增強現實技術在文物展示中的應用

施昀

摘 要 本文介紹了增強現實技術，并分析了目前在博物館的應用現狀，基于增強現實開發包，通過攝像機高速掃描數據進行快速建模，開發出多標記增強實現系統；系統應用于用戶體驗和中小學歷史文化教育等方面，取得了良好的效果。

關鍵詞 增強現實 博物館 展示 教育

中圖分類號：TS807 文獻標識碼：A

0引言

隨著高性能計算設備和增強現實技術的發展，為博物館藏品保護和利用提供好更好的解決方案。增強現實（Augmented Reality，AR）技術與虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術不同點在于，增強現實技術是在計算機中實時地整合虛擬信息與現實中的物體，通過每一幀圖像的處理，達到虛實結合的效果；而虛擬現實是一套模式現實場景的純虛擬技術。增強現實的優點在于，可以使得所要突出的虛擬信息更加生動，用戶可以全方位觀察或欣賞虛擬物體。目前，增強現實技術在影視娛樂、軍事研究、工業制造、文物展示等方便有了廣泛的應用，增強現實技術必將對人們的生活產生越來越深遠的影響。

眾所周知，博物館承擔著文化教育的重任，其核心是各種珍貴藏品。一直以來，觀眾都是現場通過透明隔離材料觀察欣賞藏品，觀察角度有一定的限制。通過高速攝像機可以將藏品的三維信息記錄保存，然后通過貼圖方式能夠最大限度地還原藏品，這種方法是我們保護和還原文物的主要手段。而這些三維數據，如果可以通過增強現實技術呈現出來，就可以將藏品移動起來，使得觀察者能夠更親密地參與到藏品的欣賞中。本文通過使用開源的增強現實軟件，實現了二次開發并結合攝像機數據建模，實現了輕量化的藏品展示系統。

1增強現實技術在博物館應用現狀

增強現實技術是將計算機生成的虛擬信息與真實世界的場景結合起來，通過計算機顯示技術為用戶提供豐富的視覺服務和交互的技術。增強現實可以整合的虛擬信息包括三維物體（如3ds文件）、視頻文件、文字等。增強現實技術在數字博物館應用已經取得了一定成果。上海博物館通過將家具、青銅器、金石藏品通過AR技術，通過文字及視頻介紹實現了藏品知識的講解和普及。2013年香港城市大學通過AR技術實現了敦煌莫高窟精彩呈現，給觀眾留下了深刻的印象。淮安博物館通過AR交互技術實現淮揚菜的制作，觀眾可以體驗到實際的操作中，為非物質文化的展示與傳承提供了新的途徑。國外博物館在增強現實應用方面比較早，通過三維數據的記錄，可以實現已損壞文物的展現，為文物保護提供了新方法。總之，增強現實能夠解決文物不方便運輸和保護的方案，可以更好地實現展品的教育和研究意義。

2建模技術研究

一般在計算機研究中，通過OpenGL對三維物體建模。這種方式耗時成本高，對于計算資源比較緊張或交互計算要求較高時可以采用這種方式；而作為文物三維信息展示時，本文希望能夠更加真實地還原。

本文采用高速攝像設備精確得到三維數據，通過貼圖方式實現對藏品的錄入工作。平均制作一個文物的時間在半小時左右，采集數據平均在1G。得到數據后通過3DMAX軟件，保存為3DS文件，封裝后提供給展示系統調用。在掃描數據過程中，本文發現不同光照條件下獲得的數據內容有所偏差。對于紋理比較深的文物，可以通過局部重構方式，對這部分區域后期的貼圖也要進行精確處理。對于一些反光強烈的文物，做好自然光的處理，不能產生光暈，以免造成三維信息的失真。本文通過360度全方位獲取三維信息的方法，能夠最大限度地獲取文物數據信息。但是，高精度掃描與數據存儲存在矛盾。對于本文所提供的輕量級展示平臺，必須考慮到數據存放成本，以利于系統的保存、復制和展示。

3增強現實在展示中的應用

ARToolKit是基于特殊標識的最有代表性的增強現實系統是由日本廣島城市大學與美國華盛頓大學聯合開發。基于特殊標識的跟蹤技術是在用戶場景中感興趣的目標上布置容易識別的標記物，攝像機采集圖像并對采集到的圖像進行分析處理，檢測、識別標記物并提取基準點。由于標記物是人為布置的，所以可以預先定義標志物的基準點在世界坐標系中的位置，而標志物的基準點在圖像平面中的坐標也是己知的，在攝像機內部參數已知的情況下，很容易計算出攝像機外部參數，從而確定標志物在場景中的位置和方向，并由此確定用戶的位置和方向，達到跟蹤配準的目的。

通過對ARToolKit封裝后，不同標記關聯不同的藏品信息，通過多標記增強現實技術展示出來，本文實現了MAR系統。經過測試此系統可以對不同標記信息所關聯的藏品信息準確表達，系統本身大小控制在5M以內，數據信息可以根據展示的不同需要增加或減少。目前，實現加載的信息包括視頻、文字和3DS文件。這種輕量化的增加現實展示系統，主要應用在博物館內部綜合體驗區，由可穿戴設備即AR頭盔進行展示。另外，應用在校園中小學生教育中，由于學生群體特殊一般無法集中到館內方便地參觀學習，而MAR系統可以根據課本或學校要求提供的不同歷史時期，制作不同的平面卡片，學生通過在攝像機下放置想要了解的文物，系統會調用相對應的3DS文件，從而快速地在卡片上合成出文物的三維信息和介紹。經過實際校園學生測試，本系統可以滿足學生對文物有初步了解和學習，比二維圖像說明更能夠激發學生的積極性，進一步提升了學生們的想象力。

4總結

技術的發展必將為人們提供更為豐富的體驗，增加現實即是這種新的技術。本文通過開源的增強現實軟件，采用高速攝像機掃描和3DMAX建模，實現了多標記增強現實系統。主要應用于用戶的可穿戴式體驗和中小學生互動學習中。通過實際應用，對增強現實在數字博物館的應用更加具有信心。在未來的工作中，可以將多標記增強現實系統運用到移動設備上，為參觀人員提供更為便捷的體驗。

參考文獻

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