(huán)境中控制燈光照度及角度不變，測試過程中棺槨位置及其周圍環(huán)境不變。程序開發(fā)基于Android 平臺的三星Galaxy Mega設(shè)備將系統(tǒng)升級為4.0以上版本。

2.實現(xiàn)三維場景建模

為了增強現(xiàn)實應(yīng)用呈現(xiàn)的效果與加載速度達到理想狀態(tài)，需要有效控制模型與貼圖。使用多邊形（Polygons）建模，選擇貼圖時，控制其分辨率不高于1024×1024dpi，可以較好地保證觀看畫面效果及模型的加載匹配速度。

3.實現(xiàn)圖像的采集與處理

本文針對實現(xiàn)圖像采集的技術(shù)實現(xiàn)，通過Vuforia SDK增強現(xiàn)實工具包中的Single Image和最新添加的3D Object模塊進行對比試驗進行測試。具體實現(xiàn)過程如下：

（1）棺槨的連續(xù)圖像采集：將置于現(xiàn)實空間中的棺槨模型進行三維掃描，自動將其分解為49個面進行依次捕捉采集。掃描建模完成之后需測試捕捉的實時性與穩(wěn)定性，拖動text中顯示綠色測試點后，其隨動性的靈敏度表示捕捉效果優(yōu)良度。

（2）圖像特征點處理及三維注冊。將采集完成的目標文件上傳至Add Target板塊中，目標管理器進行樣本分析，下載的樣本注冊矩陣信息Vuforia SDK通過Tracker及其子類識別三維空間中能跟蹤監(jiān)測到現(xiàn)實環(huán)境中的棺槨目標，當前現(xiàn)實環(huán)境中的圖像與樣本矩陣信息相匹配成功即對當前現(xiàn)實圖像進行跟蹤渲染，實現(xiàn)三維跟蹤注冊技術(shù)。反之，則退出對當前圖像的三維跟蹤渲染，重新加載識別。

4.實現(xiàn)虛擬場景疊加

在工程文件中導(dǎo)入三維模型，工程文件的顯示界面中不能識別之前掃描完成的.ob文件具體圖像，在手動調(diào)試導(dǎo)入的三維模型后，需生成手機APP，進行反復(fù)調(diào)節(jié)虛擬模型與現(xiàn)實棺槨的空間關(guān)系、燈光模擬等，實現(xiàn)較好效果的虛實融合。

（三）應(yīng)用程序使用測試

將針對于三星Galaxy Mega手機Android4.2系統(tǒng)，生成的SDK文件導(dǎo)入手機，借助等比例縮放（1∶4）棺槨模型進行模擬實際環(huán)境的使用測試：

1.當取景器對準真實棺槨場景時，目標管理器對捕捉圖像進行1~2秒分析匹配后，顯示屏即可呈現(xiàn)馬王堆漢墓增強現(xiàn)實效果，對比未經(jīng)虛擬融合的真實場景，無縫疊加女尸及其陪葬品的虛擬三維模型后顯示圖像復(fù)原了出土?xí)r的場景，效果直觀、整體。

應(yīng)用測試效果圖

2. 模擬視角偏差，在不同角度、高度、遠近距離進行移動過程中，手機始終保持對應(yīng)觀看點相應(yīng)的虛實結(jié)合圖像的顯示，觀眾可以在移動中從不同角度持續(xù)觀看。

3.當發(fā)生移動速度過快，棺槨完全脫離取景器時，在任意停留位置重新取景測試，即可得到當前位置增強現(xiàn)實之后虛、實場景融合效果，具有很好的實時性和應(yīng)變性。

4.模擬了博物館參觀過程中，展示棺槨被穿梭人群局部遮擋干擾的情況下，系統(tǒng)通過未遮擋區(qū)域進行捕捉識別，通過空間固定關(guān)系的計算可以實現(xiàn)加載追蹤完整的棺槨模型，從而實現(xiàn)無縫疊加虛擬空間場景。并未對觀看過程造成圖像丟失或者畸形的不良影響。

實驗結(jié)果呈現(xiàn)還存在不足之處，需要在后續(xù)工作中進行修正與完善：

1.目前實驗效果顯示虛擬三維模型缺少相對應(yīng)的陰影效果，當與真實場景相融合后，光照雖然模擬近似，但未添加陰影效果會產(chǎn)生一定的割裂感。

2.由于該項目的虛擬場景需要放置嵌入真實場景的棺槨中，從不同角度觀看時會產(chǎn)生一定的遮擋，現(xiàn)階段測試效果并未滿足棺槨邊沿對內(nèi)置器皿的空間遮擋關(guān)系，觀看體驗的真實度有待提高。

四、結(jié)論

該方案解決了原有增強現(xiàn)實設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于攜帶等不足，以及附加設(shè)備的發(fā)放及返還的問題。解決了博物館展示中，展品展覽信息分散，不完整；展品脫離環(huán)境，體驗感知不充分的問題。通過最終的實體模型的測試實驗，結(jié)果顯示該程序具有較穩(wěn)定的應(yīng)用性，在后續(xù)的研究中，可以探討添加展示內(nèi)容的動態(tài)信息及輔助說明等功能。該技術(shù)類型的博物館展示應(yīng)用，必將會發(fā)展出更多的數(shù)字化展示。