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作者：余日季 蔡 敏 蒋 帅 随着社会发展和人们生活水平的提高，博物馆的数字化、智能化已成为发展趋势。该文分析了目前数字化博物馆存在的主要问题，阐述了移动终端博物馆文化教育体验系统的创新点、主要作用、关键技术和架构设计。该系统是基于Unity3D平台，通过借助高通的Vuforia SDK插件，并利用增强现实技术来实现。该文介绍了系统的主要功能模块，以及实现视频信息叠加和模型信息叠加等功能的主要过程，并以兵马俑为测试载体设计了一个应用实例。 关键词：增强现实技术；文化教育；数字化博物馆 中图分类号：G434 文献标识码：A 一引言 文化是一个国家生命力、创造力和凝聚力的重要源泉，对一个国家有着重大的战略意义。对于文化建设，博物馆则是最能凸显一个区域乃至一个民族悠久丰富的文化内涵。无论是对物质或者非物质文化遗产的保存、延续、交流，博物馆都发挥着不可磨灭的作用。在博物馆的建设过程中为了吸引更多参观者走进博物馆，使参观者深刻了解每一件展品背后浓厚的文化底蕴，同时也为给参观者更好的文化体验，博物馆在完善公共服务功能的同时也在不断地引进新型的信息技术，变革参观者的体验方式，主要就是借助于增强现实技术构建AR交互式文化教育体验式博物馆，以增强观展时的趣味性和互动性，加深文化体验，当然更为重要的是充分发挥参观者的积极能动性。其实一个博物馆的真正价值在于使参观者能够深刻体验到每件陈列展品背后丰富的文化历史，因此，利用增强现实技术构建AR交互式博物馆文化教育体验模式既是信息时代发展的必然要求，也是实现博物馆核心价值最重要手段。本文研究的重点就是在互联网的基础上，借助增强现实技术构建C/S架构模式的数字化博物馆文化教育体验式应用。 二研究现状 随着经济飞速的发展，我国博物馆在数量得到了蓬勃的发展，但是就质量而言还有待于提高，而且相比于世界上的发达国家还有一定的差距。据不完全统计，欧洲一些国家的博物馆不仅数量占据了全世界的四分之三以上，而且博物馆的历史悠久，展品数量庞大，每年投入资金巨大。相比之下，国内博物馆还是略显不足。随着近两年增强现实技术的发展，中国博物馆纷纷开始引入增强现实技术，对传统的体验方式进行革新，扩展博物馆的体验维度，突破时间空间的限制。 在国外，AR可以溯源至在1968年，哈佛大学教授图灵奖的获得者Lvan sutherland领导研发的The Sword of Damocles(达摩克斯之剑)被普遍认为是增强现实的雏形，只不过，当时业界并没有增强现实这个概念。增强现实正式成形是在1990年，当时正在为波音公司工作的Tom Caudell教授正在试图寻找一种能协助航空公司的飞机制造过程的系统，最终的解决方案，正是如今的增强现实的雏形，其将特定缆线的走线位置叠加在现实生产场景中，于是工程师们就不需要再通过抽象的工程图中来定位走线位置了，极大地降低了工作的难度，增加了工作的效率。此后欧洲、美国一些著名机构在此领域也纷纷展开了研究和探索，2001年希腊多家研究机构和政府部门成立了联合开发小组设计开发Archeoguide系统，用于对希腊古遗址进行数字重现[1]。2015年法国香波堡所属的尚博尔国家领地与Histovery公司为纪念佛兰索瓦一世国王登基500周年共同研发的HIstoPad应用，将AR增强现实技术运用在屹立于鲁瓦河畔的香波堡中，使游客如同穿越时空欣赏到这座将文艺复兴发挥到极致的绝美城堡的原貌。而在今年多伦多市的皇家安大略博物馆举办的“终极恐龙展”的展览正是借助于增强现实技术使画面中的恐龙“复活”在屏幕上，带给观众一场全新的视觉盛宴。其实在亚洲某些国家也很早就展开了AR技术相关的研究，日本的情报大学研究的“虚拟飞鸟京”项目正是利用AR技术进行遗址复原[2]。 而在国内，AR技术研究起步较晚，主要也是集中于一些著名高校和实验室。近两年，虽然中国的AR研究呈现井喷式的发展，许多公司也纷纷开始转向研究AR应用，但是在文化领域取得的成果也屈指可数。北京理工大学王涌天教授将AR技术与文化相结合产生了美妙的反应，对圆明园文化遗迹进行了数字化原貌重现[3]，不仅加了深体验深度，而且还增强了互动性，从根本上改变了非遗文化摸不着、看不见、体味不了的弊端，使非遗文化对大众产生强烈的吸引力，也从根本上改变了文化的传播方式，对文化的弘扬与发展起到了至关重要的作用。对参观者而言，参观的时间与空间不再受到限制，通过崭新的参观体验方式既增强了人的能动性，又加深了对于文化内涵的理解。纵观国内，基于AR交互式的博物馆系统已初现雏形[4]，相对于传统博物馆而言是一步巨大的突破，打破了传统博物馆固定僵硬的体验方式，创造出一种全新灵活多变的观展模式。但是目前的AR交互式博物馆体验系统结构功能单一，体验效果差强人意，因此，本文的主要研究内容就是基于现有AR交互式的博物馆文化体验系统上构建功能更为强大，系统更为完善的AR交互式博物馆文化体验系统，通过文化数据与真实展品相结合，实时的对每件陈列的展品进行数字化的增强，引导用户去探寻每件展品背后曲折诱人的文化故事。 三基于AR技术的博物馆文化教育交互式体验系统架构设计 (一)系统的主要功能及特点 1.驱动地区文化发展与传播 博物馆是一个地区的文化记忆储备库，而文化在推动国家发展和民族进步中有着重大战略意义。由此可见，博物馆对一个地区乃至一个国家的重要性。一方面构建的AR交互式博物馆因其趣味性、娱乐性能吸引更多的人走进博物馆，游览观展，体验地区文化；另一方面人们对新型事物以及新型技术的强烈好奇心，两方面相互结合，强有力地推动了地区文化的发展与传播，并提升了地区文化高度，强化了文化品牌。 2.符合信息时代发展理念 随着经济和科技的飞速发展，互联网第三大产业的崛起以及信息技术的更新换代，新兴的增强现实技术逐渐走进大众视野，技术的研究也不再只是停留在纸上，更多的是通过实践应用到各个领域，各种AR交互式的系统研究逐渐成为热点被大众所关注，其中AR交互式博物馆系统也是研究的重点。 (二)系统创新点 1.增强文化体验的互动性、趣味性、体验感 与传统博物馆相比，用户可以充分利用移动终端与藏品进行互动，可以将其放置于手心进行观赏与把玩，通过视频、图片等信息可以深刻了解到藏品背后的文化底蕴，不仅从根本上打破了“只可远观而不可亵玩焉”的格局，还规避了摸不着、体验不了的弊端。AR交互式博物馆系统体验方式呈现多样化，用户在观赏藏品时可以不再需要专业人员的讲解，自行通过手持移动终端去了解藏品的历史背景、文化内涵，这对传统博物馆的体验方式是一次伟大的突破。在体验深度上，AR交互式博物馆能够加深用户的体验深度，带给用户前所未有的体验。 2.文化内容实时互动 通过创意、策划与数字技术手段结合，设计、创作丰富的集娱乐性、教育性、知识性与交互性于一体的多种形态表示的数字文化内容，并将这种文化内容实时叠加在现实的物化遗产载体之中，进行有效地诠释、展示与传播，实现体验者、植入主体、植入客体三者之间的有效互动，促进体验者在互动过程中对载体所承载的博物馆文化特色与内容的认知，从而实现互动式的文化体验。AR技术最明显的特征之一就是实时交互，除了传统的键盘、鼠标交互操作外，通过触觉、语音、手势、体感等多种自然的人机交互模式，能有效吸引文化消费者的积极参与，促进体验者的行为体验，实现民族特色文化内涵的数字化互动体验与文化消费。 (三)系统关键技术 1.AR数字化博物馆中主要应用到三大关键性技术，即空间位置跟踪注册技术、视频模型等信息叠加技术以及交互技术 空间位置跟踪注册技术是实现AR数字化博物馆体验系统的关键，而空间位置计算的精度对数字化信息的叠加起着决定性作用。由于移动终端捕获博物馆标识信息时的位置在不断地发生着动态的改变，所以需要实时地分析摄像头在真实空间中的姿态信息。通过空间透视不断地计算出移动终端在真实世界的位置信息从而更好地完成虚实融合。根据研究[5]，在空间位置跟踪注册过程中一般采用技术有三种分别是：基于传感器的跟踪技术、基于视觉的跟踪技术和混合跟踪技术。其中，视觉跟踪又可以划分为基于标志物跟踪(Marker Based)和基于无标志物跟踪(Markerless)[6]。基于无标志物跟踪实现过程难度较大，精度较低，实时性较弱。因此，AR数字化博物馆系统采用基于有标志物的跟踪注册技术。为对空间位置跟踪注册进一步扩展，采用SlAM拓展定位，使目标在移出摄像头范围的时候跟踪和定位仍然继续。 2.在虚实融合过程中，主要是将数字文化数据库中存储的数字内容等信息实时叠加到真实场景中实现虚实融合 为追求更强烈的沉浸感，不仅要在空间位置跟踪上获取精确定位信息外，而且在数字内容制作技术方面要求创建逼真的立体模型，为使模型有更加逼真的色调光泽，在模型材质方面引入着色器效果，以实现无缝融合，使虚拟与现实融为一体。 3.交互技术一直是研究的重点 当然交互方式也有很多，但是就目前发展情况以及技术成熟度而言，基于手势的交互方式更被大众青睐，而且这种交互方式更加符合人类的自然习惯。考虑到目前技术发展情况，在手势交互中采用多点触碰，可以同时支持多用户操作，使应用更具有娱乐性和操作性。 (四)系统总体架构设计 通过多媒体手段深度挖掘展览藏品所蕴含的背景、意义是博物馆的核心价值。因此，通过研究决定构建移动终端与服务器相结合的C/S总体系统架构模式，利用UWB超宽带局域网进行网络通信，实现高速低成本的数据传输，可以有效快捷地管理大量的展览藏品。近年来，随着软硬件的不断升级，不少移动终端都具备有一定的计算能力，综合这一因素，可以使移动终端进行一些基本的计算，减少服务器的负荷，这样可以有效地缩短系统响应时间，提高运行效率，更加切合信息发展理念。因此，根据以上思路设计的系统总体架构如图1所示，结合总体设计的架构图，服务器的操作系统采用Window Server2012 R2标准版，在此基础上安装配置Web服务器，并且搭建了MySql(5.6.24)数据库。 根据图1将本系统总结构划分为四个部分，分别为：移动终端、服务器、数字文化数据库和标识数据库。其中，移动终端主要是标识信息获取、渲染数字信息完成虚实融合；服务器主要用于计算终端姿态定位坐标和文物匹配检测；数字文化数据库则主要是存储由数字信息编辑人员编辑的数字信息；标识数据库则是存储预先采集的标识以实现动态的标识切换识别，其主要流程是移动终端将捕获的图像信息上传至服务端进行标识识别并分析计算终端姿态位置，服务端进行定位运算确定终端的精确位置，再通过算法运算识别匹配，从数字文化数据库中下载数字文化信息进行无缝的虚实融合。 基于上述系统架构图基础，本文提出了基于Unity3D基础的移动增强现实博物馆体验系统，能够在移动终端实现无缝切换虚实叠加的效果。而实现本系统的核心主要包括四个步骤：(1)创建文化标识云端数据库；(2)目标识别对象管理；(3)导入云端标识数据库资源包以及识别匹配后进行虚实融合的目标资源；(4)生成AR移动终端应用。其中，目标识别对象管理主要是对文化标识物进行预处理，而整个系统的开发则是基于Unity3D平台搭载Vuforia SDK插件动态的加载识别匹配的目标资源从而完成虚实融合。 四系统开发实现与应用 (一)系统功能模块划分 本系统在基于传统博物馆的基础上，利用增强现实技术开发的数字化、智能化现代化博物馆系统。通过移动终端扫描Marker能将文物等信息渲染到移动终端屏幕上完成虚实融合。根据其系统架构图以及流程图可将其分为标识物信息采集模块、特征检测匹配模块、三维跟踪注册模块以及虚实融合模块四大模块。 标识物信息采集模块：在每件展品旁创建一个独特的Marker，上面印有文物画像，当用户手持移动终端在展区文物旁扫该Marker时，会将捕获到的标识信息进行特征点识别。 特征检测匹配模块：该模块对于整个系统意义匪浅，当用户采集到的图像信息上后，通过算法提取图像信息中的特征点，然后再利用服务器的高速计算能力进行特征匹配，当匹配成功后调取数据库中展品信息。 三维跟踪注册模块：三维跟踪注册模块是整个系统的基础，它是衡量本系统性能的一个最为重要的模块，决定着虚实融合模块的性能。在进行特征点检测时，移动终端利用其自身计算能力，进行坐标矩阵变换，再通过服务器计算出移动终端相对于展厅中展品的位置姿态，确定虚拟物体融合的准确位置。 虚实融合模块：虚实融合模块是本系统流程中最后一个模块。在通过三维跟踪注册模块确定虚拟物体融合的精确位置后，将数据库中的虚拟物体调取实时融合，形成增强现实图像，最终渲染在用户手持的移动终端的屏幕上完成虚实融合。 (二)数字资源打包下载与解包 由于本系统是基于Unity游戏引擎平台搭载Vuforia SDK插件，再考虑到博物馆展品数量以及识别叠加数字内容等因素，因此在存储资源时使用了Unity引擎的AssetBundle对数字资源进行打包，这样不仅可以极大压缩数字文化内容的大小，还能够快捷便于管理存储。而在用户手持移动终端扫描Marker标识匹配后，将开启一个新的协程通过Unity引擎中的WWW类去加载数据库中存储的数字文化资源，并通过AssetBundle进行解包加载数字资源从而完成虚实融合。 (三)交互设计 由于博物馆数字文化内容制作主要是由模型和视频两部分构成，因此在设计界面UI时无需过多的界面虚拟按键，出于人类自然习惯，设计三个虚拟按键是比较符合生物学观点，用户通过手势交互切换不同数字资源，通过编写C#Script实现手势交互隐藏显示UI以及识别Marker后切换视频和模型资源。 (四)测试效果 根据以上设计思路再结合博物馆陈列的展品，设计的展品数字文化内容则主要是由视频和展品立体模型两方面构成。视频的特点在于向用户“讲解”展品的由来经历突出展品的文化内涵。模型则是为了让用户可以更加细致近距离的观赏展品。当然，为突出观察效果，特给模型加上自旋转效果，使用户可以360度全方位欣赏到展品的每个细节。 为使用户获得更好的交互体验效果，突出简洁明了易操作的主题。对界面的UI进行隐藏，仅当用户扫描到识别图时UI则会渲染到屏幕上，UI显示效果如图2、图3所示。用户可通过选择切换叠加的增强信息内容，测试效果如图4、图5所示。
站在“网联网+”视角下，本文在传统博物馆基础上，借助于增强现实技术构建博物馆展品陈列的新模式，通过数字内容制作技术为展品叠加上虚拟的视频、动画、音频、文字、等信息既打破原有单一的体验方式，又突破了体验时间和空间的限制。在设计AR交互式博物馆通过叠加视频等信息使用户简明了解展品背后曲折离奇的故事以及文化内涵。为使三维跟踪注册更加智能化，在引入机器识别中的SLAM即时定位与地图构建技术对标志物进行扩展跟踪。同时，在建立展品模型时使用纹理建模来提高模型的逼真程度，以实现虚实无缝融合。 由于AR技术仍处于发展阶段，因此AR交互式博物馆文化体验系统还有待于进一步发展，尤其是为追求正真意义上的虚实无缝融合，必须要研究出更加成熟的三维跟踪注册技术，实现精准无偏差的定位。AR技术研究不仅需要对交叉学科有一定的了解而且其实现平台对软硬件也极具很高要求。虽然以目前软硬件发展状况以及网络通信而言，AR技术的发展还是有一定的困难，但是以目前AR技术的火热程度而言，未来AR总体发展方向还是可观的，相信在不久的将来AR会成为信息技术的主流，活跃于各个领域。
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