浅谈AR技术在智慧博物馆中的应用

2016年底，国家文物局联合四部委印发《“互联网＋中华文明”三年行动计划》，对博物馆建设与运营提出了更高要求，希望更多更好的高新技术成果能运用到博物馆工作中去，不断提升博物馆的文化遗产保护和公共文化服务能力。其中，不止一次提到将AR（增强现实）技术运用到博物馆工作中去。AR技术方兴未艾，目前已经在军事、医学、娱乐、制造业、旅游等多领域有所应用。本文主要讨论AR技术在智慧博物馆个性化展览和智能化导览中的应用和研究，希望能为博物馆行业运用AR技术促进事业发展提供参考。

 

一、概念

 

（一）AR

 

AR（AugmentedReality），即增强现实技术，也被称作混合现实、扩增现实，是在虚拟现实（VR）基础上发展起来的新兴技术。它能够将计算机虚拟信息叠加到真实场景中，通过显示设备，用户可以同时看到虚拟信息和真实场景融合后的画面，为使用者提供一种基于现实又超越现实的体验。

 

（二）智慧博物馆

 

智慧博物馆（I-MuseumSystem），从英文名称可以很明显看出它是一个以用户“我”的需求为中心的、依托于现代科技的、服务于博物馆的智能应用系统。通过应用这一系统，参观者可以根据自身需求获取更多信息，从而使观展体验更为丰富有趣；博物馆也能在第一时间获得参观者的信息反馈，并据此对个性化展览和智能化导览做出积极调整。

 

 

二、AR＋智慧博物馆的意义

 

（一）解决博物馆陈列形式单一的问题

 

博物馆一般根据展览主题、文物类别等对文物进行分类陈列。通常情况下，文物被摆放在玻璃展柜中并附有简洁的说明文字。这种展览方式逻辑清楚且方便管理，但缺乏深入性和生动性，不能使参观者直观、全面地了解文物蕴藏的知识以及历史背景。而将AR技术应用于博物馆陈列展览中，就可以将文物蕴藏的知识以及历史背景等信息以数字化形式（如视频、图片、3D图形图像、文字等）叠加到文物陈列现实场景中，从而扩展文物的介绍内容，解决陈列形式单一的问题，使参观者以一种沉浸其中的方式全面了解相关的文物知识。

 

（二）提高观众从博物馆获取知识的效率

 

教育是博物馆的一项重要职能，而兴趣是最好的老师，怎样使博物馆教育更加生动有趣是一个重要议题。国内外多项研究都证明应用AR技术能够大大提高博物馆教育水平。SusanA.Yoon等[1]、PeterSommerauer和OliverMüller[2]、Chang等[3]研究者都通过研究和对比实验，证明将AR技术融入学习中能够引起学习者的兴趣，并大大提升学习者的学习效率。

 

（三）解决博物馆互动水平低的问题

 

长期以来，博物馆被定位为知识传播者，以一种单向模式向参观者传播文物知识，缺乏与参观者之间的互动体验。由于AR技术具有很强的交互性，所以将AR技术运用于博物馆展览中，使观众在虚实融合的环境中获得丰富的互动体验，并且这种互动体验能够满足观众的某种情感需要。观众在博物馆参观展览时，文物的美丽外观或者细腻质感能够引起观众本能的愉悦感，进而产生想要把玩的冲动，但是文物和观众之间往往被玻璃阻隔，而且出于保护文物的考虑不允许观众触摸文物，从而导致展览互动水平不高。通过AR技术，观众能通过触控、手势识别等技术，以虚拟方式满足把玩展品的需求，实现良好互动。

 

 

三、AR关键技术

 

AR技术原理是通过摄像机识别现实场景中的识别标识图案，或通过传感器追踪现实场景中物体运动，利用三维空间注册技术计算虚拟物体在现实世界坐标系中的位置及姿态，以实现虚拟数字信息（包括文字、图像、3D模型或3D动画等）与现实场景实时融合，并实现3D展示效果，从而实现人机交互（图一）。

 

 

AR技术涉及三个关键技术，分别是跟踪定位注册技术、显示技术和人机交互技术。

 

（一）跟踪定位注册技术

 

跟踪定位注册技术是对真实场景中图像或物体进行识别与追踪定位。从跟踪定位技术角度来说，AR系统可以分为基于图像型AR系统和基于位置型AR系统。[1]基于图像型AR系统，可以通过识别人工标记或者直接识别真实对象来进行定位。识别人工标记操作简单，识别准确率高，但用这种方法叠加的虚拟信息与真实对象融合得不够贴切。而直接识别真实对象的AR系统能实时地根据摄像头拍摄到的真实对象的角度调整虚拟信息的形式和内容。当然这种方式运算方法更加复杂，对设备性能要求更高。基于位置型AR系统通常利用磁力跟踪、GPS、Wi-Fi、蓝牙等设备获取使用者位置信息，通过位置信息查找真实场景信息并向使用者提供服务。在进行文物展示时，建议使用基于图像型AR系统，而在进行参观导览时，建议使用基于位置型AR系统。

 

（二）显示技术

 

AR显示技术主要指显示设备，用来显示计算机生成的虚拟信息和真实场景叠加后的影像。目前用于AR的显示设备主要有头盔式显示器、计算机显示器、Google眼镜、智能手机、平板电脑等。头盔式显示器比较适合航天、维修等专业性强的领域。计算机显示器服务的观众有限，不可能在博物馆安装上千台计算机显示器。Google眼镜价格较高，也不适合在博物馆使用。近年来移动网络技术突飞猛进，运算速度和显示精度基本可以满足AR技术的需要，且手机、平板电脑携带方便，一般人手一台智能手机，因此特别适合应用于博物馆AR系统中。

 

 

（三）人机交互技术

 

早期AR系统采用键盘和鼠标等交互技术，随着触控技术的发展，触屏交互技术在AR系统中得到广泛应用。触屏技术分为单点触控和多点触控，单点触控类似鼠标点击，多点触控更符合人类操作机器的习惯。现在多数移动设备已经支持多点触控，所以博物馆在开发AR系统时，可以采用多点触控的人机交互方式。如果技术和资金允许，人体动作捕捉和手势识别技术能为AR系统提供更加自然的人机交互方式。

 

 

四、AR＋智慧博物馆

 

智慧博物馆的两项重要功能就是为观众提供个性化展览和智能化导览。利用AR技术，能够有效提升展览的个性化水平和导览的智能化水平。

 

（一）AR＋个性化展览

 

1.把文物所在历史环境叠加到文物周边观众

 

在参观某件文物时，经常会问这件文物在所处时代的用途。通过口头、文字等形式向观众解释，往往不能给予其直观印象。而通过AR技术，就可以把文物当时的历史环境叠加到文物现实场景上，这样观众就能够沉浸其中，并了解文物在当时的历史环境是如何摆放和使用的（图二）。

 

 

搭建的历史环境可以是人工制作图形，也可以是其他文物3D扫描图像。同一历史环境下可能摆放着多种文物，而这些文物可能因为各种原因无法摆放在一起。通过AR技术就可以把这些文物的3D扫描图像以一种合理的布局叠加到某个文物实景中。如李旭杰研究如何在马王堆汉墓展览中运用AR技术，还原墓葬下葬之初的情景。[2]当观众通过移动设备观看出土棺椁时，出土时存放于棺椁中但陈列于其他展柜的文物以虚拟三维场景的形式叠加到棺椁图像中（图三）。

 

 

2.还原文物本来样貌

 

很多文物流传至今会有不同程度的破损，观众看到此类文物会想知道文物的本来样貌，如果直接在文物上进行修复可能会对文物造成二次破坏。通过AR技术可以补全文物破损信息，使观众欣赏到文物的本来样貌。这种方式特别适合不可移动文物，因为文物古迹往往破坏严重，若对其进行修复，一是耗费巨大，二是可能造成不可挽回的破坏。通过AR技术，可以复原文物古迹等不可移动文物，还可以复原它的历史背景。

 

例如圆明园在1860年被英法联军焚毁，怎样让观众参观时既能勿忘国耻，又能领略到圆明园当年的盛景，这是一个重要研究课题。北京理工大学王涌天教授一直从事通过数字化手段重现圆明园的研究工作，特别是通过AR技术，把圆明园损毁或丢失的部分以虚拟图像的形式叠加到遗址上，把圆明园的本来样貌呈现给观众，使观众的参观体验更具沉浸性，如图四所示。

 

 

3.“让文物活起来”

 

文物一般采取静态展示，而人往往对移动的东西更感兴趣，通过AR技术可以真正实现“让文物活起来”，大大提升观众参观兴趣。MUKAITakeshi基于IOS平台开发设计了一款名为ARART的增强现实APP，它能够将原本静态的世界名画以动态形式展现给参观者。当观众将手机摄像头对准《蒙娜丽莎》这幅画作时，经过图像识别之后，使用者便能够在手机上看到蒙娜丽莎冲着参观者眨眼睛。

 

4.提高展览互动性

 

展览互动包括观众与展览之间的互动和观众与观众之间的互动。观众与展览之间的互动能够增强观众的参观兴趣，例如坦帕科学与工业博物馆应用AR技术为游客提供前所未有的博物馆参观体验，当游客站在展览设定的图像识别区，应用程序通过图像识别技术，把相应的三维立体图像叠加到现实场景中，这样就可以使游客与北极熊、恐龙等进行“亲密”接触，仿佛置身于电影《博物馆奇妙夜》之中。[3]观众在观看展览时，希望能与其他人进行互动，利用AR技术可以建立一种基于定位的观众互动方式，观众可以随时随地分享对展览的看法，并与其他人讨论甚至成为朋友。相比传统的网络论坛式讨论，基于AR技术的在线讨论更能形象地体现出分享的互动性，使得观众间的互动体验更加有趣。

 

（二）AR智能化导览

 

参观导览关系到博物馆的观众体验，人们到博物馆不是逛商场，而是希望更有效率地学习和欣赏。传统的导览方式有讲解员引导、语音讲解和观众通过标识牌自行参观等。智慧博物馆参观导览通过智能设备，实时定位观众位置，为观众提供智能化参观方案。通过引入AR技术，博物馆能为观众提供更加立体的导览服务。

 

比较常见的智能化导览是在移动设备上显示参观者所在位置以及到达目的地的路线，参观者要把移动设备上的平面地图在脑海中转化成三维空间形象才能顺利完成导览。这个过程可能因为方向问题导致很多错误，而且一直低头看设备会导致参观体验下降。而通过AR技术，参观者把手机摄像头正对前方，相应的导览信息就会叠加到手机屏幕上，参观者可以清楚知道自己所在位置，以及想要参观的文物所在的位置，为参观者提供直观的路径指引。

 

除了上述这种AR导览方式，还有一种方式更加活泼生动。东京水族馆地处繁华市区，路线复杂，就算拿着地图也很难迅速找到，于是水族馆与科技公司合作开发了一款名为“PenguinNavi”的手机应用程序。通过该程序，观众只要把手机摄像头对准前方，就会有一群可爱的小企鹅引导观众前往水族馆。

 

以上两个例子实用性都很强，如果借鉴到我们的博物馆中，一定会收到很好的效果，特别是第二个例子比较适合大型博物馆，例如在故宫博物院，可以把小企鹅形象换成皇帝、皇后等人物形象，带领观众参观故宫，相信能较好地提升博物馆的吸引力。

 

 

五、AR技术应用可能出现的问题及应对措施

 

（一）形式大于内容

 

目前博物馆的展览普遍会采用一些热门的技术手段，酷炫的技术手段确实在形式上吸引了观众，但它所承载的内容却可能非常有限。博物馆的展览要向公众传播文化而不是传播技术，AR技术在应用于博物馆展览时，要避免这种形式大于内容的情况出现。在AR项目进行之前，要进行充分的需求分析，确认AR技术的应用能对展览内容的展示起到事半功倍的效果；项目进行中，AR技术展示的内容要真实严谨，要经过相关专业人员把关；项目推出后，要根据观众的反馈，及时对内容进行调整和更新。

 

 

（二）AR技术优劣不等

 

AR技术概念简单，但真正实现起来却有优劣之分。优秀的AR技术，能够实现AR系统生成的图像与摄像头拍到的图像无缝连接，并随着摄像头的拍摄角度和拍摄环境的改变自动调整生成图像的形式和位置。质量较差的AR技术则只是蹭了AR技术的热点。例如有的项目自称运用了AR技术，而事实只是用摄像头扫描某个识别图，然后在屏幕上显示一个三维立体的文物图像，但这个文物图像并不能与真实的环境有机结合，而是孤立的，它的效果跟直接在网站上打开一个三维立体文物图像是一样的。因此，博物馆在应用AR技术时，要分清优劣，不要被某些软件公司打着AR的旗号所欺骗。

 

（三）观众接受度不高

 

近年来，博物馆的展览在运用一些热门技术手段时，常常出现观众并不接受的情况。AR技术运用于博物馆展览的目的是服务观众，如果AR项目不能引起观众的兴趣，或者使用体验较差，那这个项目就是不成功的，所以在实施AR项目之前要进行科学的观众接受度调查。调查可以通过问卷调查和深度访谈的形式进行，根据Davis经典技术接受模型[1]（TechnologyAcceptanceModel，简称TAM），对影响使用者接受技术的两大主要因素（感知有用性和感知易用性）进行分析。另外，在开发AR项目时，为了提高观众接受度，要把工作重点放在增强内容的有用性和操作的易用性上。

 

 

结语

 

本文在详细阐释AR概念及其技术的基础上，着重讨论AR技术在智慧博物馆个性化展览和智能化导览方面的应用和研究。在个性化导览方面，AR技术可以增加文物信息量、还原文物本来样貌、提升展览的趣味性以及提高展览的互动性；在智能化导览方面，既能为观众提供更具立体化的导览服务，也能使导览更加有趣，提升博物馆的吸引力。最后指出博物馆在运用AR技术时应该注意形式大于内容、AR技术优劣不等以及观众接受度不高等问题。相信这些讨论对博物馆行业深入贯彻国家文物局联合四部委印发的《“互联网＋中华文明”三年行动计划》有很好的参考作用。

 

 

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