博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計中基于移動AR的文物展示系統(tǒng)研究

陳正捷

摘要：如何讓文物“活”起來，傳承發(fā)展傳統(tǒng)文化。將移動AR技術(shù)與博物館導(dǎo)覽APP結(jié)合，對博物館文物資源進(jìn)行全方位、多角度的展示。產(chǎn)出一個面向文化創(chuàng)意設(shè)計的文物展示的APP。該APP可以為博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計提供理論依據(jù)與系統(tǒng)支撐。

關(guān)鍵詞：移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 文物展示 博物館 文創(chuàng)設(shè)計

中圖分類號：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）01-0027-03

引言

政策背景：2018年10月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)文物保護(hù)利用改革的若干意見》中指出：要加強(qiáng)科技支撐，充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息技術(shù)，推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”行動計劃[1]。

博物館現(xiàn)存問題：傳統(tǒng)博物館：文物信息深奧難懂，缺乏針對創(chuàng)意設(shè)計領(lǐng)域的深度解讀。展覽內(nèi)容有限，形式單一。現(xiàn)有的展覽大多都是實(shí)體靜態(tài)展，配以簡單的文字說明，能獲得的有效信息很少。未考慮設(shè)計師參觀博物館時的體驗(yàn)過程與需求。設(shè)計師難以獲取展品的各個細(xì)節(jié)，展品所蘊(yùn)藏的文化歷史知識容易被忽略。

數(shù)字博物館：盡管數(shù)字博物館展示內(nèi)容豐富、形式多樣化，但是，無法使用戶身臨其境，全方位、多角度觀察與感知文物。

本文研究：針對上述問題，本文針對博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的需求，提出了基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的博物館文物資源展示方式。將移動AR技術(shù)與博物館導(dǎo)覽APP結(jié)合，對博物館文物資源進(jìn)行全方位、多角度的展示，為博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計提供理論依據(jù)與系統(tǒng)支撐。

一、博物館文創(chuàng)設(shè)計研究現(xiàn)狀

（一）發(fā)展趨勢

近幾年，國內(nèi)政策的扶持以及博物館自身的實(shí)踐探索都在為文創(chuàng)設(shè)計開發(fā)提供機(jī)遇。現(xiàn)階段國內(nèi)外博物館都在深入挖掘博物館館藏文化資源，開發(fā)獨(dú)具特色的文創(chuàng)產(chǎn)品。

（二）問題小結(jié)

國內(nèi)現(xiàn)有博物館的展示形式都過于單一。提供高質(zhì)量的信息服務(wù)是博物館和核心價值所在，并不能單一分類、排列與并置，更應(yīng)該是內(nèi)部文化精神的流露[2]。

目前，文物界和設(shè)計界缺少一個成熟的、面向文創(chuàng)設(shè)計的數(shù)字知識庫，文創(chuàng)設(shè)計師們無法有效便捷地運(yùn)用傳統(tǒng)文物資源。

二、基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的文物展示研究

（一）移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢與應(yīng)用領(lǐng)域

1.從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)到移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MobileAugmentedReality，MAR）

[3]1992年，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmentedreality，AR）由Caudell等提出，

是一種將虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的技術(shù)，使數(shù)據(jù)信息更直觀地展示在現(xiàn)實(shí)中。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用數(shù)量在2012年達(dá)到峰值，又在2016年迎來爆發(fā)式的增長，且持續(xù)上升。目前被廣泛接受的定義是滿足結(jié)合虛擬和現(xiàn)實(shí)、實(shí)時交互、注冊于三維中三個條件的即算作AR;移動AR不僅要滿足AR的定義，還需要有可穿戴的輸入和交互技術(shù)、數(shù)據(jù)的存儲與讀寫技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)。

2.移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

AR的主要實(shí)現(xiàn)方式有兩種：光學(xué)透視式和視頻透視式。光學(xué)透視是將電腦生成的數(shù)字圖像顯示到用戶眼前的鏡片上，這樣就可以使現(xiàn)實(shí)場景和虛擬信息同時被用戶的眼睛捕獲。視頻透視式技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)場景先通過相機(jī)錄入電腦，通過和虛擬對象的整合與壓縮后再呈現(xiàn)到用戶眼前。要實(shí)現(xiàn)AR最核心的是識別與追蹤。首先，相機(jī)要先識別標(biāo)志、關(guān)鍵點(diǎn)、光學(xué)圖片等;然后再根據(jù)特征檢測、邊緣檢測或者其他圖像處理方法來實(shí)時追蹤;最后將虛擬圖像疊加到現(xiàn)實(shí)場景中。現(xiàn)階段移動AR的應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為以下幾類：

（1）實(shí)地工作：AR可以通過傳感器收集的數(shù)據(jù)與開發(fā)者提供的數(shù)據(jù)生成比二維平面圖紙更直觀的三維模型，并顯示到現(xiàn)實(shí)場景中，這對建筑、維護(hù)、勘探和裝配等行業(yè)的工作者提供了更加直觀的理解。

（2）地理相關(guān)：現(xiàn)在，幾乎所有移動設(shè)備都會配有GPS，用于定位以及獲取地理信息。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，城市數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、興趣點(diǎn)等數(shù)據(jù)都有了一定的基礎(chǔ)，也推動了移動AR可視化的發(fā)展。

（3）教育和娛樂：在教育行業(yè)，AR可視化的應(yīng)用主要分為建模型、探索型和AR圖書。正是因?yàn)锳R的直觀性和強(qiáng)交互性，使其在教育和娛樂方面大放異彩。

（4）醫(yī)療：AR可視化在醫(yī)療行業(yè)中也已經(jīng)有了廣泛的運(yùn)用，通常是通過醫(yī)學(xué)攝像機(jī)或者其他設(shè)備采集到數(shù)據(jù)后生成虛擬三維模型，再渲染到醫(yī)療設(shè)備或者患者身上，用于輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷或手術(shù)。

（二）移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文物展示中的應(yīng)用1.技術(shù)依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將計算機(jī)中生成的虛擬場景與現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)

境先融合再進(jìn)行補(bǔ)充或者增強(qiáng)，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常分為四個模塊：真實(shí)環(huán)境模塊、虛擬場景模塊、三維跟蹤注冊模塊以及輸出顯示模塊[2]。

2.實(shí)現(xiàn)方式

本文將在PC上采用Unity3D作為開發(fā)環(huán)境進(jìn)行基于Android平臺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā);采用三維動畫軟件Maya來進(jìn)行虛擬場景制作;采用Unity3D中的開發(fā)包Vuforia AR SDK來具體實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

3.展示形式與應(yīng)用場景

通過AR移動端，觀眾可以身臨其境般地與展品的三維模型進(jìn)行近距離互動，仔細(xì)觀察各個角度來補(bǔ)充平時通過人眼無法觀察到的展品細(xì)節(jié)信息，解決了傳統(tǒng)博物館內(nèi)展品不便于觀眾近距離詳細(xì)觀察與觸碰的痛點(diǎn)，打破現(xiàn)有展品“只可遠(yuǎn)觀而不可褻玩”的格局。

AR技術(shù)不僅能更好地展示文物，還能很好地保護(hù)與推廣非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在保護(hù)與推廣非物質(zhì)文化遺產(chǎn)方面上最大的優(yōu)點(diǎn)就是其還原度極高，而且不會在流傳的過程中發(fā)生缺損甚至失傳這樣的現(xiàn)象。

三、博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計中基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的文物展示研究

（一）博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計中設(shè)計師的需求研究1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計本次實(shí)驗(yàn)是基于草圖認(rèn)知分析的文創(chuàng)設(shè)計研究，設(shè)計任務(wù)是針對

文創(chuàng)設(shè)計的器物知識需求分析。要求被試者以給的知識庫為樣本進(jìn)行文創(chuàng)設(shè)計，產(chǎn)出至少3種方案。被試者要求采用草圖繪制的方法展現(xiàn)設(shè)計方案，時間持續(xù)15到30分鐘。實(shí)驗(yàn)研究采用小樣本方式進(jìn)行，共計6個測試目標(biāo)，均為工業(yè)設(shè)計專業(yè)的研究生。

本實(shí)驗(yàn)在浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院內(nèi)浙江省工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新服務(wù)平臺內(nèi)完成，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將安排主試者與被試者在一個不受外部環(huán)境影響的房間中進(jìn)行一對一實(shí)驗(yàn)測試。提供給被試者的材料包括設(shè)計任務(wù)書、紙和筆。整個實(shí)驗(yàn)過程將使用錄音設(shè)備進(jìn)行記錄[4]。

2.實(shí)驗(yàn)階段

本研究共計需要完成2輪實(shí)驗(yàn)，每輪實(shí)驗(yàn)時間控制在50分鐘以內(nèi)，包含以下3個階段：第1階段：主試者向被試者介紹整個實(shí)驗(yàn)流程，并指導(dǎo)被試者進(jìn)行出聲思考練習(xí)，練習(xí)時間控制在5分鐘以內(nèi)。第2階段：被試者根據(jù)設(shè)計任務(wù)書進(jìn)行文創(chuàng)設(shè)計，設(shè)計過程中要求被試者保持出聲思考;實(shí)驗(yàn)時間要求控制在30分鐘以內(nèi)，來保證被試者既有充足的時間進(jìn)行文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計，又不會因疲憊影響口頭報告的質(zhì)量。第3階段：主試者詢問并記錄被試者的設(shè)計思路[5]，如表1。

3.實(shí)驗(yàn)實(shí)施

在正式實(shí)驗(yàn)前，先進(jìn)性預(yù)實(shí)驗(yàn)：向被試者解釋出聲思考方法，并要求被試者進(jìn)行簡短的出聲思考練習(xí)。然后開始正式實(shí)驗(yàn)，被試者要求根據(jù)設(shè)計任務(wù)書進(jìn)行文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計，通過產(chǎn)品手繪來展現(xiàn)設(shè)計方案;實(shí)驗(yàn)過程中，被試者應(yīng)始終保持出聲思考，如果在30秒內(nèi)沒有說話，主試者則應(yīng)進(jìn)行提醒。

出聲思考法解釋：出聲思考法即口語分析法，是一種設(shè)計認(rèn)知研究方法。該方法要求設(shè)計師在進(jìn)行設(shè)計的過程中同時口述自己的思考過程，口頭報告的內(nèi)容能反映出設(shè)計師在認(rèn)知層面的所看、所想、所做;能較為客觀地還原設(shè)計認(rèn)知加工的思維信息，是獲取設(shè)計知識的方法之一[5]。

4.實(shí)驗(yàn)分析與討論

（1）現(xiàn)有知識庫的用戶體驗(yàn)現(xiàn)狀

在信息獲取方面，因?yàn)楝F(xiàn)有的知識庫中提供的基本都是圖片資料，而圖片只能顯示一面，用戶無法獲取文物背面的形狀樣式，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法得知該器物是否可以打開，并且受圖片的大小以及清晰度影響，紋樣和顏色等細(xì)節(jié)不夠清晰，難以進(jìn)行有效提取。大量的文字信息太枯燥，不夠直觀生動，制作工藝以及在當(dāng)代的使用場景這種信息只憑文字很難在短時間內(nèi)提取出有用的信息，文字版的民間典故沒有故事性，使用戶難以沉浸進(jìn)去。

知識庫中的各個知識點(diǎn)太過分散，聯(lián)系不夠緊密，在設(shè)計過程中需要來回反復(fù)查閱。每位設(shè)計師需要的知識點(diǎn)都不相同，很多知識點(diǎn)同時出現(xiàn)只會產(chǎn)生干擾作用，影響知識獲取的效率。且紋樣、顏色等重要信息只有文字提取，對于設(shè)計師做文創(chuàng)設(shè)計來說意義不大，無法快捷有效地運(yùn)用。

沒有類似的文物可以進(jìn)行同類比較、設(shè)計思維發(fā)散;沒有該文物已有的已經(jīng)面市的文創(chuàng)產(chǎn)品進(jìn)行引導(dǎo)，供用戶學(xué)習(xí)。

（2）用戶體驗(yàn)提升策略

將移動AR技術(shù)與博物館導(dǎo)覽APP結(jié)合，用戶可以使用手機(jī)查看博物館內(nèi)展品的信息，也可以對展品進(jìn)行信息檢索，當(dāng)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽模式時，將手機(jī)的攝像頭對準(zhǔn)展品時，可以顯示該目標(biāo)文物的知識庫。提取紋樣色彩等對文創(chuàng)設(shè)計來說重要的信息作為AR素材，使設(shè)計師能夠更方便快捷地使用進(jìn)行文創(chuàng)設(shè)計，如圖1所示。

新增知識點(diǎn)之間的交互，界面可以相互跳轉(zhuǎn)。每個設(shè)計師對各個知識點(diǎn)的關(guān)注度、需求度都不相同，最終需要用來進(jìn)行輔助文創(chuàng)設(shè)計的知識點(diǎn)也都不相同，設(shè)計師需要能將自己選中的知識點(diǎn)框架整合到同一個界面之中，來提高知識獲取的效率，如圖2所示。將更多的知識以圖片、音頻、視頻解說的方式呈現(xiàn)，并增加情境互動，帶動用戶更好地進(jìn)入歷史場景，便于設(shè)計師感受目標(biāo)文物的歷史知識與文化底蘊(yùn)。

四、面向博物館文創(chuàng)設(shè)計的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)文物展示系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)1.三維場景與展示器物建模創(chuàng)建三維場景與器物模型需要大量的文字以及圖片信息。為了達(dá)

到理想的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果與加載速度，在尋找圖片資料的過程中需要嚴(yán)格控制好圖片的大小與清晰度;同樣也需要各個角度的圖片來展現(xiàn)文物的空間關(guān)系以及后期貼圖使用。在器物模型建立完畢后，貼圖環(huán)節(jié)至關(guān)重要，通過貼圖來表現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)，材質(zhì)以及燈光的渲染調(diào)試使最終效果更具有真實(shí)感。

2.圖像的采集錄入

通過運(yùn)用三維掃描建模技術(shù)對現(xiàn)實(shí)場景中的展品進(jìn)行三維立體掃描，進(jìn)行特征點(diǎn)的采集。

3.圖像識別標(biāo)記與匹配

運(yùn)用三維立體掃描采集出特征點(diǎn)后，對目標(biāo)文件進(jìn)行樣本分析，標(biāo)記出被掃描的展品的特征點(diǎn)。當(dāng)現(xiàn)實(shí)場景信息與樣本信息匹配成功后即對當(dāng)前現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行跟蹤渲染，若匹配失敗，則退出對當(dāng)前圖像的三維跟蹤渲染，重新識別加載。

4.場景定位與模型加載

虛擬場景與真實(shí)場景需要保持幾何一致才能保證在使用過程中不會出現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的不匹配問題，影響用戶體驗(yàn)。保持幾何一致是三維跟蹤注冊技術(shù)的驗(yàn)證，也是虛實(shí)場景結(jié)合中最核心的要求。

5.交互移動應(yīng)用界面設(shè)計原則：（1）交互界面與AR界面的融合性：因?yàn)橛脩粢谔搶?shí)融合的場

景進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，所以要求交互界面在輸入與輸出兩個方面都保持一致，即要保證整個系統(tǒng)的界面的整體外觀、布局、信息顯示及交互方式都需要統(tǒng)一的風(fēng)格。

（2）交互界面的布局合理簡潔：交互界面應(yīng)該簡潔明了不影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的界面。菜單圖標(biāo)都應(yīng)該放置于可視區(qū)域的邊緣，減少對主界面的干擾。

（二）功能模塊：功能模塊主要分為服務(wù)端和移動端，服務(wù)端用來存儲博物館與展品的信息，移動端用瀏覽展品圖文信息和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽。

移動端中最主要的功能是AR導(dǎo)覽模塊，主要有交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊。

1.交互界面模塊設(shè)計

本系統(tǒng)一共有兩種導(dǎo)覽交互方式：圖文導(dǎo)覽模式與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽模式。

（1）圖文導(dǎo)覽模式

用戶通過在界面中選擇好博物館與圖文導(dǎo)覽模式，便能瀏覽各個博物館中展品的最新展覽信息，并對文物分類檢索找到自己想要瀏覽的展品數(shù)據(jù);為了讓用戶擁有更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在圖文導(dǎo)覽模式中也會加入語音與視頻講解，使學(xué)習(xí)過程不再枯燥乏味。

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽模式

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽模式下，用戶打開APP并手持移動設(shè)備參觀博物館，移動設(shè)備將通過攝像頭采集到的視頻信息進(jìn)行處理后上傳到服務(wù)器，與其中儲存的展品信息進(jìn)行匹配，匹配成功后便將其增強(qiáng)信息顯示到界面之中。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計（1）導(dǎo)覽增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計分為客戶端與服務(wù)器端，用戶在登錄之后，選

擇好博物館以及自身所在的樓層后開啟AR導(dǎo)覽模式，通過攝像頭獲取視頻圖像幀，經(jīng)過處理再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端進(jìn)行解析處理，并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行特征匹配，匹配成功后，將定位信息與圖文、視頻、三維模型等增強(qiáng)信息傳回客戶端，通過客戶端將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息與現(xiàn)實(shí)場景融合。

（2）導(dǎo)航

由于博物館占地面積大，展廳數(shù)量多且位置雜亂無章，所以需要為在博物館內(nèi)進(jìn)行參觀的用戶提供地理位置信息以及室內(nèi)定位導(dǎo)航功能，但傳統(tǒng)GPS無法在博物館這種室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行精確定位。但通過與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能相結(jié)合便可以解決這個問題，并且將存儲在數(shù)據(jù)庫中的展品與位置信息相結(jié)合。通過識別展品，便可以加載出與展品相關(guān)的位置信息，并對用戶進(jìn)行導(dǎo)覽。

結(jié)論

目前，設(shè)計界與文物界缺乏一個成熟的、面向文化創(chuàng)意設(shè)計的文物展示APP，缺少對器物知識的有效整理和運(yùn)用。針對文創(chuàng)設(shè)計的需求，探索性地提出面向文創(chuàng)設(shè)計的基于移動AR的文物展示系統(tǒng)，對該框架進(jìn)行了驗(yàn)證;解決了面向文創(chuàng)設(shè)計時在使用器物知識庫過程中的痛點(diǎn)，幫助提升了文創(chuàng)設(shè)計師的工作效率，為基于移動AR的文物展示系統(tǒng)在文創(chuàng)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]中共中央辦公廳國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)文物保護(hù)利用改革的若干意見》[A]..中國博物館通訊（2018年10月總第374期）[C].：中國博物館協(xié)會，2018：4.

[2]李旭杰.基于移動終端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)于博物館展示應(yīng)用研究[D].天津大學(xué)，2016.

[3] Caudell，T.P.，Mizell，D.W.. Augmented reality：an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes[P] . System Sciences，1992. Proceedings of the Twenty-Fifth Hawaii International Conference on，1992.

[4]]熊艷，李彥，麻廣林，蒲娟.基于草圖認(rèn)知分析的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（07）：1354-1362.

[5]陳實(shí)，楊智淵，孫凌云，樓赟.草圖設(shè)計知識分析方法——結(jié)合語音能量和創(chuàng)意拐點(diǎn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2015，49（11）：2073-2082.

[6]虞錦東.基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的博物館導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.