增强现实技术在文物展示中的应用

施昀

摘 要 本文介绍了增强现实技术，并分析了目前在博物馆的应用现状，基于增强现实开发包，通过摄像机高速扫描数据进行快速建模，开发出多标记增强实现系统；系统应用于用户体验和中小学历史文化教育等方面，取得了良好的效果。

关键词 增强现实 博物馆 展示 教育

中图分类号：TS807 文献标识码：A

0引言

随着高性能计算设备和增强现实技术的发展，为博物馆藏品保护和利用提供好更好的解决方案。增强现实（Augmented Reality，AR）技术与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术不同点在于，增强现实技术是在计算机中实时地整合虚拟信息与现实中的物体，通过每一帧图像的处理，达到虚实结合的效果；而虚拟现实是一套模式现实场景的纯虚拟技术。增强现实的优点在于，可以使得所要突出的虚拟信息更加生动，用户可以全方位观察或欣赏虚拟物体。目前，增强现实技术在影视娱乐、军事研究、工业制造、文物展示等方便有了广泛的应用，增强现实技术必将对人们的生活产生越来越深远的影响。

众所周知，博物馆承担着文化教育的重任，其核心是各种珍贵藏品。一直以来，观众都是现场通过透明隔离材料观察欣赏藏品，观察角度有一定的限制。通过高速摄像机可以将藏品的三维信息记录保存，然后通过贴图方式能够最大限度地还原藏品，这种方法是我们保护和还原文物的主要手段。而这些三维数据，如果可以通过增强现实技术呈现出来，就可以将藏品移动起来，使得观察者能够更亲密地参与到藏品的欣赏中。本文通过使用开源的增强现实软件，实现了二次开发并结合摄像机数据建模，实现了轻量化的藏品展示系统。

1增强现实技术在博物馆应用现状

增强现实技术是将计算机生成的虚拟信息与真实世界的场景结合起来，通过计算机显示技术为用户提供丰富的视觉服务和交互的技术。增强现实可以整合的虚拟信息包括三维物体（如3ds文件）、视频文件、文字等。增强现实技术在数字博物馆应用已经取得了一定成果。上海博物馆通过将家具、青铜器、金石藏品通过AR技术，通过文字及视频介绍实现了藏品知识的讲解和普及。2013年香港城市大学通过AR技术实现了敦煌莫高窟精彩呈现，给观众留下了深刻的印象。淮安博物馆通过AR交互技术实现淮扬菜的制作，观众可以体验到实际的操作中，为非物质文化的展示与传承提供了新的途径。国外博物馆在增强现实应用方面比较早，通过三维数据的记录，可以实现已损坏文物的展现，为文物保护提供了新方法。总之，增强现实能够解决文物不方便运输和保护的方案，可以更好地实现展品的教育和研究意义。

2建模技术研究

一般在计算机研究中，通过OpenGL对三维物体建模。这种方式耗时成本高，对于计算资源比较紧张或交互计算要求较高时可以采用这种方式；而作为文物三维信息展示时，本文希望能够更加真实地还原。

本文采用高速摄像设备精确得到三维数据，通过贴图方式实现对藏品的录入工作。平均制作一个文物的时间在半小时左右，采集数据平均在1G。得到数据后通过3DMAX软件，保存为3DS文件，封装后提供给展示系统调用。在扫描数据过程中，本文发现不同光照条件下获得的数据内容有所偏差。对于纹理比较深的文物，可以通过局部重构方式，对这部分区域后期的贴图也要进行精确处理。对于一些反光强烈的文物，做好自然光的处理，不能产生光晕，以免造成三维信息的失真。本文通过360度全方位获取三维信息的方法，能够最大限度地获取文物数据信息。但是，高精度扫描与数据存储存在矛盾。对于本文所提供的轻量级展示平台，必须考虑到数据存放成本，以利于系统的保存、复制和展示。

3增强现实在展示中的应用

ARToolKit是基于特殊标识的最有代表性的增强现实系统是由日本广岛城市大學与美国华盛顿大学联合开发。基于特殊标识的跟踪技术是在用户场景中感兴趣的目标上布置容易识别的标记物，摄像机采集图像并对采集到的图像进行分析处理，检测、识别标记物并提取基准点。由于标记物是人为布置的，所以可以预先定义标志物的基准点在世界坐标系中的位置，而标志物的基准点在图像平面中的坐标也是己知的，在摄像机内部参数已知的情况下，很容易计算出摄像机外部参数，从而确定标志物在场景中的位置和方向，并由此确定用户的位置和方向，达到跟踪配准的目的。

通过对ARToolKit封装后，不同标记关联不同的藏品信息，通过多标记增强现实技术展示出来，本文实现了MAR系统。经过测试此系统可以对不同标记信息所关联的藏品信息准确表达，系统本身大小控制在5M以内，数据信息可以根据展示的不同需要增加或减少。目前，实现加载的信息包括视频、文字和3DS文件。这种轻量化的增加现实展示系统，主要应用在博物馆内部综合体验区，由可穿戴设备即AR头盔进行展示。另外，应用在校园中小学生教育中，由于学生群体特殊一般无法集中到馆内方便地参观学习，而MAR系统可以根据课本或学校要求提供的不同历史时期，制作不同的平面卡片，学生通过在摄像机下放置想要了解的文物，系统会调用相对应的3DS文件，从而快速地在卡片上合成出文物的三维信息和介绍。经过实际校园学生测试，本系统可以满足学生对文物有初步了解和学习，比二维图像说明更能够激发学生的积极性，进一步提升了学生们的想象力。

4总结

技术的发展必将为人们提供更为丰富的体验，增加现实即是这种新的技术。本文通过开源的增强现实软件，采用高速摄像机扫描和3DMAX建模，实现了多标记增强现实系统。主要应用于用户的可穿戴式体验和中小学生互动学习中。通过实际应用，对增强现实在数字博物馆的应用更加具有信心。在未来的工作中，可以将多标记增强现实系统运用到移动设备上，为参观人员提供更为便捷的体验。

参考文献

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