基于增强现实的博物馆动态展示应用——以桂林博物馆为例

朱 叶

（桂林电子科技大学 艺术与设计学院，广西 桂林 450305）

引言

博物馆展示了国家和地区的历史背景、综合实力和文明程度，是促进文化知识、增加大众内涵的非营利性机构。在新兴信息经济和新型数字技术的多重驱动下，博物馆一直在进行着数字化的转型与升级，我国博物馆的发展历程大致经历了从“传统博物馆——数字博物馆——智慧博物馆”的转变：传统博物馆注重文物本身的展示，展示藏品的手段以实物陈列和图文展板为主；数字博物馆使用三维建模、虚拟仿真等数字技术把实体博物馆的藏品转化为数据资源，将实体博物馆以全景的形式、将展品以三维模型的形式呈现于线上虚拟展馆，通过互联网实现跨时间、跨地域传播；智慧博物馆则是在线下博物馆中引入增强现实、虚拟现实、大数据、人工智能等新兴技术，以社会公众的服务需求为引领，以实体博物馆的核心业务为主导，促成“物、人、数据”三者之间的信息交互模式。其中，增强现实（Augmented Reality，以下简称AR）是一种将现实世界情景和数字虚拟信息无缝集成的技术，它通过利用各种数字技术将模拟仿真的虚拟信息叠加到真实世界，从而让人类达到超越现实的感官体验，在智慧博物馆应用场景中潜力巨大。

在个性化的文旅时代，博物馆中充满创意的AR应用更加符合受众深入体验、深度探索的文旅需求，AR应用具备创新互动、参与体验的特性，能够对本土博物馆进行数字化应用的重塑与升级。本文以桂林博物馆作为研究的核心案例，利用Unity游戏引擎和ARKit技术框架，在移动终端上制作“梅瓶风韵”AR应用，满足用户的个性化游览需求，让受众在虚实交融的情境下主动思考、参与互动、寓教于乐。

一、博物馆AR应用研究背景

（一）增强现实技术概述

增强现实是将虚拟空间与现实世界整合为一体的技术，能完成现实和虚拟空间的有效互动，虚拟空间的信息可以对现实空间的物体进行反馈和强化，加深用户对真实空间的理解。Milgram和Kishino提出了一种增强现实的相关理论即“现实——虚拟连续体”，他们认为增强现实处于现实和虚拟之间。Azuma的研究表明增强现实应该包括三个关键部分，即虚实融合、实时交互和注册跟踪。过去博物馆中的增强现实应用需要依附于计算机与辅助设备，受到设备和空间的限制，游客在游览过程中无法随时随地实现AR导览、AR实景扫描等互动行为。现如今手持智能设备已具备一定的图像处理能力和稳定的网络协作能力，还拥有巨大的用户基数，且随着ARKit、ARCore、SenseAR等软件工具包的不断涌现，开发者可以方便快捷地在移动设备上制作增强现实应用，所以手持智能设备是目前AR应用的主要载体。

（二）AR在博物馆应用的典例

在国家文物局给出的博物馆等级名录中，建设有线上数字博物馆的约占百分之六左右，包含3D数字漫游的约占总数目的百分之四。博物馆作为文化的重要传播媒介，其展藏方式一直在经历着数字化的革新，但近几年线上数字博物馆展陈的弊端初显，线上数字博物馆所提供信息的真实性、交互性和现场体验感与实体博物馆存在巨大的差异。利用AR技术虚实结合的特性为博物馆制作动态交互的AR应用，打造线上线下联动的博物馆体系，将是未来智慧博物馆发展的新兴趋势。

国内对AR博物馆的建设探索刚起步，相关研究还未成体系，只涌现了少数的博物馆AR应用的优秀典例。如王涌天等利用AR重建了观水法、海晏堂等圆明园古建筑；Kenerdine为了保护壁画不被破坏，利用AR重现了莫高窟景象；新安智慧旅游APP打造了AR形象大使“黛眉”，游客可以在屏幕中看到立体的“黛眉”讲解“丝路汉关，山水新安”的景区特色，这种新奇的互动体验成功地营造出新安的IP文化形象。用户扫描陕西历史博物馆的文物卡片会出现对应文物的三维模型，软件还配有声音和文字说明，新奇的展示效果和新颖的互动模式让用户对文物历史有很深的印象。

（三）AR在博物馆应用的意义

（1）丰富藏品展示形式，深挖文化内涵特色，促进博物馆数字化升级。博物馆作为文化梳理与文化延续的重要场所，是文化输出的重要阵地与有效媒介，但现如今，博物馆的发展不再局限于将割裂的文物进行摆放与堆砌，或延伸线上、打造虚拟展厅，而要根植于本土地域文化，研究地方特色、提炼文化要素，进而利用数字技术做创意的“杠杆”、去撬动博物馆的生命力与生产力，融合文化内容与技术形式，让受众能充分探索文物动态信息、解读厚重的历史文化，在浓郁的历史氛围中领略传承悠远的古老文明。

（2）受众由“被动接受”转为“双向互动”，打破单一输出格局，促进文旅产业发展。现如今博物馆成为热门的文旅目的地，但不论是传统文物展示还是数字博物馆都几乎是单向的信息传递模式，互动性和趣味性不足。受众的知识水平与知识结构发生了变化，对博物馆的展陈内容、手段效果都随之有了更高的要求，博物馆观众渴望参与、需要思考、注重数字媒体的互动性带来的体验感，而不是填鸭式的被动接受知识、单向接受教育。因此，借助增强现实打造特色鲜明、实时交互的博物馆AR应用，满足受众个性化、差异化的需求，形成双向互动的虚拟体验格局变得尤为重要。

二、“梅瓶风韵”桂林博物馆AR应用开发

（一）桂林博物馆用户需求分析

桂林博物馆以桂林明代出土梅瓶、桂林历史文物、广西少数民族文物等为馆藏特色，是展示桂林对外文化交流的重要窗口。桂林博物馆官方采用线上、线下的问卷形式对2019年度游客进行调研，由官方数据可得出游客观展的基础资料信息、观展时的兴趣偏好信息与观展后的意见与建议。

（1）对游客观展前的基础信息分析可得，参观者群体趋向年轻化，对AR这种新兴技术接受度会较高。在参观博物馆的客群中，26-45岁的游客占比48.28%，18-25岁的游客占比19.79%，虽然26-45岁游客为主要用户群，但已婚有孩子的游客占游客总数的44.32%，他们的参观目的大多是增强对孩子的历史文化教育。

（2）对游客观展中的兴趣偏好分析可得，参观者在观展时注重对历史文化知识的探求，喜爱讲述桂林历史和民俗文化的展厅，AR应用应加强对文化知识的讲解。首先，38.92%的游客是为了观察、了解文物而参观桂林博物馆，24.65%的观众是为了学习历史而参观；其次，在2019年度观众留言里排名前十的词频条目中，“历史”出现了162次、“文化”出现了128次，说明游客在桂林博物馆中比较倾向获取有关历史文化的知识。

（3）综合了游客观展后的意见与建议可得，近半数观众认为桂林博物馆讲解服务不到位，应丰富藏品的展示形式，提升展示的附加价值。36.53%的游客表示不了解有讲解员讲解服务，24.80%的游客不清楚讲解员讲解服务的具体时间、讲解方式等；且有115名观众明确提出需要改善讲解员讲解服务。

（二） “梅瓶风韵”AR应用设计与开发

桂林博物馆馆藏有数量众多、品种丰富的梅瓶，大致有十二种器型和三十种纹饰，被赞誉为“梅瓶之乡，桂林一绝”。馆中梅瓶均采用橱窗放置的展示方式，展品下方仅放有介绍时代和尺寸的展牌，参观者可以扫描二维码看相应的文字说明和语音解说，但对不同文物反复扫描与跳转的过程会让用户产生疲惫感，所以针对梅瓶的讲解与展示进行“梅瓶风韵”AR应用的设计与开发。

AR系统的原理是通过对周围环境的实时跟踪实现虚拟物体的配准，通过显示设备呈现虚实融合的景象，通过实时交互技术实现与虚拟系统的互动。其中，ARKit是苹果于2017年在WWDC推出的增强现实开发平台，已具备许多显著优势和前沿特性，可以实现2D图片识别、3D物体追踪、人脸检测等功能，所以本文基于ARKit软件开发包，使用Unity3D中的ARFondation框架来制作移动增强现实软件。

通过梅瓶图像与文字说明等梅瓶资料分析梅瓶纹样特点，根据纹样承载的文化内涵设计动态效果，如以“青花婴戏图梅瓶”为例，这件梅瓶的主题图案描绘了古时儿童嬉戏玩耍的场面，图中左侧的孩童手持小旗、牵马开道，中间的孩童跨骑木马、扬鞭追赶，他身后的孩童执荷叶作为遮阳伞盖，右侧的孩童手持莲花作权杖随行，图中包含李白《长干行》中的“竹马”，有“连生贵子”“郎骑竹马来”等寓意（源自桂林博物馆官方释义），依据梅瓶纹样的内涵来设计纹样的动态效果，并使用Particle System适当加入粒子特效。

首先，将梅瓶图片在PhotoShop中分离出需要制作动效的纹样图层，如小旗、荷叶盖、莲花、骑竹马的孩童等纹样图案，存储为PSB大型图集格式，导入Unity游戏引擎用于制作2D动画。其次，在Skinning Editor中，为动态纹样创建骨骼并根据动作关系连接骨骼链条，将骨骼之间的权重关系调整到合适的数值，生成权重配比的骨骼网络。最后，使用Animation动画编辑器对骨骼节点进行动画制作，并存储为预制体，制作过程如图1所示。

图1 A为青花婴戏图梅瓶，B为纹样切分图层，C为骨骼链，D为权重网络，E为骨骼层级，F为Animation动画帧制作

图像检测是通过计算机图形算法对摄像机中的2D图像进行识别定位与跟踪配准的技术，而物体检测是对真实环境中的物体进行识别和检测的技术。在“梅瓶风韵”应用中，2D图像识别用于对文物卡片中的梅瓶图片进行识别检测，3D物体追踪则是针对真实展馆中的梅瓶文物进行识别与跟踪。

（1）对2D文物卡片进行图像识别。首先，建立2D梅瓶图片资源的参考图像库，参考图像库存储每个梅瓶的特征值信息，当摄像头捕捉到文物卡片中图像信息时，系统会比对参考图像库中的图像特征值，将真实环境中的图像信息与预设的参考图像建立对应关系。其次，在场景中挂载AR Tracked Image Manager组件，置入参考图像库及梅瓶图像所匹配的预制体，每个预制体内包含该梅瓶纹样的动画信息及音频讲解。

（2）对真实的3D梅瓶文物进行物体追踪。首先，使用XCode对ios系统提供的3D物体扫描工具进行编译，将真实文物放在扫描工具的包围盒内，移动手机获取其完整的3D空间特征信息，制成该梅瓶的.arobject文件。其次，建立梅瓶文物的参考物体库，用于存储三维物体的空间特征信息，以供与真实环境中的文物建立对应关系。最后，挂载AR Tracked Object Manager组件，并用AR Object Anchor设置位置锚点、用于标注虚拟动画渲染到真实文物上的指定位置，检测核心代码与图像检测类似。

当游客使用“梅瓶风韵”软件扫描文物卡片或真实文物时，即可出现对应的梅瓶纹样的动态展示及语音讲解，免去了游客扫描跳转的反复且繁琐的操作，从手机屏幕中即可看到眼前文物的动态纹样、听到对应文物的讲解，并能实时控制图像检测、文字说明和音频讲解，软件界面及扫描效果示例如图2，依次为“梅瓶风韵”应用界面、未启用图像检测的青花仕女扑流萤图梅瓶、启用图像检测后带有“流萤”粒子特效的仕女扑流萤动画以及梅瓶的文字解说。

图2 “梅瓶风韵”应用界面及图像追踪界面

三、结语

国内大多数博物馆年接待量在30万人次及以下，出现了大型博物馆“门庭若市”，而绝大部分的中小型博物馆“无人问津”的境况，有限的空间展示环境满足不了用户日益增长的文化需求，包括桂林博物馆在内的中小型博物馆亟待借助AR等数字技术的力量进行转型升级。本文以桂林博物馆为例，通过分析其馆藏特色与受众需求，从文物卡片与实景导览两个角度设计了“梅瓶风韵”AR应用，赋予静态纹样以动态鲜活的生命力，让游客不再只是“走马观花”式地游览，而是可以利用眼睛快速捕捉动态的图案信息，结合语音讲解深入理解梅瓶的文化内涵，提升了梅瓶展示的信息丰富度。