基于移动终端，将增强现实技术应用于博物馆展示的研究——以马王堆汉墓增强现实展示为例

李旭杰

（天津大学仁爱学院，天津 300131）

一、绪论

（一）AR技术概述

增强现实技术的应用，随着网络技术和移动终端设备的发展，不再局限于固定环境或大型设备，借助更加便利快捷、普及的移动终端——手机加以实现，移动增强现实可以在平板电脑、智能手机等设备上实现，该技术的现实应用具有重要意义。

（二）博物馆展示的新技术需求

博物馆是征集、典藏、陈列和研究代表自然和人类文化遗产的实物，并对其进行分类，为参观者提供学习、教育、娱乐服务的场所。提供高质量的信息服务是博物馆核心价值所在。

博物馆展示通常是具有独特的实物现场体验的特征，但是依然需要新技术的融合与支撑。因为观众随着信息处理技术的发展，对信息获取与体验的需求不断提升，这就成为博物馆发展的必然方向，现阶段博物馆建设及展示设计发展，整体呈现出积极导入数字、网络、智能技术的趋势特点。

二、增强现实技术在马王堆汉墓展示中的应用设计

（一）马王堆汉墓展示现状及问题点分析

通过到湖南省博物馆马王堆汉墓展示现场的实际调查研究，总结出如下分析结果：

1.展品展览信息分散，不完整

为了减少不同种类文物的损坏与消耗，湖南省博物馆无可选择地将挖掘出土的女尸、棺椁以及各类随葬品分列于不同的展柜中，使得展品分离，展品信息的关联性被人为切割，不利于参观者完整地感受和认知马王堆汉墓整体信息。

2.展品脱离环境，体验感知不充分

文物脱离原有的墓穴环境，使得参观者体验的临场感大大降低。

（二）应用方案的构想与设计

以参观者视角与需求为出发点，完成如下方案构想与设计：参观者使用自身携带的智能手机、平板电脑来到棺椁展示区，安装程序，借助照相机的镜头，将其对准墓穴的任意角度进行观看,如下图所示。屏幕获得现实墓穴中真实棺椁与虚拟的女尸三维模型以及所有陪葬品三维模型的很好融合。该设计方案特点：1.补充展品缺失部分；2.展示文物空间关系及出土先后顺序；3.丰富参观体验；4.避免文物破坏。

方案设计示意图

三、马王堆汉墓增强现实展示方案的实现

（一）技术路线

1. 三维虚拟场景模型制作技术

为了三维虚拟场景高仿真度实时渲染的呈现，运用Maya软件建立动画角色模型与场景模型的构建，如下图所示。

虚拟场景的三维模型

2. 图像特征识别与匹配技术

图像特征识别与匹配的技术是增强现实技术的关键技术。基于计算机视觉注册的增强现实系统，有两种方法：人工标记特征点方法和自然特征点提取方法。不能破坏文物原有的体貌，所以人工标记特征的方法不适用，我们采取自然特征的匹配方法进行图片的识别跟踪。

3. 三维跟踪注册技术

三维跟踪技术是增强现实系统的核心技术。常用的三维跟踪注册方法有两类：基于硬件（如陀螺仪、惯性导航定位系统等）跟踪器的三维跟踪技术与基于计算机视觉的三维跟踪技术。本文将就计算机视觉的三维跟踪技术如何应用于马王堆汉墓进行展示。

（二）增强现实应用程序的实现

1.开发环境与测试环境的设定

开发环境：基于一台硬件性能优良的PC进行开发系统的搭建，采用Unity 3D作为开发环境，Maya三维动画软件作为虚拟场景制作环境，高通开发的针对增强现实应用Unity 3D中的开发包Vuforia AR SDK作为实现增强现实的具体实现工具包。

测试环境：以等比例缩小的木制实体棺椁模型为测试现实场景，不受自然光影响的前提下在其放置的空间环境中控制灯光照度及角度不变，测试过程中棺椁位置及其周围环境不变。程序开发基于Android 平台的三星Galaxy Mega设备将系统升级为4.0以上版本。

2.实现三维场景建模

为了增强现实应用呈现的效果与加载速度达到理想状态，需要有效控制模型与贴图。使用多边形（Polygons）建模，选择贴图时，控制其分辨率不高于1024×1024dpi，可以较好地保证观看画面效果及模型的加载匹配速度。

3.实现图像的采集与处理

本文针对实现图像采集的技术实现，通过Vuforia SDK增强现实工具包中的Single Image和最新添加的3D Object模块进行对比试验进行测试。具体实现过程如下：

（1）棺椁的连续图像采集：将置于现实空间中的棺椁模型进行三维扫描，自动将其分解为49个面进行依次捕捉采集。扫描建模完成之后需测试捕捉的实时性与稳定性，拖动text中显示绿色测试点后，其随动性的灵敏度表示捕捉效果优良度。

（2）图像特征点处理及三维注册。将采集完成的目标文件上传至Add Target板块中，目标管理器进行样本分析，下载的样本注册矩阵信息Vuforia SDK通过Tracker及其子类识别三维空间中能跟踪监测到现实环境中的棺椁目标，当前现实环境中的图像与样本矩阵信息相匹配成功即对当前现实图像进行跟踪渲染，实现三维跟踪注册技术。反之，则退出对当前图像的三维跟踪渲染，重新加载识别。

4.实现虚拟场景叠加

在工程文件中导入三维模型，工程文件的显示界面中不能识别之前扫描完成的.ob文件具体图像，在手动调试导入的三维模型后，需生成手机APP，进行反复调节虚拟模型与现实棺椁的空间关系、灯光模拟等，实现较好效果的虚实融合。

（三）应用程序使用测试

将针对于三星Galaxy Mega手机Android4.2系统，生成的SDK文件导入手机，借助等比例缩放（1∶4）棺椁模型进行模拟实际环境的使用测试：

1.当取景器对准真实棺椁场景时，目标管理器对捕捉图像进行1~2秒分析匹配后，显示屏即可呈现马王堆汉墓增强现实效果，对比未经虚拟融合的真实场景，无缝叠加女尸及其陪葬品的虚拟三维模型后显示图像复原了出土时的场景，效果直观、整体。

应用测试效果图

2. 模拟视角偏差，在不同角度、高度、远近距离进行移动过程中，手机始终保持对应观看点相应的虚实结合图像的显示，观众可以在移动中从不同角度持续观看。

3.当发生移动速度过快，棺椁完全脱离取景器时，在任意停留位置重新取景测试，即可得到当前位置增强现实之后虚、实场景融合效果，具有很好的实时性和应变性。

4.模拟了博物馆参观过程中，展示棺椁被穿梭人群局部遮挡干扰的情况下，系统通过未遮挡区域进行捕捉识别，通过空间固定关系的计算可以实现加载追踪完整的棺椁模型，从而实现无缝叠加虚拟空间场景。并未对观看过程造成图像丢失或者畸形的不良影响。

实验结果呈现还存在不足之处，需要在后续工作中进行修正与完善：

1.目前实验效果显示虚拟三维模型缺少相对应的阴影效果，当与真实场景相融合后，光照虽然模拟近似，但未添加阴影效果会产生一定的割裂感。

2.由于该项目的虚拟场景需要放置嵌入真实场景的棺椁中，从不同角度观看时会产生一定的遮挡，现阶段测试效果并未满足棺椁边沿对内置器皿的空间遮挡关系，观看体验的真实度有待提高。

四、结论

该方案解决了原有增强现实设备结构复杂不便于携带等不足，以及附加设备的发放及返还的问题。解决了博物馆展示中，展品展览信息分散，不完整；展品脱离环境，体验感知不充分的问题。通过最终的实体模型的测试实验，结果显示该程序具有较稳定的应用性，在后续的研究中，可以探讨添加展示内容的动态信息及辅助说明等功能。该技术类型的博物馆展示应用，必将会发展出更多的数字化展示。