淺談AR技術(shù)在智慧博物館中的應(yīng)用

2016年底，國家文物局聯(lián)合四部委印發(fā)《“互聯(lián)網(wǎng)＋中華文明”三年行動(dòng)計(jì)劃》，對博物館建設(shè)與運(yùn)營提出了更高要求，希望更多更好的高新技術(shù)成果能運(yùn)用到博物館工作中去，不斷提升博物館的文化遺產(chǎn)保護(hù)和公共文化服務(wù)能力。其中，不止一次提到將AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)運(yùn)用到博物館工作中去。AR技術(shù)方興未艾，目前已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、娛樂、制造業(yè)、旅游等多領(lǐng)域有所應(yīng)用。本文主要討論AR技術(shù)在智慧博物館個(gè)性化展覽和智能化導(dǎo)覽中的應(yīng)用和研究，希望能為博物館行業(yè)運(yùn)用AR技術(shù)促進(jìn)事業(yè)發(fā)展提供參考。

 

一、概念

 

（一）AR

 

AR（AugmentedReality），即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也被稱作混合現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)。它能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)虛擬信息疊加到真實(shí)場景中，通過顯示設(shè)備，用戶可以同時(shí)看到虛擬信息和真實(shí)場景融合后的畫面，為使用者提供一種基于現(xiàn)實(shí)又超越現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。

 

（二）智慧博物館

 

智慧博物館（I-MuseumSystem），從英文名稱可以很明顯看出它是一個(gè)以用戶“我”的需求為中心的、依托于現(xiàn)代科技的、服務(wù)于博物館的智能應(yīng)用系統(tǒng)。通過應(yīng)用這一系統(tǒng)，參觀者可以根據(jù)自身需求獲取更多信息，從而使觀展體驗(yàn)更為豐富有趣；博物館也能在第一時(shí)間獲得參觀者的信息反饋，并據(jù)此對個(gè)性化展覽和智能化導(dǎo)覽做出積極調(diào)整。

 

 

二、AR＋智慧博物館的意義

 

（一）解決博物館陳列形式單一的問題

 

博物館一般根據(jù)展覽主題、文物類別等對文物進(jìn)行分類陳列。通常情況下，文物被擺放在玻璃展柜中并附有簡潔的說明文字。這種展覽方式邏輯清楚且方便管理，但缺乏深入性和生動(dòng)性，不能使參觀者直觀、全面地了解文物蘊(yùn)藏的知識(shí)以及歷史背景。而將AR技術(shù)應(yīng)用于博物館陳列展覽中，就可以將文物蘊(yùn)藏的知識(shí)以及歷史背景等信息以數(shù)字化形式（如視頻、圖片、3D圖形圖像、文字等）疊加到文物陳列現(xiàn)實(shí)場景中，從而擴(kuò)展文物的介紹內(nèi)容，解決陳列形式單一的問題，使參觀者以一種沉浸其中的方式全面了解相關(guān)的文物知識(shí)。

 

（二）提高觀眾從博物館獲取知識(shí)的效率

 

教育是博物館的一項(xiàng)重要職能，而興趣是最好的老師，怎樣使博物館教育更加生動(dòng)有趣是一個(gè)重要議題。國內(nèi)外多項(xiàng)研究都證明應(yīng)用AR技術(shù)能夠大大提高博物館教育水平。SusanA.Yoon等[1]、PeterSommerauer和OliverMüller[2]、Chang等[3]研究者都通過研究和對比實(shí)驗(yàn)，證明將AR技術(shù)融入學(xué)習(xí)中能夠引起學(xué)習(xí)者的興趣，并大大提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

 

（三）解決博物館互動(dòng)水平低的問題

 

長期以來，博物館被定位為知識(shí)傳播者，以一種單向模式向參觀者傳播文物知識(shí)，缺乏與參觀者之間的互動(dòng)體驗(yàn)。由于AR技術(shù)具有很強(qiáng)的交互性，所以將AR技術(shù)運(yùn)用于博物館展覽中，使觀眾在虛實(shí)融合的環(huán)境中獲得豐富的互動(dòng)體驗(yàn)，并且這種互動(dòng)體驗(yàn)?zāi)軌驖M足觀眾的某種情感需要。觀眾在博物館參觀展覽時(shí)，文物的美麗外觀或者細(xì)膩質(zhì)感能夠引起觀眾本能的愉悅感，進(jìn)而產(chǎn)生想要把玩的沖動(dòng)，但是文物和觀眾之間往往被玻璃阻隔，而且出于保護(hù)文物的考慮不允許觀眾觸摸文物，從而導(dǎo)致展覽互動(dòng)水平不高。通過AR技術(shù)，觀眾能通過觸控、手勢識(shí)別等技術(shù)，以虛擬方式滿足把玩展品的需求，實(shí)現(xiàn)良好互動(dòng)。

 

 

三、AR關(guān)鍵技術(shù)

 

AR技術(shù)原理是通過攝像機(jī)識(shí)別現(xiàn)實(shí)場景中的識(shí)別標(biāo)識(shí)圖案，或通過傳感器追蹤現(xiàn)實(shí)場景中物體運(yùn)動(dòng)，利用三維空間注冊技術(shù)計(jì)算虛擬物體在現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系中的位置及姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字信息（包括文字、圖像、3D模型或3D動(dòng)畫等）與現(xiàn)實(shí)場景實(shí)時(shí)融合，并實(shí)現(xiàn)3D展示效果，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互（圖一）。

 

 

AR技術(shù)涉及三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是跟蹤定位注冊技術(shù)、顯示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)。

 

（一）跟蹤定位注冊技術(shù)

 

跟蹤定位注冊技術(shù)是對真實(shí)場景中圖像或物體進(jìn)行識(shí)別與追蹤定位。從跟蹤定位技術(shù)角度來說，AR系統(tǒng)可以分為基于圖像型AR系統(tǒng)和基于位置型AR系統(tǒng)。[1]基于圖像型AR系統(tǒng)，可以通過識(shí)別人工標(biāo)記或者直接識(shí)別真實(shí)對象來進(jìn)行定位。識(shí)別人工標(biāo)記操作簡單，識(shí)別準(zhǔn)確率高，但用這種方法疊加的虛擬信息與真實(shí)對象融合得不夠貼切。而直接識(shí)別真實(shí)對象的AR系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地根據(jù)攝像頭拍攝到的真實(shí)對象的角度調(diào)整虛擬信息的形式和內(nèi)容。當(dāng)然這種方式運(yùn)算方法更加復(fù)雜，對設(shè)備性能要求更高?；谖恢眯虯R系統(tǒng)通常利用磁力跟蹤、GPS、Wi-Fi、藍(lán)牙等設(shè)備獲取使用者位置信息，通過位置信息查找真實(shí)場景信息并向使用者提供服務(wù)。在進(jìn)行文物展示時(shí)，建議使用基于圖像型AR系統(tǒng)，而在進(jìn)行參觀導(dǎo)覽時(shí)，建議使用基于位置型AR系統(tǒng)。

 

（二）顯示技術(shù)

 

AR顯示技術(shù)主要指顯示設(shè)備，用來顯示計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息和真實(shí)場景疊加后的影像。目前用于AR的顯示設(shè)備主要有頭盔式顯示器、計(jì)算機(jī)顯示器、Google眼鏡、智能手機(jī)、平板電腦等。頭盔式顯示器比較適合航天、維修等專業(yè)性強(qiáng)的領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)顯示器服務(wù)的觀眾有限，不可能在博物館安裝上千臺(tái)計(jì)算機(jī)顯示器。Google眼鏡價(jià)格較高，也不適合在博物館使用。近年來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進(jìn)，運(yùn)算速度和顯示精度基本可以滿足AR技術(shù)的需要，且手機(jī)、平板電腦攜帶方便，一般人手一臺(tái)智能手機(jī)，因此特別適合應(yīng)用于博物館AR系統(tǒng)中。

 

 

（三）人機(jī)交互技術(shù)

 

早期AR系統(tǒng)采用鍵盤和鼠標(biāo)等交互技術(shù)，隨著觸控技術(shù)的發(fā)展，觸屏交互技術(shù)在AR系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。觸屏技術(shù)分為單點(diǎn)觸控和多點(diǎn)觸控，單點(diǎn)觸控類似鼠標(biāo)點(diǎn)擊，多點(diǎn)觸控更符合人類操作機(jī)器的習(xí)慣。現(xiàn)在多數(shù)移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)支持多點(diǎn)觸控，所以博物館在開發(fā)AR系統(tǒng)時(shí)，可以采用多點(diǎn)觸控的人機(jī)交互方式。如果技術(shù)和資金允許，人體動(dòng)作捕捉和手勢識(shí)別技術(shù)能為AR系統(tǒng)提供更加自然的人機(jī)交互方式。

 

 

四、AR＋智慧博物館

 

智慧博物館的兩項(xiàng)重要功能就是為觀眾提供個(gè)性化展覽和智能化導(dǎo)覽。利用AR技術(shù)，能夠有效提升展覽的個(gè)性化水平和導(dǎo)覽的智能化水平。

 

（一）AR＋個(gè)性化展覽

 

1.把文物所在歷史環(huán)境疊加到文物周邊觀眾

 

在參觀某件文物時(shí)，經(jīng)常會(huì)問這件文物在所處時(shí)代的用途。通過口頭、文字等形式向觀眾解釋，往往不能給予其直觀印象。而通過AR技術(shù)，就可以把文物當(dāng)時(shí)的歷史環(huán)境疊加到文物現(xiàn)實(shí)場景上，這樣觀眾就能夠沉浸其中，并了解文物在當(dāng)時(shí)的歷史環(huán)境是如何擺放和使用的（圖二）。

 

 

搭建的歷史環(huán)境可以是人工制作圖形，也可以是其他文物3D掃描圖像。同一歷史環(huán)境下可能擺放著多種文物，而這些文物可能因?yàn)楦鞣N原因無法擺放在一起。通過AR技術(shù)就可以把這些文物的3D掃描圖像以一種合理的布局疊加到某個(gè)文物實(shí)景中。如李旭杰研究如何在馬王堆漢墓展覽中運(yùn)用AR技術(shù)，還原墓葬下葬之初的情景。[2]當(dāng)觀眾通過移動(dòng)設(shè)備觀看出土棺槨時(shí)，出土?xí)r存放于棺槨中但陳列于其他展柜的文物以虛擬三維場景的形式疊加到棺槨圖像中（圖三）。

 

 

2.還原文物本來樣貌

 

很多文物流傳至今會(huì)有不同程度的破損，觀眾看到此類文物會(huì)想知道文物的本來樣貌，如果直接在文物上進(jìn)行修復(fù)可能會(huì)對文物造成二次破壞。通過AR技術(shù)可以補(bǔ)全文物破損信息，使觀眾欣賞到文物的本來樣貌。這種方式特別適合不可移動(dòng)文物，因?yàn)槲奈锕袍E往往破壞嚴(yán)重，若對其進(jìn)行修復(fù)，一是耗費(fèi)巨大，二是可能造成不可挽回的破壞。通過AR技術(shù)，可以復(fù)原文物古跡等不可移動(dòng)文物，還可以復(fù)原它的歷史背景。

 

例如圓明園在1860年被英法聯(lián)軍焚毀，怎樣讓觀眾參觀時(shí)既能勿忘國恥，又能領(lǐng)略到圓明園當(dāng)年的盛景，這是一個(gè)重要研究課題。北京理工大學(xué)王涌天教授一直從事通過數(shù)字化手段重現(xiàn)圓明園的研究工作，特別是通過AR技術(shù)，把圓明園損毀或丟失的部分以虛擬圖像的形式疊加到遺址上，把圓明園的本來樣貌呈現(xiàn)給觀眾，使觀眾的參觀體驗(yàn)更具沉浸性，如圖四所示。

 

 

3.“讓文物活起來”

 

文物一般采取靜態(tài)展示，而人往往對移動(dòng)的東西更感興趣，通過AR技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)“讓文物活起來”，大大提升觀眾參觀興趣。MUKAITakeshi基于IOS平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)了一款名為ARART的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)APP，它能夠?qū)⒃眷o態(tài)的世界名畫以動(dòng)態(tài)形式展現(xiàn)給參觀者。當(dāng)觀眾將手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)《蒙娜麗莎》這幅畫作時(shí)，經(jīng)過圖像識(shí)別之后，使用者便能夠在手機(jī)上看到蒙娜麗莎沖著參觀者眨眼睛。

 

4.提高展覽互動(dòng)性

 

展覽互動(dòng)包括觀眾與展覽之間的互動(dòng)和觀眾與觀眾之間的互動(dòng)。觀眾與展覽之間的互動(dòng)能夠增強(qiáng)觀眾的參觀興趣，例如坦帕科學(xué)與工業(yè)博物館應(yīng)用AR技術(shù)為游客提供前所未有的博物館參觀體驗(yàn)，當(dāng)游客站在展覽設(shè)定的圖像識(shí)別區(qū)，應(yīng)用程序通過圖像識(shí)別技術(shù)，把相應(yīng)的三維立體圖像疊加到現(xiàn)實(shí)場景中，這樣就可以使游客與北極熊、恐龍等進(jìn)行“親密”接觸，仿佛置身于電影《博物館奇妙夜》之中。[3]觀眾在觀看展覽時(shí)，希望能與其他人進(jìn)行互動(dòng)，利用AR技術(shù)可以建立一種基于定位的觀眾互動(dòng)方式，觀眾可以隨時(shí)隨地分享對展覽的看法，并與其他人討論甚至成為朋友。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)論壇式討論，基于AR技術(shù)的在線討論更能形象地體現(xiàn)出分享的互動(dòng)性，使得觀眾間的互動(dòng)體驗(yàn)更加有趣。

 

（二）AR智能化導(dǎo)覽

 

參觀導(dǎo)覽關(guān)系到博物館的觀眾體驗(yàn)，人們到博物館不是逛商場，而是希望更有效率地學(xué)習(xí)和欣賞。傳統(tǒng)的導(dǎo)覽方式有講解員引導(dǎo)、語音講解和觀眾通過標(biāo)識(shí)牌自行參觀等。智慧博物館參觀導(dǎo)覽通過智能設(shè)備，實(shí)時(shí)定位觀眾位置，為觀眾提供智能化參觀方案。通過引入AR技術(shù)，博物館能為觀眾提供更加立體的導(dǎo)覽服務(wù)。

 

比較常見的智能化導(dǎo)覽是在移動(dòng)設(shè)備上顯示參觀者所在位置以及到達(dá)目的地的路線，參觀者要把移動(dòng)設(shè)備上的平面地圖在腦海中轉(zhuǎn)化成三維空間形象才能順利完成導(dǎo)覽。這個(gè)過程可能因?yàn)榉较騿栴}導(dǎo)致很多錯(cuò)誤，而且一直低頭看設(shè)備會(huì)導(dǎo)致參觀體驗(yàn)下降。而通過AR技術(shù)，參觀者把手機(jī)攝像頭正對前方，相應(yīng)的導(dǎo)覽信息就會(huì)疊加到手機(jī)屏幕上，參觀者可以清楚知道自己所在位置，以及想要參觀的文物所在的位置，為參觀者提供直觀的路徑指引。

 

除了上述這種AR導(dǎo)覽方式，還有一種方式更加活潑生動(dòng)。東京水族館地處繁華市區(qū)，路線復(fù)雜，就算拿著地圖也很難迅速找到，于是水族館與科技公司合作開發(fā)了一款名為“PenguinNavi”的手機(jī)應(yīng)用程序。通過該程序，觀眾只要把手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)前方，就會(huì)有一群可愛的小企鵝引導(dǎo)觀眾前往水族館。

 

以上兩個(gè)例子實(shí)用性都很強(qiáng)，如果借鑒到我們的博物館中，一定會(huì)收到很好的效果，特別是第二個(gè)例子比較適合大型博物館，例如在故宮博物院，可以把小企鵝形象換成皇帝、皇后等人物形象，帶領(lǐng)觀眾參觀故宮，相信能較好地提升博物館的吸引力。

 

 

五、AR技術(shù)應(yīng)用可能出現(xiàn)的問題及應(yīng)對措施

 

（一）形式大于內(nèi)容

 

目前博物館的展覽普遍會(huì)采用一些熱門的技術(shù)手段，酷炫的技術(shù)手段確實(shí)在形式上吸引了觀眾，但它所承載的內(nèi)容卻可能非常有限。博物館的展覽要向公眾傳播文化而不是傳播技術(shù)，AR技術(shù)在應(yīng)用于博物館展覽時(shí)，要避免這種形式大于內(nèi)容的情況出現(xiàn)。在AR項(xiàng)目進(jìn)行之前，要進(jìn)行充分的需求分析，確認(rèn)AR技術(shù)的應(yīng)用能對展覽內(nèi)容的展示起到事半功倍的效果；項(xiàng)目進(jìn)行中，AR技術(shù)展示的內(nèi)容要真實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)，要經(jīng)過相關(guān)專業(yè)人員把關(guān)；項(xiàng)目推出后，要根據(jù)觀眾的反饋，及時(shí)對內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和更新。

 

 

（二）AR技術(shù)優(yōu)劣不等

 

AR技術(shù)概念簡單，但真正實(shí)現(xiàn)起來卻有優(yōu)劣之分。優(yōu)秀的AR技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)AR系統(tǒng)生成的圖像與攝像頭拍到的圖像無縫連接，并隨著攝像頭的拍攝角度和拍攝環(huán)境的改變自動(dòng)調(diào)整生成圖像的形式和位置。質(zhì)量較差的AR技術(shù)則只是蹭了AR技術(shù)的熱點(diǎn)。例如有的項(xiàng)目自稱運(yùn)用了AR技術(shù)，而事實(shí)只是用攝像頭掃描某個(gè)識(shí)別圖，然后在屏幕上顯示一個(gè)三維立體的文物圖像，但這個(gè)文物圖像并不能與真實(shí)的環(huán)境有機(jī)結(jié)合，而是孤立的，它的效果跟直接在網(wǎng)站上打開一個(gè)三維立體文物圖像是一樣的。因此，博物館在應(yīng)用AR技術(shù)時(shí)，要分清優(yōu)劣，不要被某些軟件公司打著AR的旗號(hào)所欺騙。

 

（三）觀眾接受度不高

 

近年來，博物館的展覽在運(yùn)用一些熱門技術(shù)手段時(shí)，常常出現(xiàn)觀眾并不接受的情況。AR技術(shù)運(yùn)用于博物館展覽的目的是服務(wù)觀眾，如果AR項(xiàng)目不能引起觀眾的興趣，或者使用體驗(yàn)較差，那這個(gè)項(xiàng)目就是不成功的，所以在實(shí)施AR項(xiàng)目之前要進(jìn)行科學(xué)的觀眾接受度調(diào)查。調(diào)查可以通過問卷調(diào)查和深度訪談的形式進(jìn)行，根據(jù)Davis經(jīng)典技術(shù)接受模型[1]（TechnologyAcceptanceModel，簡稱TAM），對影響使用者接受技術(shù)的兩大主要因素（感知有用性和感知易用性）進(jìn)行分析。另外，在開發(fā)AR項(xiàng)目時(shí)，為了提高觀眾接受度，要把工作重點(diǎn)放在增強(qiáng)內(nèi)容的有用性和操作的易用性上。

 

 

結(jié)語

 

本文在詳細(xì)闡釋AR概念及其技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重討論AR技術(shù)在智慧博物館個(gè)性化展覽和智能化導(dǎo)覽方面的應(yīng)用和研究。在個(gè)性化導(dǎo)覽方面，AR技術(shù)可以增加文物信息量、還原文物本來樣貌、提升展覽的趣味性以及提高展覽的互動(dòng)性；在智能化導(dǎo)覽方面，既能為觀眾提供更具立體化的導(dǎo)覽服務(wù)，也能使導(dǎo)覽更加有趣，提升博物館的吸引力。最后指出博物館在運(yùn)用AR技術(shù)時(shí)應(yīng)該注意形式大于內(nèi)容、AR技術(shù)優(yōu)劣不等以及觀眾接受度不高等問題。相信這些討論對博物館行業(yè)深入貫徹國家文物局聯(lián)合四部委印發(fā)的《“互聯(lián)網(wǎng)＋中華文明”三年行動(dòng)計(jì)劃》有很好的參考作用。

 

 

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