博物館數字展品中混合現實技術的應用

華文怡

（上海科技館，上海 200127）

0 前言

隨著科教興國戰(zhàn)略方針的實施，博物館面對科學技術迅速發(fā)展的新局勢以及層出不窮的新知識，若僅靠傳統(tǒng)的靜態(tài)展品陳列方式，很難對民眾普及新知識。因此博物館需與時俱進，借助混合現實技術對博物館展品進行數字化改革，加大展品科普創(chuàng)新力度，為民眾帶來耳目一新的科普教育方式，從傳統(tǒng)靜態(tài)展品展列與人工講解，過渡為利用互動裝置實現增強展品功能的數字化動態(tài)展列模式，在豐富民眾新知識的同時，強化身臨其境的體驗效果，促進博物館數字時代的穩(wěn)步發(fā)展。

1 博物館傳統(tǒng)靜態(tài)展品陳列的弊端

1.1 展品展示單一固定

以往博物館均采用靜態(tài)展品陳列方式進行展覽，只有一小部分動態(tài)媒介技術予以輔助展示，這種單向的展品陳列方式無法讓參觀者根據自己的喜好進行自主選擇，只能被動地接受博物館片面的信息傳遞。這種單一固定的展示方式，還讓博物館整體陳列區(qū)域缺乏活力，無法調動參觀者的參觀興趣，無法通過多元化互動獲取各種資源信息。

1.2 受眾無法與展品互動

人是信息傳播活動中不可或缺的重要因素。以往參觀者在參觀博物館時，主要借助圖文標識或者導覽引導走馬觀花似的游覽一圈，如同做任務一般完成參觀。主要原因是簡潔直白的文字說明方式，無法讓參觀者產生想要進一步深入探究的欲望，更不能留給參觀者深刻的記憶。大多數參觀者快速掃過展品的文字說明以后，便轉向下一個展品繼續(xù)這一行為。雖然大多數博物館已經借助現代化技術和設備吸引參觀者的眼球，但仍舊無法使他們停下腳步耐心研究每個展品包含的學科技術知識。

1.3 缺乏感官認同感

視覺是人類獲取信息的主要方式，所以博物館傳統(tǒng)展品靜態(tài)陳列習慣將參觀者看到的展品形態(tài)作為陳列擺放的重中之重，卻忽略了其他感官的臨場體驗，致使許多參觀者在實地參觀過程中得到的身心體驗與網絡查詢并無不同[1]。除此之外，部分博物館過度強調燈光色彩的渲染，容易使參觀者產生視覺疲勞，降低參觀者觀看展品的積極性，缺乏其他感官的場景認同。針對這種情況，博物館在展品陳列過程中，應增加視覺、聽覺、觸覺等多重感官體驗，以此增加參觀者的參觀興趣。

2 混合現實技術優(yōu)勢

2.1 豐富文化感受

由于我國民眾群體之間存在較大差異，不同層次的參觀者對博物館展品的認知信息存在顯著差距，可能無法理解產品所展示的知識內容。混合現實技術的應用可以將博物館展品以圖文、音頻、視頻等精準的信息內容傳遞給參觀者，讓參觀者從中了解該展品的構成原理，通過沉浸而真實的虛擬互動，加深參觀者對展品的理解認知，提高展品的有效傳播力度。

2.2 雙向交互

因博物館參觀者年齡跨度較大，許多青少年兒童無法了解展品的歷史背景，需利用混合現實技術對展品進行數字化表達，真實還原展品背后的歷史原因，使參觀者能夠更加準確地理解相關知識內容，在科普歷史知識的同時，提高青少年兒童的求真認知。

2.3 提高參與性

將信息技術與科普教育的傳播方式相結合，不僅降低了成本，還能受到廣大青少年的持續(xù)關注，流連忘返于各個展品之間。除此之外，混合現實技術的應用便于展品的網絡傳播，通過多元化展示方式，使參觀者更加準確地篩選想要了解的信息內容，提高參觀者的參與積極性。

2.4 提升展示效率

與展品近距離地接觸，可以讓參觀者真實地感受到展品的信息技術，依托互聯(lián)網成為遠端教育的受眾者，在線選擇自己感興趣的展品知識，讓身在異地的參觀者節(jié)省經濟成本，成為科普教育的受眾者。

3 混合現實系統(tǒng)的基本構成

混合現實技術是在虛擬現實技術的基礎上演變而來，二者之間的硬件部分采用的硬件技術相一致，并且存在諸多相同共性。混合現實技術體系主要是利用網絡信息技術構建文字、圖片以及各種虛擬的信息，隨后再將這些信息應用到參觀者能夠看到的現實物體當中，這樣參觀者就能通過混合現實技術觀看到與現實環(huán)境相符的信息資料，提高參觀者對現實科技環(huán)境領域的認知度。也就是說，參觀者可以通過頭戴顯示儀以及方位追蹤器等混合現實設備，實現身臨其境的感官體驗[2]。

現階段，混合現實系統(tǒng)硬件設施主要有虛擬場景生成器、虛擬環(huán)境、頭戴顯示儀、真實環(huán)境定位裝置、真實環(huán)境交互裝置以及作用于參觀者觀察視線的頭部調整設備等。其中虛擬環(huán)境生成設備需先采用建模方式構建虛擬環(huán)境，然后對虛擬環(huán)境以及其他硬件設施進行管理。參觀者在佩戴頭戴顯示儀期間，需要通過頭部姿勢調整跟蹤視線，確保參觀者的視線參觀坐標與虛擬環(huán)境的坐標一致。值得注意的是，參觀者的感官度與周圍環(huán)境的虛擬變化需通過交互設施進行調控指令的輸入與輸出，且上述功能與虛擬現實系統(tǒng)中對應部分相一致。

頭戴顯示儀作為混合現實系統(tǒng)中的顯示裝，一般分為兩種形式：一種形式為透光式頭戴顯示儀（Optical seethrough），另一種是影像式頭戴顯示儀（Video seethrough）。通常情況下參觀者在使用透光式頭戴顯示儀時，只能看到現實生活中的場景，電腦只是將該場景呈現在顯示儀上。而影像式頭戴顯示儀在使用過程中，可以讓參觀者看到在現實生活中不能看到的場景，頭戴顯示儀中的攝像頭功能可以對現實生活中的場景畫面進行采集，并與電腦制作的虛擬景象相結合，再通過電腦傳遞給參觀者[3]。也就是說，影像式頭戴顯示儀與常規(guī)虛擬現實系統(tǒng)類別相一致，且該系統(tǒng)中的圖像處理設備在AR系統(tǒng)具有極為重要的設置作用。

4 博物館數字展品中混合現實技術的設計

4.1 空間場景映射設計

空間場景映射功能主要是用Hololens識別博物館空間場景表面，通過對環(huán)境表面建模映射，為數字展品空間擺放功能提供基礎條件。設計者需佩戴Hololens設備在博物館特定區(qū)域進行反復走動，通過轉動頭部完成對特定區(qū)域天花板、墻面、地面的掃描，隨后將該區(qū)域空間場景生成數字化表格紋理。為了更好地完成數字展品設計，設計者需根據掃描提示，明確空間場景掃描范圍，增加空間場景映射的立體感[4]。在渲染空間映射場景時，混合現實技術利用了Holo-toolkit開發(fā)工具包中的空間映射組件，空間映射數據源腳本通常負責存儲管理掃描到的數據內容，設計者在掌握空間映射數據源腳本的基礎上，通過空間映射觀察者腳本定期掃描周圍環(huán)境，不斷更新空間映射數據源腳本中的表面數據。而空間映射管理腳本主要負責查看空間映射觀察者腳本是否進行定期工作，同時負責空間環(huán)境獲取列表接口。

4.2 數字展品放置設計

數字展品放置功能的主要目的是將全息對象與物理實體共同展示在真實空間當中，這就要求數字全息對象具有一定的物理特性。比如蒼鷹展示應在天空中，棕熊展示應放在地面上等，而不是將全息對象隨意進行懸浮設計[5]。因此，全息對象在生成過程中需要通過系統(tǒng)制作出智能放置方案。數字展品在空間映射期間，掃描空間表面網格實施標簽化處理，其標簽類型為地面、墻面、天花板、桌面以及其他類似表面，每種標簽均是按照平面所處的空間位置予以標準界定。在處理好該項步驟以后，設計者還需對全息數字展品進行屬性標定，如九大星系設置為水平，山脈地理信息設置為垂直等。除此之外，數字展品智能生成主要有水平與垂直兩種屬性，且這兩種屬性多用于多數量展品。例如：八大行星為水平生成屬性，當多行星同時生成在相同空間場景時，就會涉及行星位置擺放的問題，為了更好地將八大行星進行科學合理的空間擺放，先要掃描展示空間所有具有墻面屬性的平面，然后計算出這些平面的中心坐標點與Hololens坐標點，計算出二者的相差值。再在Hololens坐標中Y值范圍的0.2米以內生成水平列隊，根據八大行星的排列順序進行錯落排列。這種排列方式可以讓八大行星在真實環(huán)境的表面上予以生成，且生成高度便于參觀者更為舒適地查看。

4.3 真實展品3D識別設計

參觀者在參觀博物館期間，主要想通過數字技術展示數字展品的真實性，理解展品的相關知識。設計者需要借助真實展品的識別功能繼續(xù)設計，以便參觀者可以通過佩戴Hololens眼鏡識別展品，并呈現與之相匹配的數字化信息，便于參觀者的準確了解。為了保證展品的真實性，設計者可以采用 Vuforia+Hololens技術使展品呈現三維特征，在識別真實展品的基礎上展示可視化AR信息，參觀者可以根據自身實際需求一邊瀏覽，一邊操作AR功能版面的便捷導航功能[6]。為了讓參觀者可以借助移動終端設備進行實時互動，設計者可以利用Vuforia AR SDK對其安裝圖像采集、三維對象識別、圖像識別以及跟蹤注冊等增強現實系統(tǒng)功能的開發(fā)包。Vuforia+Hololens將AR體驗與展品中的特定圖像或者物體聯(lián)系在一起，可以增加展品的三維真實性。

4.4 交互模塊設計

Hololens的交互模塊設計是根據不同手勢進行的不同操作方式。Hold手勢是在保持按下手勢的基礎上保持超出的系統(tǒng)閾值，當參觀者用手按住觸摸板時，可以進行選取對象的輔助性操作。Tap手勢是借助手勢激活檢測對象，為參觀者展示實例化信息內容。Navigation手勢是參觀者按下該模塊以后，用手移動三維單位的立方體，使數字展品可以進行水平或者垂直的移動，而頁面導航需構建連續(xù)滾動、縮放等手勢，該手勢與鼠標中的單擊功能較為相似。Manipulation手勢需要在三維立體世界移動雙手，并通過移動調整或者旋轉全息圖形。以Tap手勢為例，參觀者對數字展品進行點擊操作時，通過凝視數字展品對其執(zhí)行Tap手勢，這時系統(tǒng)會出現虛擬化信息界面，界面中全是有關展品的信息介紹內容，無論參觀者在數字展品的哪個方向，操作界面始終正向面對參觀者，待參觀者再次執(zhí)行Tap手勢時，該項電腦界面就會消失。

5 博物館數字展品中混合現實技術的發(fā)展趨勢

隨著人工智能技術的迅猛發(fā)展，各類可穿戴的新型智能設備逐漸進入市場，混合現實技術可以通過各種各樣的載體進行有機選擇。混合現實技術是現實世界與虛擬世界相結合的新型視覺環(huán)境，在該環(huán)境中物理信息與數字信息能夠實時共存交互。換句話說，混合現實既是虛擬現實與增強現實的結合，又是現實世界、虛擬世界、數字信息技術的優(yōu)化結合。基于此，混合現實技術在博物館數字展品中具有較為廣泛的發(fā)展空間。

數字全息投影技術是指計算機虛擬模仿再現物體圖像數字信息，該技術在2010年上海世博會國家館中，為前來參觀的游客展出數字互動版的“清明上河圖”，該地圖采用全息技術分為晝夜兩個版本，以優(yōu)質的畫面還原了北宋宣和時期開封市的繁榮場景，地圖中的人物與景色栩栩如生，仿佛跨越千年再次復活一般。數字全息投影技術是在原有三維布局的基礎上借助恢復算法以及虛擬環(huán)境組織，對相關數據進行水平分割與垂直分層，使得大量數據作品在呈現過程中合理布局、無縫連接，隨后再通過計算機技術與文字對話結合的方式，為參觀者呈現清明上河圖的沉浸式人機交互體驗，陶醉于北宋東京的繁榮[7]。

混合現實技術中的多維度交互展示技術，可以通過人與多模態(tài)實時交互，增加科技展覽館的互動性與趣味性。設計者可以將生動有趣的游戲應用于特定場景之中，通過語言、面部表情、頭部動作等多種互動溝通方式，了解參觀者想要表達的意圖或者將要執(zhí)行的動作，并感知接受參觀者反饋的信息內容，使其在大數據生成的虛擬場景環(huán)境中，切實感受到身臨其境的體驗。在現階段發(fā)展中，多維度交互展示技術除了在博物館等地進行應用以外，還與游戲元素、旅游元素相結合，在虛擬與現實的空間中進行體驗互動，凸顯文化展示的低碳綠色，也是未來人機交互發(fā)展的必然趨勢。

運動捕捉技術是指運動物體在運動狀態(tài)下進行的重構、記錄以及實時測量，該技術通過計算機算法對相關數據進行處理，通過紅外線中的高靈敏度攝像機對運動物體的關鍵部位進行實時捕捉，隨后對采集到的實時數據進行運算。當采集到的數據信息被計算機識別出來以后，利用攝像頭控制調節(jié)運動物體。

6 結語

綜上所述，當前混合現實技術在科普領域應用十分廣泛，其應用效果的好壞直接影響參觀者的整體體驗和感受。由于混合現實技術的系統(tǒng)管理是架構在該系統(tǒng)的管理上，只需通過定期系統(tǒng)更新，便可為民眾帶來最新的知識體驗。博物館應根據自身實際需求，將傳統(tǒng)紙質出版物、移動終端、頭戴顯示儀等技術設備優(yōu)化結合，構建全新功能的數字展品，使得科普知識以更加先進的形式普及推廣，促進博物館公益服務再上一個新臺階。