增强现实技术在科技馆科普展示设计中的应用

2023-04-05贾清

科技创新与应用 2023年7期

贾清

（上海科技馆，上海 200127）

目前，科技馆逐渐走上了积极宣传科技文化的道路，许多科技馆顺应当代潮流推出增强现实技术应用，希望吸引更多新一代参观者参与文化学习[1]。然而，在目前已开发的增强现实技术应用案例中，存在着开发范围广、内容单一和形式单一等问题。例如，对某一展品进行游戏交互，由于技术的限制和开发者审美素养的影响，很多增强现实游戏存在画面僵硬、交互真实感弱等问题。用户无法在游戏的互动过程中体验到科技馆藏品的魅力，更无法通过单一的游戏了解展品的整体文化传承。在公众科普系统方面，目前的增强现实技术只能实现简单的地图导航，并没有应用到更深层次的用户引导、文化交流和公众科普流程规划等方面[2]。科学馆传统上是为游客提供近距离体验展品的机会，这种访问方式受时间和空间的限制，更重要的是单一的学习模式已经不能满足学习者的知识学习需求。沉浸式学习是一种情境式、认知式和联想式的学习方法，其目的是在增强现实等现代技术的支持下，为学习者提供现实的、可控的学习环境，通过与学习环境的自然或具象化的互动来提升学习体验。自从增强现实环境作为了解情境的应用，研究人员一直在质疑临场感和沉浸感在科普活动中的影响，在以往的研究中已经证明浸入式学习对大众理解动态三维过程有显著的帮助[3]。

本文在总结增强现实技术的特点和科技馆展示、公众科普需求的基础上，试图寻找一种适合科技馆的创新展品展示方式。利用增强现实技术打破传统馆单一的展览方式，可以更好地传播中国深厚的科技文化底蕴。中国有大量不同形式的科技馆，增强现实技术的应用不仅能给游客带来丰富而难忘的体验，还能在文化传播和展品保护领域做出突出贡献，科学技术赋予文化新的传播方式，增强了文化传播的深度和广度。

1 增强现实技术的应用现状

1.1 增强现实技术的应用范围

随着移动智能终端的普及和网络效率的提高，增强现实技术正以生动的场景、丰富的交互方式和简单的操作方法逐渐进入大众视野，并逐步发展出多种应用方法[4]。增强现实是指通过计算相机的角度和位置信卢，结合图像分析技术，将虚拟数字内容与现实场景环境相结合，并与之交互的技术。

目前，增强现实技术在广告营销、医学研究、教育培训和游戏开发等行业发展迅速[5]。在看到网上测试的真实效果后，消费者可以更好地了解商品是否适合自己，成功激发购买欲望，同时可以降低退货率提高营销成功率。许多世界著名的科技馆、互联网公司和其他机构已经开始专注于开发增强现实技术，以吸引更多的游客和用户。在教育和培训方面，增强现实技术可以起到辅助作用，比如帮助大众了解人体的结构，同时模拟手术过程和手术方案提高诊断效率。增强现实书籍和增强现实教学游戏可以帮助教师更生动地开展教学活动。增强现实技术允许用户与虚拟世界和现实世界进行交互，使其成为游戏开发的理想选择。这种玩法不仅解放了游戏空间，还能让玩家在寻找环境的同时与环境进行互动，是游戏行业的新突破。

1.2 增强现实技术的应用趋势

随着数字化、智能化技术的不断更新，依靠模型构建和虚拟仿真支持的增强现实技术不断被开发和应用[6]。增强现实技术以虚拟仿真技术为支撑，在展品保护和科技馆文化推广方面具有天然优势，便于展品图像的采集与存储、展品形色的虚拟还原、虚拟展示与传播及虚拟产品的开发。增强现实技术作为一项新兴技术，已经在游戏、科技馆推广等领域得到了成功地发展。例如，科技馆开发了增强现实程序，通过图像识别使展品的展示更加有趣。随着国家政策的不断发展和虚拟仿真技术的支持，增强现实技术在未来将应用到更广泛的领域并具有更丰富的形式。基于增强现实的沉浸式学习环境可以为人们提供高度沉浸式、灵活互动的虚拟环境，此前已在科技馆展览中应用以改善参观者的体验，进一步增强知识获取。增强现实技术在国外科技馆沉浸式学习中的应用，已被证明能有效地促进参观者兴趣提高和知识交流。然而，国内很少有科技馆采用基于增强现实的沉浸式学习。

2 在科技馆展示中使用增强现实技术的原因

2.1 传统科技馆陈列的缺点

随着科技馆数量的增加，由于缺乏经验、人才和资金不足等，科技馆并没有取得稳定地发展[7]。传统科技馆一般采用直接陈列的方式将展品放置在玻璃橱窗中，辅以文字说明，这自然有很多缺点。一是展品需要较大的空间。如果每一件展品都放在科技馆里，必然会遇到空间不足、管理负担重等问题。二是存储环境要求高。由于展品的稀缺性和特殊性，每一件展品都必须得到妥善的保护。许多脆弱的展品甚至需要在其物理存放环境中进行严格地控制，这就需要投入更多的人力物力。第三，心理障碍强。由于玻璃窗的阻隔，游客在参观的过程中只能透过玻璃观看展品，在心理上加深了阻隔感，很难直接接触展品，也很难深入了解和观察。许多展品非常有名，游客只能在人群中粗略地游览，更不用说深入探索，了解相关的文化知识和展品背后的故事。这些传统展示方式的天然弊端也促使科技馆寻求新的解决方案，一些科技馆正在积极尝试新的方法来解决这个问题。

2.2 传统科技馆场地的弊端

传统的展示手段只能根据科技馆自身的空间结构进行，而展品的更新和保存则需要大量的人力物力。展品的每一次移动和摆放都可能对展品造成不可弥补的损害。许多游客愿意花时间参观当地的科技馆，专门深入了解当地的科技文化变迁。因此，科技馆面临着许多新问题，如游客空间有限，这限制了每天可以接待的游客数量。大量的旅客涌入会造成周边交通拥堵、环境破坏等，客流量的增加也会使游客体验质量下降。

科技馆是向观众展示和推广文化与知识的场所。中国科技馆规模逐年快速增长，但是在缺乏软硬件设备、经验不足、人才匮乏的情况下，我国的展示形式、展示内容和技术比较落后，整体发展阶段粗放，与一些发达国家相比差距很大。无论是科技馆的硬件设备还是管理的思想观念，都没有跟上时代的发展变化，不能满足当前游客的需求。科技馆没有自己的特色、趋于同质化是一种普遍现象，无法让感兴趣的游客前来观赏，观赏过程中也处于游览的状态，使游客产生审美疲劳难以激起欲望，游客对科技馆失去兴趣。

2.3 传统科技馆陈列时间地点的局限性

中国是一个地大物博的国家，在漫长的科技发展过程中各个地区都建造了大量的科技馆。科技馆展出的展品数量有限，不能充分利用文化资源供给游客，科技馆的文化产品不能满足广大人民群众的精神需求。同时，应用现代科学技术的手段较少，即使有一些互动装置产品体验效果也不明显，影响游客的沉浸感体验，是适得其反的。每个科技馆都具有很强的地理属性，是各个地区科技文化丰富的代表。因此，每个地区的科技馆都是不可替代的。对于游客来说，在科技馆中不仅可以充分体验各个地区的特色，还可以了解不同地区在不同科技发展时期的背景。然而，地域的分散也使科技馆面临着宣传的问题。随着长期的侵蚀，展品一直面临着巨大的破坏风险，展品一旦遭到破坏就面临着难以修复或无法修复的问题，这对展品的保护和研究是一个巨大的挑战。

3 增强现实技术的工作流程与设计原则

3.1 增强现实技术的科技馆展览工作流程

增强现实的基本工作流程：首先，利用相机和传感器在科技馆的特定环境中收集环境信卢。位置传感器负责分析环境并“扫描”环境的组合。其次，通过计算机预处理和识别阶段设计并制作具体的虚拟触发器，实现信卢与环境的融合。最后，将虚实融合的结果输出到设备上，然后由用户的智能设备或科技馆的特定设备将结果完全呈现出来。手持设备的分辨率、处理器、相机成像能力和传感器灵敏度都在不断提高，这是实现增强现实所必需的客观因素，对于科技馆来说无疑降低了人力和设备的成本。增强现实系统必须结合真实图像和虚拟信卢，因此，如何将两者自然融合是增强现实技术研究的重点。从系统结构可以看出，虚拟场景生成单元负责虚拟场景信卢的生成和传感器信卢的处理。显示器负责显示最终增强现实融合后的场景内容。在手持设备的增强现实系统中，通常由摄像头采集场景，屏幕起到显示的作用。

总结增强现实系统的一般工作原理：首先利用信卢捕获设备（如摄像机）对真实场景的信卢进行筛选和识别，将识别出来的有用信卢生成为数据。其次在后台接收到信卢后，利用信卢处理单元对传入的信卢进行识别和检测，最后再对分析数据进行三维注册。在位置处理方面，处理单元会根据设备捕捉到的信卢，对真实场景和虚拟场景的相对位置进行分析匹配，利用坐标系的一致性实现真实场景和虚拟场景的位置匹配。交互模块的实现依赖于交互设备，设备采集到信卢后，通过系统处理与虚拟场景信卢进行交互。增强现实系统通过综合输出模块输出信卢并将信卢输出到显示设备，使用户可以直接看到增强现实融合后的增强场景并根据需要进行交互。到目前为止，增强现实系统已经完成了整体的工作目标。

3.2 增强现实技术在科技馆展览中的设计原则

基于用户需求与享受并存，增强现实技术在科技馆的应用主要是为了加强科技馆文化知识的传播，而不仅是为了突出技术的优势。用户的需求是一切服务的基础。考虑到科技馆的展品维度相对较大，展品数量和种类繁多，在设置增强现实互动游戏或体验时，要平衡科技文化宣传的专业性和趣味性，平衡各个年龄层和不同文化背景的参观者，在互动体验的过程中难度不要太大，内容设置专业准确与有趣并行。整体方向朝着年轻化、大众化方向设计。科技馆是一个城市中大型的综合性科技文化教育场所，接待各种年龄的游客。因此，在考虑用户需求时，必须考虑各个年龄段的访问特征和心理特征。为儿童设置相应的游戏可以给其更好的参观体验。对于中老年人来说，对智能设备和虚拟交互相对陌生，容易抗拒和不理解虚拟交互。

调动五感以加强沉浸感和参与感。人们在接受信卢的过程中，主要使用“五感”，即视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉。传统的科技馆展示方式之所以枯燥，是因为单一的信卢传递方式只调动了参观者的视觉和听觉感官，无法实现多感官的互动体验。这样一来访问者就无法将自己沉浸在环境中，从而导致信卢传播的效率低下。通过创意设计有些游戏甚至可以加入“五感”体验，让游客获得多感互动体验。对于游客来说这是一种立体的参观体验，这种深度和沉浸式的氛围也让参观过程变得有趣。因此，在增强现实交互体验的设计中，加入多感官交互体验增强沉浸感和参与感是创意交互的重点之一。

连接生活拉近与来访者的距离。随着科技馆的多元化发展，一些科技馆成功地从严肃的文化基地转变为年轻的具有生活导向作用的生活方式指南，在吸引更多的游客和获得更多的文化认同方面取得了巨大的成功。通过科技馆开发相关产品、虚拟游戏、深化互动等有效手段，成功吸引了更多的游客，成功地拉近了科技馆与普通人的心理距离，不仅为科技馆创造了可观的文创收入，也吸引了更多的线上线下游客，更愿意主动了解科技馆及其故事。科技馆以科技文化为基础，更适合将收藏的展品与当地的日常生活联系起来，突出当地科技文化特色增强游客的参与感，既能拉近与游客的距离，又能以无形的方式传递展品的价值和文化内涵。

4 增强现实技术在科技馆中的应用

4.1 增强现实技术在科技馆中场景显示

中国科技馆文化资源的展示形式正处于瓶颈期，简单的技术和设备的组合不能满足公众的需求。增强现实技术的应用有效地提高了科技馆文化资源的传播效果，极大地提高了科技馆展览的传播效果。中国现有的大多数科技馆都是由政府或国家创建的。由于科学技术时代的飞速发展，科技馆建设形成了快速发展的趋势，参观人数越来越多，展览形式也在逐渐发生变化。使用增强现实技术的科技馆很多，但大多集中在展品形式的互动游戏。在增强现实场景显示中，首先，由于虚拟环境将用于科学文化教育，有必要确保其中包含的原则和知识是科学的；其次，在系统性能方面大多数用户要求在场景中获得流畅的沉浸式体验；最后，就系统可用性而言要求尽可能自然地进行交互，不仅要求设计的交互尽可能真实，而且期望交互更加简单、方便。

参观科技馆已成为人们生活中越来越重要的一部分，但传统的科技馆参观方式无法满足大众的心理需求。大多数科技馆对传统展品的陈列多是将展品放在陈列柜或陈列架上，而有关发掘故事或展品本身的科技史多以文字讲解、图片演示或视频播放的形式呈现。总体来说展览的展示形式单一、缺乏创意。增强现实技术在科技馆的应用需要相关技术人员参与研究和方案制定，在场景构建中需要三维建模者和学者合作创建场景。同时需要计算机专业技术人员对服务器进行维护、编写和运行程序等以保证软件的平稳运行，保证网络信卢的安全。

4.2 增强现实技术在科技馆中导航指引

近年来，风靡全球的增强现实技术的产生，为中国科技文化资源的开发和传播发挥了重要作用。增强现实技术依靠现代科技手段使游客在特定范围内创造和设计体验虚拟场景的感受，即使是线下实体科技馆的参观者也无需受时间和空间的限制，能够快速浏览科技馆展品的文化资源信卢。而且增强现实技术也能更多地体现使馆展品的文化再生价值并恢复其原有状态，目前我国许多线下科技馆都是在相应的线上虚拟科技馆中开设的。

增强现实导航指引，增强现实技术也可以在科技馆的实地导览中发挥重要作用。根据定位系统结合展览场地的布局，设计一个科技馆IP 形象作为“领航员”，如科技馆形象可以是一个人物或动物，带你一步一步向前走，在方便互动的同时也可以根据需要介绍相应的展品。同时可以提供个性化的导航路线让游客更好地规划自己的游览路线。增强现实展品展示，在珍贵展品的展示中由于一些展品的材料特性或年代久远，展示环境非常严格，考虑到展品的保护可能无法进行展示。在这种情况下，可以利用增强现实技术进行数字创作和模仿，对这部分展品进行扫描、修复和增强效果，从而实现这部分珍贵展品的展示。