陶武

摘 ? 要：傳統(tǒng)的博物館展示方式多采用櫥窗陳列物品，存在互動性差等缺陷，通過分析增強(qiáng)現(xiàn)實虛擬混合所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出基于AR-VR混合開發(fā)博物館互動展示系統(tǒng)的方法，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方式可使館藏信息展示更全面，激發(fā)參觀者的觀察與思考。本文在AR技術(shù)基礎(chǔ)上融入VR技術(shù)，提出基于AR-VR混合技術(shù)展示展品方式，采用雙向互動方式在AR與VR間進(jìn)行切換，克服了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在交流互動中存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)實虛擬 ?增強(qiáng)現(xiàn)實 ?博物館展覽

中圖分類號：G720 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0254-02

1 ?VR技術(shù)在數(shù)字博物館中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)代藝術(shù)在數(shù)字領(lǐng)域發(fā)展演變的重要方向，依托于計算機(jī)與人工智能技術(shù)，借助靈境科技營造數(shù)字化空間，賦予了藝術(shù)創(chuàng)造及各匯總藝術(shù)行為的自由。媒體就似乎手段形成了自身獨(dú)立的藝術(shù)語言體系，中國VR藝術(shù)研究中心秉承致力于社會公益事業(yè)發(fā)展的理想，推動了對VR技術(shù)在數(shù)字博物館中的應(yīng)用。

VR技術(shù)將人們帶入由多感知系統(tǒng)與靈境技術(shù)創(chuàng)造的深度沉浸。以往藝術(shù)實踐中，藝術(shù)家受到物理世界固有邏輯系統(tǒng)的支配，VR技術(shù)是數(shù)字技術(shù)中神奇的科技，打破了以往藝術(shù)實踐的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，任何信息的物質(zhì)性因素可變?yōu)榭煽氐碾娮幼兞恐怠?/p>

藝術(shù)家通過對VR、AR等技術(shù)思想把握，采用人機(jī)交互手段控制作品形式，打造現(xiàn)實情況下不能實現(xiàn)的藝術(shù)效果。如VR性質(zhì)的交互裝置系統(tǒng)可設(shè)置觀眾穿越多種感官的交互通道，藝術(shù)家可借助軟硬件配合促進(jìn)參與者與作品的溝通，通過視頻界面進(jìn)行動作捕捉，放映增強(qiáng)效果的影像。觀眾可通過自身動作控制投影的文本，可移動場景增強(qiáng)了作品的沉浸感，使觀眾進(jìn)入作品內(nèi)部，觀察其過程。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1 系統(tǒng)框架

AR-VR博物館展示互動系統(tǒng)將AR技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合，利用二者的優(yōu)勢提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統(tǒng)分為博物館虛擬漫游模塊與增強(qiáng)交互模塊。虛擬漫游模塊使用VR技術(shù)，將客觀上不存在的景物在用戶眼前生成虛擬環(huán)境，增強(qiáng)交互模塊通過攝像頭采集場景視頻，根據(jù)真實場景中的人工標(biāo)志物信息進(jìn)行跟蹤注冊[1]。

首先開啟程序進(jìn)入虛擬漫游模塊，開啟場景漫游模式，參觀者可向前后左右移動，在AR-VR切換中，參觀者只需點(diǎn)擊虛擬AR按鈕即可切換到真實世界，開啟攝像頭捕獲場景的初始識別圖像，計算出攝像機(jī)位置數(shù)據(jù)，將虛擬展品加載到真實場景中。

2.2 虛擬漫游模塊開發(fā)

博物館展覽互動系統(tǒng)中虛擬漫游模塊開發(fā)基于Unity3D平臺，擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，可實現(xiàn)虛擬加人機(jī)交互功能的生成。通過三維軟件完成建模，模型建好后發(fā)布為fbx格式文件，導(dǎo)入Unity3D中構(gòu)建虛擬博物館場景。

虛擬博物館場景模型制作是虛擬現(xiàn)實漫游模塊開發(fā)中的重要部分，與博物館漫游系統(tǒng)體驗效果直接相關(guān)。建筑模型制作時要考慮系統(tǒng)運(yùn)行速度問題。博物館場景模型制作分為復(fù)雜模型與簡單模型。復(fù)雜模型制作要求精細(xì)，簡單模型僅需制作出大致的輪廓。模型的制作有很多規(guī)范。如模型必須適當(dāng)減少面數(shù)與分段數(shù)，單個模型面數(shù)不得超1000。否則會影響系統(tǒng)的運(yùn)行。使用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝圖片制作紋理貼圖。

博物館場景搭建完成后導(dǎo)入Unity平臺，可實現(xiàn)體驗者在博物館場景中進(jìn)行虛擬漫游，可通過頭戴設(shè)備進(jìn)行視角轉(zhuǎn)換，使用戶獲得更好的體驗。

2.3 增強(qiáng)交互模塊開發(fā)

AR技術(shù)可使系統(tǒng)創(chuàng)造更豐富的互動方式，AR技術(shù)可增強(qiáng)真實世界的物體與環(huán)境[2]。增強(qiáng)交互模塊開發(fā)首先通過攝像頭采集真實場景視頻圖像，在真實場景中疊加虛擬信息豐富展品信息顯示。

系統(tǒng)增強(qiáng)交互模塊實時采集博物館中的環(huán)境，生成真實場景圖像供系統(tǒng)調(diào)用。跟蹤注冊是增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，其主要有基于計算機(jī)視覺跟蹤注冊與傳感器進(jìn)行硬件跟蹤注冊兩類技術(shù)，前者按系統(tǒng)是否使用人工標(biāo)記區(qū)分?；谌斯?biāo)記的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)能將虛擬模型定位到真實世界，可快速從復(fù)雜的真實環(huán)境中檢測出人工標(biāo)記，大多增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的跟蹤注冊模塊采用基于人工標(biāo)記的方式實現(xiàn)。

跟蹤注冊過程首先基于視頻采集設(shè)備采集視頻圖像，AR-VR系統(tǒng)通過調(diào)用移動設(shè)備攝像頭采集視頻圖像。對采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，完成從彩色的視頻圖像到黑白兩色二值圖像的轉(zhuǎn)換。如像素點(diǎn)灰度值S（x，y）≥t可為背景點(diǎn)。經(jīng)閥值化處理的圖像為：

得到二值化的圖像，利用圖像分割技術(shù)找出圖像中興趣點(diǎn)。判斷標(biāo)記是否為合法標(biāo)記。模板匹配成功后確定標(biāo)志物的特定ID識別。

經(jīng)跟蹤注冊步驟后，將拍攝室內(nèi)環(huán)境視頻流圖像與虛擬文物信息進(jìn)行實時融合，使用戶體驗到真實場景與虛擬信息融合的效果。增采用Vuforia SDK實現(xiàn)強(qiáng)現(xiàn)實交互模塊開發(fā)。在Java與NET語言中提供了API接口。

目前常用的增強(qiáng)現(xiàn)實開發(fā)平臺有AR Toolkit，Vuforia，AR Toolkit如表示無移動速度過快無法產(chǎn)生虛擬疊加效果。無法對普通圖片進(jìn)行識別，Aurasma非免費(fèi)開發(fā)者無法獲得軟件全部代碼。

2.4 顯示技術(shù)

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，頭盔顯示器可讓用戶感受到空間立體感，本文VR系統(tǒng)采用Ocular Rifi DK2虛擬顯示設(shè)備，分辨率達(dá)到1920×1080，DK2顯示效果理想。AR系統(tǒng)呈現(xiàn)物體信息應(yīng)以輕巧為設(shè)計原則。采用基于Android操作系統(tǒng)智能手機(jī)屏為顯示設(shè)備，可不受展覽環(huán)境限制[3]。

3 ?實驗結(jié)果分析

實驗基于Unity3D平臺，采用的移動設(shè)備在內(nèi)存Intel CoreTM2 Quad CPU，4GB內(nèi)存。啟動系統(tǒng)后進(jìn)入VR系統(tǒng)，參觀者可欣賞博物館外風(fēng)景或參觀博物館內(nèi)藏品。切換到AR系統(tǒng)后，跟蹤角度為標(biāo)志物與攝像頭的家教，逐幀圖像進(jìn)行注冊性能驗證，拍攝角度為初始0°時，系統(tǒng)采集不到人工標(biāo)志圖像特征信息，跟蹤角度小于20°時，超系統(tǒng)跟蹤注冊功能模塊工作范圍。

標(biāo)志物遮擋對系統(tǒng)的影響很大，系統(tǒng)注冊精度會受到很大影響。實驗通過不同遮擋測試系統(tǒng)性能，隨遮擋率增加。經(jīng)測試表明本文方法能根據(jù)殘留標(biāo)志物信息獲取準(zhǔn)確的跟蹤注冊數(shù)據(jù)，可很好的適應(yīng)遮擋環(huán)境。

基于AR-VR混合技術(shù)開發(fā)博物館導(dǎo)覽系統(tǒng)有很好的三維展示功能，參觀者對某展品感興趣時可切換到系統(tǒng)觀察展品細(xì)節(jié)特征，對標(biāo)志物采用特征點(diǎn)檢測方式效果好。

4 ?結(jié)語

本文提出了基于AR與VR技術(shù)結(jié)合的展示系統(tǒng)，該方法能在終端連接運(yùn)動中自適應(yīng)現(xiàn)實虛擬疊加效果，虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合可使可視化效果更逼真，動態(tài)的展示展品信息，使參觀者在交流互動中加深記憶，未來研究可將增強(qiáng)現(xiàn)實識別能力作為重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵恒.VR技術(shù)在博物館文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].智庫時代，2018（43）：149，152.

[2] 張貝貝.VR技術(shù)在博物館展陳設(shè)計過程中的優(yōu)勢及應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（10）：141-142.

[3] 李婷婷，王相海.基于AR-VR混合技術(shù)的博物館展覽互動應(yīng)用研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2017，53（22）：185-189，263.