VR/AR 技术赋能自然博物馆虚拟展陈设计应用研究

李玉静 闫洁（河北美术学院）

一、研究背景

博物馆是人类收集、典藏、陈列、研究自然和人类文化遗产实物的场所，是公众学习自然、历史文化知识的殿堂。“见物见精神”是博物馆最核心的精神，实现这一核心精神需要从博物馆展陈设计出发，体验展品的展藏价值以及教育意义。

自然博物馆作为公共自然文化教育机构，拥有大量珍贵且稀缺的生态教育资源，是传播自然生态知识信息的重要场所，但由于国内大部分的自然博物馆展陈空间设计因为种种原因，展陈设计与模式大都较为陈旧，相对于现代观众对自然博物馆的趣味性、交互性、沉浸性的观展需求，传统自然博物馆已经无法满足。传统自然博物馆展陈空间设计应充分发挥自然博物馆的教育职能，然而现代自然博物馆注重可持续发展与生态环保，强调以人为本的宗旨，注重观众的体验感和沉浸感，在传播自然生态知识信息的同时注重参观者与展品之间的互动性体验，增强趣味性和互动性的功能，打造“沉浸式”的观展方式。这就反映出观众对自然博物馆展陈设计的质量需求不断高，以及自然博物馆自身的发展需求，自然博物馆的展陈模式变革尤为重要。

数字科技技术快速发展为博物馆展陈设计带来了新的理念与新的技术以及新的应用方式，进而大众对自然教育以及生态科普也产生了新的需求。在此背景下，国内外出现许多应用AR/VR 技术到自然博物馆的展陈设计当中，既为观众带来前所未有的生态自然视觉盛宴，也为自然博物馆的展陈模式的变革升级起到重要影响。

二、AR/VR技术

增强现实（Augmented Reality），简称AR，增强现实是将虚拟信息实时定位叠加到现实场景进行交互的技术。在增强现实技术中，主要的应用技术包括：都媒体技术、三维建模技术、实时现实以及多种传感控制等技术，通过技术的实施实现场景之间的融合发展，进一步为观众提供多方面的感知信息。AR 技术能够将虚拟的数字信息叠加在真实场景之中，进而实现虚拟信息与现实场景进行互动。

增强现实技术具有以下几个特点，首先具有虚实结合的特点，增强现实技术是一种将现实世界信息和虚拟世界信息结合并集成在一起，并融入视觉、听觉、触觉甚至味觉等信息，通过计算机等科学技术使虚拟仿真信息叠加应用到真实世界，使人们感官达到超越现实的体验，例如文字、图像、声音、模型场景、模型动效等都可以叠加到现实场景之中；其次具有实时的交互性，在观者体验虚拟现实技术时，通过相应的虚拟现实设备进行实时显示以及多重传感使虚拟世界信息与现实世界信息进行实时的交互；最后具有广泛的应用性，增强现实可以应用到不同的环境以及不同的行业当中，例如军事、教育、医疗、娱乐等。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，又被称灵境技术，是一个综合数字图像处理、计算机图形学、多媒体、模式识别、网络、人工智能、传感器以及高分辨显示等技术，融视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉感知为一体，生成逼真的三维虚拟环境的信息集成技术系统。

虚拟现实能够使人以沉浸的方式进入人为创造的虚拟世界里进行体验，近年来发展迅速。

在之前的文章中对虚拟现实的特征是这样总结的“（1）多感知性，（2）存在感（presence），又称沉浸感（Immersive），（3）交互性（Interaction）（4）自主性。”

多感知性和沉浸感为虚拟现实通过计算机对环境进行模拟，可以利用人的视觉、听觉、触觉来增强人们体验的真实性和多感官体验；交互性和自主性为虚拟现实通过网络通信可以实现人与机器部件连接的主要手段，人机交互通过一些硬件设施来进行环境模拟效果并对虚拟的仿真环境进行项自主交互。这四点特征表现出AR/VR 技术在应用及体验时介入身体体验，而不是视觉体验或者听觉体验等单一的体验。随着科学技术的不断进步，虚拟现实、增强现实等技术在各个领域发挥了重要的作用。目前，VR 技术在教育、传媒、娱乐、医疗、遗产保护等诸多领域得到开发和应用。而从VR 技术基础之上发展起来的AR 技术，通过将虚拟世界与现实世界进行叠加，也具有独特的开发价值和应用价值。

三、自然博物馆的发展现状

“博物馆是非营利的，用来进行关于过去和未来的思辨对话的空间，具有民主性、包容性与多元性”。自然博物馆作为向观众普及自然科学知识，提高自然科学素质的基地，传播人类与自然和谐相处的价值和理念，在自然生态教育方面具有非常重要的地位。当前随着人们物质和精神水平的提高，认识到自然博物馆传播自然科学的重要性，进而对自然博物馆的展陈设计以及观展体验有了相对较高的要求。所以当代自然博物馆在展品的展陈设计上已经不再拘泥于“实物展示” “平面展示” “文字、语音展示”，而是强调如何引导观者的多感官体验、可交互性体验以及自主体验等这些基于人的整个身体体验的全方位展陈设计。

目前传统自然博物馆展陈设计面临着一些问题：（1）展品专业性较强，普通观众难以自主学习；（2）展品和展陈更新周期长，设备老旧；（3）展陈方式不生动，现代化展示手段运用缺乏特色。

区别于传统博物馆展示设计偏重将精力放在展品本身而忽略展品与情境、展品与媒介、情境与观众认知空间的相互关系，数字媒体时代的博物馆则通过交互设计的使用充分发掘藏品的价值，借助各类数字媒体技术将博物馆打造成为一个多维感知基础上的情境体验空间。网上博物馆、虚拟现实（VR）展示、增强现实（AR）展示、数字展示等数字时代特有的展示模式，为参观者和博物馆之间建构了和谐的有机关联。

天津自然博物馆，是国内第一个主题单元化、全景式展示的自然探索、科学体验、科学教育的自然史博物馆。天津自然博物馆为国内第一家运用AR 系统的自然类博物馆。AR 博物馆服务系统，通过AR 增强现实技术将博物馆展陈展品的文化内涵及科学知识展现给观众，为观众提供虚拟仿真的展品，实现科学知识的具象传达，将难于用语言和文字描述的科学现象通过AR技术展现出来，“复原”展品的真实面貌，对复杂系统进行虚拟拆解组合，增强文物知识的浅显易懂性、教育科普性，同时增加展品的趣味性和游客的互动性，让文物“活”起来。AR 博物馆服务系统在天津自然博物馆的上线，有效的协助了天津自然博物馆进一步提升藏品讲解服务水平和长效服务能力，更生动地向公众讲述一个从远古到当代，从世界到天津的“家园”故事。游客使用AR 讲解器对展柜（或展品）进行扫描，了解展品的虚拟解说内容，感受虚实融合的全新视觉效果。青少年和儿童能顺畅地使用AR讲解器，学习化石、标本等藏品知识，轻松探索大自然的奥秘；成年人也对AR 讲解器有着浓厚的兴趣，了解化石、标本等藏品的科学内涵和背后的故事。天津自然博物馆的AR 讲解器为初级的AR 增强现实产品，在用户身体体验方面沉浸式、交互性较为简单，虚拟展示设计内容为二维平面扫面产生虚拟动态三维效果，沉浸感和人机交互方面较为简单。

山东博物馆近几年推出青少年版AR技术智慧导览系统，系统通过AR 眼镜，使观者在参观过程中身体体验多感官、沉浸式的了解生物的习性，仿佛置身动物世界。沉浸式观展让观者既有文化体验，又有娱乐体验，无形之中做到轻松科普。例如“非洲野生动物大迁徙展”中观者通过佩戴AR 眼镜，沉浸式的体验非洲野生动物大迁徙这一生物界的壮丽史诗，真实的还原非洲大陆的草原、雨林、沙漠和湿地等形态各异的自然风貌。“非洲野生动物大迁徙展”中的展陈设计采用AR 眼镜识别现实博物馆中标本、模型场景，在真实场景基础上叠加虚拟的非洲野生动物迁徙虚拟放置场景动画。比较之前的AR 讲解器在内容上、虚拟仿真场景展示设计上、AR 设备上、沉浸式体验上、多感官体验上、人机交互上以及身体体验上都得到进一步的提升。

《VR 自然博物馆——尔境》设计项目重在强调身体体验的虚拟现实自然博物馆，此作品以节能减排、保护自然、保护濒危动物为主题，利用VR 技术，通过VR 眼镜虚拟交互展示的方式展现给观众。此作品将自然博物馆以虚拟数字形态的形式构建三维仿真、全景再现的虚拟现实自然博物馆，将环境保护与生物多样性作为目标和出发点，在每一个过程中都考虑到生态环境效益，使物质能源消耗降到最低，用更清洁、长久的形式展现自然生态。博物馆分为虚拟室内展厅展示和虚拟室外自然环境展示两部分，虚拟室内展厅展示部分分为三部分，分别是“人类的朋友” “古迹馆”“共鸣堂”，展厅主要风格以写实为主，每个馆内都有可交互的动物模型和内容简介。虚拟室外自然环境展示部分还原白垩纪时期的海洋区和丛林区。海洋区主要是以白垩纪时期具有代表性的海洋生物为主，丛林区主要也是以白垩纪时期的恐龙为主，生动还原了当时那个恐龙繁盛的时代。

《VR 自然博物馆——尔境》应用三维建模虚拟现实展示技术营造虚拟仿真三维立体场景，并配合灯光、图像、文字、声效、动画、交互等营造真实的自然博物馆场景。并在展陈设计上的创新之处为既模拟真实自然博物馆的基础上又增添虚拟仿真海洋场景和虚拟仿真原始森林场景。使观者通过VR 眼镜漫游体验不同时空和地域的自然风景。

四、VR/AR技术驱动下自然博物馆展陈模式变革

（一）技术赋能，打破传统展陈空间局限

当前全国的自然博物馆或自然类展厅，其中很大一部分仍然受到传统展陈观念的限制，只在“展陈”上下功夫，虽然也有一些形式上的突破，但又限于藏品稀缺、系统性不足、学科交叉不深等原因，难以真正体现出特色。VR/AR技术与传统自然博物馆展陈相融合，利用计算机建模技术以及实时渲染技术还原展品实现三维空间展示，利用三维追踪和多重传感技术实现实时交互，利用网络技术实现虚拟数字展厅的观赏。自然博物馆在展陈设计种应用AR/VR 技术让观众观展形式突破了时间、空间的限制，让人真切感受到自然博物馆展品的文化内涵与交互体验。

（二）优化服务，优化展陈内容

1.趣味性

自然博物馆在展陈内容上突出趣味性，使观众在观展过程中体验到乐趣，并不只是观看到展品以及与展品相关的知识信息，而是观众在关注展品的同时，将乐趣融为一体，激发观众的兴趣，使观众产生轻松愉悦的感觉。展陈内容突出趣味，同时利用AR/VR 技术与自然博物馆传统展陈相结合的方式，打造动态观展模式，使静态的展品通过AR/VR技术实现动态还原，赋予其鲜活的生命力，实现与观众的互动，提升观众对展品的兴趣，同时VR/AR 技术可以使展陈形式更加丰富多样，利用AR/VR 技术，精心设计有趣的图片、视频、声音等信息资源，与不同年龄段的观者建立了一种以探究为基础的观展体验模式，提升观者的交互体验和多感官体验，让观众在观展、学习的过程更加具有交互性、趣味性。其次在提升展陈内容的趣味性时需要考虑展品的审美造型、展示环境、人机交互、文化内涵等因素，并且同时要考虑不同的性别、年龄、文化背景、思想观念、社会阅历等观众兴趣点。

2.情境感

自然博物馆虚拟展陈内容上融入情境是在真实展陈环境中，将重点放在精神意境和情感因素的营造上，使观众在观展过程中通过交互环境、集成系统，感受到虚拟空间和真实空间的感染力和互动性，通过营造相应的情境引发观众精神上的愉悦和情感上的认同。AR/VR技术在自然博物馆展陈的情景营造上主要是视觉、听觉的感受，通过 VR/AR技术将虚拟情景和真实展品产生联动进而产生视觉、听觉、触觉甚至味觉和嗅觉等多重感官感受，使观者整个身心融入情境之中，进而获得身心的享受。例如常见的自然博物馆中的展品场景复原，把主要精力放在模拟原生的环境场景，具有直观性的特点，但由于其形态多为静止的、且不能近距离触摸甚至交互，很难让观众融入情境产生情感共鸣，甚至难以满足观众精神层次的需求。自然博物馆展陈运用AR/VR 技术就在一定程度上解决以上问题，并能够使观众与空间环境、展品进行交互，让观众融入情境。

3.故事性

展陈设计中的故事性指在展陈设计中展品应体现其文化内涵，利用其历史溯源及生产、发展、变化的过程挖掘故事性进而利用多种展示手段展示给观众。在深厚的学术研究支撑下由优秀的设计人才将特色展陈内容以独特的视角和精巧的叙事结构呈现给观众，讲述展品背后的故事，让观众在参观后有所思有所悟，达到公共教育的目的。另外，利用AR/VR 技术开发展品相关故事应具备科学性以及逻辑性，合理安排故事情节，引导观众由浅入深、由表及里地解读，进而增加观众在观展过程中的趣味性和好奇心并达到“寓教于乐”的效果。例如针对传统自然博物馆展品，仅仅通过文字、图片、实物介绍展品，观众能够获取到的信息单一等缺点，通过AR/VR技术制作相应的展品故事并在展示故事过程中设计相应的互动环节，观众在观展过程中通过展品的“故事”便可以学习到展品的知识信息。

4.美观感

展陈内容美观感是指通过虚拟设备进行观展体验时所呈现的虚拟仿真内容应呈现出美感，让观众具有美感体验。而VR/AR 技术在仿真场景或模型呈现出的“美观”为用户在体验自然博物馆展品时通过VR/AR 设备所看到或体验到的展品是具有多感观体验、真实感、交互性、美观性。从展陈设计角度出发，在设计AR/VR 展品时首先要考虑观众的审美特征和情感特征，从视觉、触觉、听觉嗅觉等多重感官上给予满足观众审美需求的体验。另外在满足观众美学性的基础上，结合人体工程学，使虚拟展示内容具有实用性和舒适性；并且在观众体验AR/VR 展陈内容时注重虚拟展示内容的合理化、舒适化、科学化。

（三）自然环保，营造自然博物馆服务新业态

传统自然博物馆展陈的自然类藏品多为稀缺性的藏品，大多是动植物，或是地理矿石等。以恐龙化石为例，这类大型化石是较为短缺的珍贵展品。并不能让观众近距离的观察甚至触摸。其次对于这类的展品，对展示空间有较大的要求。其中耗费的各种资源不言而喻。因此利用AR/VR 科技手段，将传统珍贵且稀有展品以数字形态的形式进行三维重建、全景仿真再现，以可持续发展与环境保护为原则，在展陈过程中注重生态环境效益，避免或减少对环境的破坏，使物质能源消耗降到最低，减少有害物质的排放，用更环保、更长久的形式展示珍贵自然类藏品，对传统自然博物馆的藏品进行生态性的环保开发，既传播环保观展的理念，又为自然博物馆的服务营造新业态。

（四）多渠道、多方式传播，营造观展的公共性和便利性

自然博物馆为公共型场所，但其公共性也会受到一些特殊因素的影响，从而特殊时段或特殊人群便不能享受到其公共性的益处。例如在疫情影响下，公共性场所会受到冲击并不能为大众提供服务。利用信息技术与网络技术结合VR/AR，观众可以继续享受自然博物馆的公共性和便利性，即观众在家中通过电脑或手机等智能设备进入自然博物馆特定的网络地址便可以云看展。另外传统自然博物馆传播的方式，观众只能进入到真实的自然博物馆当中才能进行观展，已经不能完全满足参观者的个性需求。改变自然博物馆的传播方式，多渠道、多方式的观展才是现代观众的迫切需求。自然博物馆在展陈设计中加入增强现实技术以及网络技术，即通过视频或远程控制以及多传感器的融合实现实时的观展交互体验。VR/AR 技术应用于自然博物馆展陈中突破了“所见即所得”的局限，在深维度上实现更具意义的互动。

五、结论

自然博物馆的展陈设计中除了应具备基础展示、形式设计之外，也应在科技元素方面着重考虑。

目前VR/AR 技术在国内自然博物馆展陈设计中陆续得到的应用，首先，使国内自然博物馆作为大众的公共服务和公共教育的功能等发挥到最大的价值；其次，自然博物馆在展陈设计中加入VR/AR 技术手段，增加观众观展的趣味性和生动性，使展品跟观众增加感情交流；最后，VR/AR 技术手段应用于自然博物馆展陈设计中，秉持着环境保护、生物多样性与可持续发展的理念，传播具有趣味性、审美性的自然生态知识信息，给人的生活带来具有创意性的精神享受。