AR-VR混合技术在博物馆展览互动中的运用
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摘 要：传统的博物馆展示方式多采用橱窗陈列物品，存在互动性差等缺陷，通过分析增强现实虚拟混合所涉及的关键技术，提出基于AR-VR混合开发博物馆互动展示系统的方法，采用虚拟现实技术的方式可使馆藏信息展示更全面，激发参观者的观察与思考。本文在AR技术基础上融入VR技术，提出基于AR-VR混合技术展示展品方式，采用双向互动方式在AR与VR间进行切换，克服了增强现实技术在交流互动中存在的一些问题。
关键词：现实虚拟 增强现实 博物馆展览
中图分类号：G720 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0254-02
1 VR技术在数字博物馆中的应用
虚拟现实技术是当代艺术在数字领域发展演变的重要方向，依托于计算机与人工智能技术，借助灵境科技营造数字化空间，赋予了艺术创造及各汇总艺术行为的自由。媒体就似乎手段形成了自身独立的艺术语言体系，中国VR艺术研究中心秉承致力于社会公益事业发展的理想，推动了对VR技术在数字博物馆中的应用。
VR技术将人们带入由多感知系统与灵境技术创造的深度沉浸。以往艺术实践中，艺术家受到物理世界固有逻辑系统的支配，VR技术是数字技术中神奇的科技，打破了以往艺术实践的经验模式，任何信息的物质性因素可变为可控的电子变量值。
艺术家通过对VR、AR等技术思想把握，采用人机交互手段控制作品形式，打造现实情况下不能实现的艺术效果。如VR性质的交互装置系统可设置观众穿越多种感官的交互通道，艺术家可借助软硬件配合促进参与者与作品的沟通，通过视频界面进行动作捕捉，放映增强效果的影像。观众可通过自身动作控制投影的文本，可移动场景增强了作品的沉浸感，使观众进入作品内部，观察其过程。
2 关键技术简介
2.1 系统框架
AR-VR博物馆展示互动系统将AR技术与VR技术结合，利用二者的优势提升参观者参观博物馆的交流互动体验。系统分为博物馆虚拟漫游模块与增强交互模块。虚拟漫游模块使用VR技术，将客观上不存在的景物在用户眼前生成虚拟环境，增强交互模块通过摄像头采集场景视频，根据真实场景中的人工标志物信息进行跟踪注册[1]。
首先开启程序进入虚拟漫游模块，开启场景漫游模式，参观者可向前后左右移动，在AR-VR切换中，参观者只需点击虚拟AR按钮即可切换到真实世界，开启摄像头捕获场景的初始识别图像，计算出摄像机位置数据，将虚拟展品加载到真实场景中。
2.2 虚拟漫游模块开发
博物馆展览互动系统中虚拟漫游模块开发基于Unity3D平台，拥有高度优化的图形渲染管道，可实现虚拟加人机交互功能的生成。通过三维软件完成建模，模型建好后发布为fbx格式文件，导入Unity3D中构建虚拟博物馆场景。
虚拟博物馆场景模型制作是虚拟现实漫游模块开发中的重要部分，与博物馆漫游系统体验效果直接相关。建筑模型制作时要考虑系统运行速度问题。博物馆场景模型制作分为复杂模型与简单模型。复杂模型制作要求精细，简单模型仅需制作出大致的轮廓。模型的制作有很多规范。如模型必须适当减少面数与分段数，单个模型面数不得超1000。否则会影响系统的运行。使用高清数码相机拍摄图片制作纹理贴图。
博物馆场景搭建完成后导入Unity平台，可实现体验者在博物馆场景中进行虚拟漫游，可通过头戴设备进行视角转换，使用户获得更好的体验。
2.3 增强交互模块开发
AR技术可使系统创造更丰富的互动方式，AR技术可增强真实世界的物体与环境[2]。增强交互模块开发首先通过摄像头采集真实场景视频图像，在真实场景中叠加虚拟信息丰富展品信息显示。
系统增强交互模块实时采集博物馆中的环境，生成真实场景图像供系统调用。跟踪注册是增强现实系统的核心，其主要有基于计算机视觉跟踪注册与传感器进行硬件跟踪注册两类技术，前者按系统是否使用人工标记区分。基于人工标记的增强现实系统能将虚拟模型定位到真实世界，可快速从复杂的真实环境中检测出人工标记，大多增强现实系统的跟踪注册模块采用基于人工标记的方式实现。
跟踪注册过程首先基于视频采集设备采集视频图像，AR-VR系统通过调用移动设备摄像头采集视频图像。对采集图像进行预处理，完成从彩色的视频图像到黑白两色二值图像的转换。如像素点灰度值S（x，y）≥t可为背景点。经阀值化处理的图像为：
得到二值化的图像，利用图像分割技术找出图像中兴趣点。判断标记是否为合法标记。模板匹配成功后确定标志物的特定ID识别。
经跟踪注册步骤后，将拍摄室内环境视频流图像与虚拟文物信息进行实时融合，使用户体验到真实场景与虚拟信息融合的效果。增采用Vuforia SDK实现强现实交互模块开发。在Java与NET语言中提供了API接口。
目前常用的增强现实开发平台有AR Toolkit，Vuforia，AR Toolkit如表示无移动速度过快无法产生虚拟叠加效果。无法对普通图片进行识别，Aurasma非免费开发者无法获得软件全部代码。
2.4 显示技术
随着计算机软硬件技术的不断发展，头盔显示器可让用户感受到空间立体感，本文VR系统采用Ocular Rifi DK2虚拟显示设备，分辨率达到1920×1080，DK2显示效果理想。AR系统呈现物体信息应以轻巧为设计原则。采用基于Android操作系统智能手机屏为显示设备，可不受展览环境限制[3]。
3 实验结果分析
实验基于Unity3D平台，采用的移动设备在内存Intel CoreTM2 Quad CPU，4GB内存。启动系统后进入VR系统，参观者可欣赏博物馆外風景或参观博物馆内藏品。切换到AR系统后，跟踪角度为标志物与摄像头的家教，逐帧图像进行注册性能验证，拍摄角度为初始0°时，系统采集不到人工标志图像特征信息，跟踪角度小于20°时，超系统跟踪注册功能模块工作范围。
标志物遮挡对系统的影响很大，系统注册精度会受到很大影响。实验通过不同遮挡测试系统性能，随遮挡率增加。经测试表明本文方法能根据残留标志物信息获取准确的跟踪注册数据，可很好的适应遮挡环境。
基于AR-VR混合技术开发博物馆导览系统有很好的三维展示功能，参观者对某展品感兴趣时可切换到系统观察展品细节特征，对标志物采用特征点检测方式效果好。
4 结语
本文提出了基于AR与VR技术结合的展示系统，该方法能在终端连接运动中自适应现实虚拟叠加效果，虚拟现实与增强现实技术结合可使可视化效果更逼真，动态的展示展品信息，使参观者在交流互动中加深记忆，未来研究可将增强现实识别能力作为重点。
参考文献
[1] 邵恒.VR技术在博物馆文物保护中的应用[J].智库时代，2018（43）：149，152.
[2] 张贝贝.VR技术在博物馆展陈设计过程中的优势及应用[J].企业科技与发展，2018（10）：141-142.
[3] 李婷婷，王相海.基于AR-VR混合技术的博物馆展览互动应用研究[J].计算机工程与应用，2017，53（22）：185-189，263.
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