AR和VR技术在数字博物馆的应用研究

2023-01-06陈天仑

数字通信世界 2022年4期

陈天仑

（故宫博物院，北京 100009）

1 AR和VR技术概述

AR技术是一种增强现实技术，在实际应用过程中，能够通过利用计算机以及摄影机等设备在不同角度上叠加图像的方式，加强虚拟和现实之间的无缝连接，从而实现虚拟增强现实的效果。AR技术常与虚拟技术进行联合应用，其将虚拟世界转移到现实世界中，如将虚拟博物馆中知识技术实体化展示转移到现实世界中，展现在观众的眼前，使其能够通过相关设备在视觉、听觉和嗅觉等方面感受虚拟信息，从而提高对博物馆的游览效果。

在增强现实技术中，主要的应用技术包括：多媒体技术、三维建模技术、实时显示以及多种传感器控制等技术，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技术应用时具有以下特点，首先，其能够将真实世界和虚拟世界进行信息集成。通过将虚拟投向现实，使二者实现更好的融合，提高观众不同感官的实际感受效果，实现虚拟和现实之间的集成。其次，实时交互性。想要降低虚拟与现实之间的差异，应提高二者之间信息的实时性，AR技术根据现实中的信息变化情况进行调整，使虚拟信息更加接近现实。最后，应用广泛性，AR技术能够根据环境的变化，对虚拟连接和集成进行调整，提高与不同现实场景之间的契合效果，使该技术能够广泛应用在不同空间环境中。

VR技术是一种虚拟现实技术，又被称为虚拟环境技术，该技术在应用过程中，利用计算机技术对现实中事物进行识别，并在虚拟世界中构建三维环境，形成的虚拟环境能够与现实世界进行交互，同时，能进行独立运行[1]。AR技术在应用过程中，用户能够对虚拟世界的内容进行感知，如视觉、触觉、听觉等，提高人们在虚拟世界中的沉浸感。如通过应用环境建模以及交互和系统集成等技术的应用，在虚拟网络中构建博物馆，用户通过头盔等设备的连接，产生在真实博物馆中观赏的感觉，使虚拟与现实之间的连接效果得到增强。

2 数字博物馆特点

数字博物馆是在数字化技术的影响下构建而成的，在实际使用过程中，多项技术集成应用，将现实中的博物馆同步到网络中，观众能够通过计算机或者手机等联网设备，进行在线游览博物馆。我国在2012年正式上线百度百科数字博物馆，在发展过程中不断升级，目前已得到长足进步。

相比实体博物院，数字博物馆需要使用计算机和相关硬件及软件系统之间的发配，为观众呈现相应的内容，在实际应用过程中，能够精准地对信息进行储存、并根据实际信息进行调整，整体形象较为生动，易于传播，具有较强的发展意义[2]。在对实际博物馆藏品进行信息采集后，通过三维技术进行构建，有效提高对实际藏品的保护效果，通过网络窗口能够对藏品进行直接搜索，提高信息检索效率，提高研究人员的实际研究效果。

现代化数字博物馆在应用时，灵活利用AR和VR技术，使现实和虚拟之间的交互效果得到提升，为博物馆观众提供更加良好的体验，满足使用者在足不出户的情况下观赏博物馆的需求，为观众提供更加真实的虚拟博物馆参观体验。

3 博物馆中对AR和VR技术的应用

3.1 AR技术的应用

AR技术在数字博物馆中应用的过程中，通过虚拟现实技术来帮助实现博物馆虚拟化，使观众能够通过网络对虚拟博物馆进行浏览、漫游和交互，深度对藏品进行分析和查询。在构建虚拟博物馆时，主要使用三维技术生成藏品图形，研究人员对藏品进行三维数据测量，根据数据来构建相应的三维图像。此时应加载计算机视觉技术，对图形三维图形进行调整，使虚拟三维图片视觉效果更符合人眼观察习惯，提高虚拟藏品图像的实际观赏效果。观众在对藏品进行浏览和观赏的过程中，会从不同的角度对藏品进行观察，为满足用户的需求，使虚拟的浏览体验得到提升，此时应在虚拟系统中构建动态模拟系统，将其与三维图形的数据库进行连接，同时与用户的操控系统进行对应连接，使图像能够根据用户的视角移动方向展示相应观察角度动态形象，在进一步加强人机互动的同时，提高虚拟现实效果。

在构建AR系统时，需要通过系统加强对不同技术的集成，如3D模型技术和模型标定技术以及合成技术等，完成对博物馆的虚拟构建。在进行虚拟系统构建时，应明确最终目标，一方面为用户展示博物馆中相关藏品内容；另一方面加强用户与虚拟场景之间的交互。在此需求下，首先对实际的博物馆真实场景进行识别和数据调查，对现场的全面信息进行采集，同时对摄像机的坐标进行标记，对不同坐标下的摄像机采集信息进行识别和控制，丰富图像库存。将采集数据输入到虚拟显示系统，将真实的图像与虚拟的场景进行结合，形成现实系统，为用户展示博物馆中藏品内容，实现对数字博物馆的参观。

3.2 VR技术的应用

VR技术在数字图书馆中的应用更多地体现在人机交互中，通过将虚拟和现实技术进行结合，通过三维技术的展示来促进完成互动，将现实与虚拟进行叠加，为观众提供更加良好的博物馆浏览体验。VR系统在实施过程中，需要在虚拟博物馆不同藏品中进行坐标定位，根据不同虚拟坐标来对虚拟模型进行对应。在该过程中对虚拟藏品的位置和形象等进行识别和定位，并与真实三维图片和摄像位置进行对照修整。在该阶段中，通过VR技术来对虚拟场景进行调整，使其与虚拟摄像坐标进行对应，并将其与真实世界坐标进行对应。用户在操作过程中，用户可以进行信息交互，对某藏品进行控制使其现实化，通过控制VR系统，对虚拟中的藏品图像进行处理，同时将虚拟空间坐标与现实世界坐标进行嵌入融合，使虚拟景象顺利叠加在现实世界中，并将现实世界与虚拟景象结合的画面回传到现实设备中，实现现实增强效果，在该情况下，支持用户与场景之间的互动，提高观众的参与感和体验感。

在现实增强实现的过程中，主要应用以下技术：①显示技术。该技术的主要应用目是对虚拟现实效果的增强，通过显示技术使博物馆中的展品更加真实地展示在观众的眼前，提高感知体验效果。②三维技术。该技术在应用过程中，应加强对三维坐标的管理和识别效果[3]。加强三维坐标与现实环境中坐标的重合效果，有利于提高虚拟与现实环境之间的结合效果。③系统开发技术。在对数字博物馆进行VR设计的过程中，为提高现实增强效果，需要灵活利用不同的系统开发工具，对虚拟藏品进行识别和控制，优化其在现实环境中的展示效果，从而提高整体的系统开发和展示作用。

3.3 技术集成应用设计

数字博物馆在使用AR和VR技术集成的过程中，为提高整体的展示效果，应根据博物馆的实际情况进行框架构建，从而便于进一步对内部的结构和功能进行完善。数字博物馆在构建时，应为观众提供两种浏览路径。其一，单纯的虚拟浏览，用户选择该方式时，可以通过网络的入口对博物馆中的不同展品进行搜索，或者通过不同分类进行浏览观赏，在该情况下，支持通过直观方式在计算机和手机中对藏品进行观赏。用户可以通过不同的视角进行观看，并了解展品的相关信息。其二，在观赏过程中加入信息交互，满足用户与虚拟博物馆之间的互动。在该情况下，用户一般需要借助专门的头盔、眼镜或其他的设备，帮助提高用户的体验感。在外部设备的帮助下，为其提供沉浸式博物馆浏览体验。用户在AR和VR系统的辅助下，通过设备增加身临其境的感觉，并且在沉浸式体验中，能够与虚拟的展品进行互动，满足用户的实际需求。

在对数字博物馆虚拟现实系统进行框架设计的过程中，主要将系统分为两个框架，一方面，针对移动设备的虚拟交互系统进行框架构建，结合需求设置虚拟引导、藏品展示以及说明功能，在浏览的过程中，可以选择与虚拟藏品进行交互，同时观看文字图片或者播放语音说明等，提高对博物馆藏品的了解。另一方面，针对虚拟现实技术进行设计，将框架分为藏品展示以及博物馆环游等功能，在产品展示的过程中，能够通过不同角度观看浏览，同时允许相应的互动游戏。在虚拟环游的过程中，根据虚拟导向在虚拟世界中，对整个博物馆进行游览，从而提高整体的体验效果。

4 未来数字博物馆的发展趋势

4.1 虚拟现实交互应用

现代化AR和VR技术的应用逐渐丰富，但发展仍受到一定的制约。受到硬件和软件等计算机相关技术水平的影响，目前的虚拟现实交互应用水平仍然较低，观众的感官体验有限。

为提高未来数字博物馆的整体质量，在利用AR和VR技术的过程中，提高虚拟和现实之间的交互效果。如在虚拟世界中构建更为真实的场景，同时优化整体形象和图片影响的视觉效果，使其在微观角度仍能够保持较为清晰且真实的效果，提高对博物馆藏品的展示效果[4]。同时加强与博物馆之间的互动效果。目前的互动中主要包括浏览引导和互动游戏，但受到技术的制约，互动游戏仍停留在表面。通过未来的发展，构建相应的体感设备，将观众投射到虚拟世界中，对虚拟环境中的博物馆进行参观，提高系统的沉浸效果，同时提高观众对藏品的了解效果。

4.2 设备升级管理

现代化背景下，AR和VR技术效果有一定提升，但在实际的应用过程中仍受到设备的限制。大部分博物馆中缺乏精密度高的硬件，在实际的三维数据采集过程中，可能无法做到更加真实的还原效果，从而影响实际的展示效果。部分设备在缺乏系统运维的情况下，影响系统的实际运行效果，导致画面无法与现实环境达到更好的匹配效果，影响观众的视觉体验，并且容易造成眩晕感，不利于提高设备使用效果[5]。

为加快博物馆设备升级效率，在实际的发展过程中，国家应加强支持效果，通过相关的政策指导以及资金投入等方式，加快博物馆内部虚拟现实相关设备的更新，从而提高数字博物馆的设备应用效果。