周榮庭 王懂 韓飛飛

摘 要 增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實是基于計算機圖形、多媒體和多傳感器的計算機高級人機界面技術(shù)。增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實因其與生俱來的多感知性、沉浸感、交互性和構(gòu)想性的四大技術(shù)特征，一直為人們所關(guān)注。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷進步，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實得到了快速發(fā)展，在娛樂、教育、醫(yī)療、藝術(shù)、商業(yè)和制造業(yè)等領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的位置。通過分析增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，從二者的技術(shù)特征出發(fā)設(shè)計了其在科技館教育傳播中的創(chuàng)新應(yīng)用，并給出了相關(guān)的可行性建議。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實 增強現(xiàn)實 技術(shù)特征 科技館

1 增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實是將計算機、傳感器等設(shè)備產(chǎn)生的虛擬視覺、聽覺、觸覺等多感知信息疊加到用戶所在的真實環(huán)境中，以實現(xiàn)真實物體和虛擬物體實時交互并共存于同一空間的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實則是以計算機技術(shù)為核心，集合逼真的視覺、聽覺、觸覺等多感知信息建構(gòu)出虛擬環(huán)境的技術(shù)。

增強現(xiàn)實技術(shù)源于20世紀(jì)60年代，但在20世紀(jì)90年代才真正起步[1]，前期的研究活動主要集中在高等院校。長期以來，增強現(xiàn)實在業(yè)界基本作為一個概念存在，幾乎沒有任何實質(zhì)性進展。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則難度較低，現(xiàn)已在軍事、醫(yī)療、游戲等一些領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)騷。近年來，隨著微軟、谷歌、蘋果等多家科技巨頭大舉進入虛擬現(xiàn)實的硬件制造以及相關(guān)配套行業(yè)，Google Glass、Samsung Gear VR、Oculus Rift和HCT Vive等數(shù)款虛擬現(xiàn)實的終端產(chǎn)品相繼上市。

當(dāng)前，增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究主要由高科技公司承擔(dān)，涉及軟硬件和內(nèi)容制作等。雖然近幾年虛擬現(xiàn)實的勢頭似乎比增強現(xiàn)實更盛，但從長遠來看增強現(xiàn)實的未來前景卻更好。不過與行業(yè)預(yù)期水平相比，增強現(xiàn)實應(yīng)用尚有許多技術(shù)瓶頸亟待突破。

國內(nèi)增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的起步較晚，但隨著該領(lǐng)域的持續(xù)升溫，包括騰訊、阿里巴巴和百度在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛加大研發(fā)投入，此外也不乏一些創(chuàng)業(yè)公司的躍躍欲試。然而，從技術(shù)上來說，國內(nèi)在研發(fā)方面與國外仍然存在較大的差距。

2016年是增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)爆發(fā)的元年，這個產(chǎn)業(yè)在大量資本的刺激下獲得了快速發(fā)展，吸引了各行各業(yè)的跟進，科技館行業(yè)就是其中之一。目前，國內(nèi)已有部分科技館設(shè)置了增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的體驗項目，并且還有一批科技館正在計劃建設(shè)相關(guān)展項，但總體上此項技術(shù)在科技館中的普及率偏低。同時，由于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的內(nèi)容來源有限、資金支持不足和政策環(huán)境限制等因素，表現(xiàn)出了應(yīng)用不成熟、動態(tài)跟蹤乏力、展示設(shè)計不合理和參觀體驗欠佳等問題。

2 增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的技術(shù)特征

增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實都是建立在人機交互界面、多媒體技術(shù)和多傳感器系統(tǒng)等計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，二者共享大部分技術(shù)特征。事實上，增強現(xiàn)實技術(shù)就是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

2.1 共性

（1）沉浸感

沉浸感是指用戶在增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實設(shè)備構(gòu)建的虛擬空間中獲得的身臨其境的體驗，而沉浸感程度的差異正是虛擬現(xiàn)實有別于增強現(xiàn)實的突出特征之一。虛擬現(xiàn)實所呈現(xiàn)的完全虛擬的環(huán)境具有很強的沉浸感，它切斷了用戶與真實世界之間的所有聯(lián)系，令人難以分辨自己到底身處何處。

英國自然歷史博物館將Alchemy VR公司制作的虛擬現(xiàn)實紀(jì)錄片《生命之初》（First Life）融入到科普展覽中，因其卓越的沉浸感而廣受好評。觀眾可以使用三星公司生產(chǎn)的虛擬現(xiàn)實設(shè)備Gear VR，近距離探索古生物的奧秘，“整個虛擬環(huán)境逼真得讓人恐懼”。

（2）交互性

交互性是指用戶可以通過傳感器與計算機構(gòu)建的虛擬環(huán)境中的物體進行互動的特性。交互性將體驗者本人變成虛擬環(huán)境中的一部分，而不只是虛擬環(huán)境的觀察者，這在很大程度上提升了增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的沉浸感。

當(dāng)下的交互式設(shè)備大多以虛擬現(xiàn)實游戲為主要內(nèi)容。以北京的隕石VR體驗館為例，該館提供了由美國VR Studios研發(fā)的VRCADE套件，包含一個無線傳輸視頻畫面的頭盔顯示器、一個手槍形狀的控制器以及由六個攝像頭組成的追蹤系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠通過傳感器捕捉槍形控制器的位置與動作，比如傾斜、轉(zhuǎn)動等。不同于一些簡單的輸入設(shè)備，在這個游戲中用戶需要像使用真槍那樣進行瞄準(zhǔn)才能射擊，這極大提高了用戶與虛擬環(huán)境的融合程度。

（3）構(gòu)想性

構(gòu)想性是指增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實所構(gòu)建的陌生環(huán)境可以激發(fā)用戶產(chǎn)生聯(lián)想和想象的特性，有助于用戶深化概念理解，獲取新的知識，進而啟發(fā)用戶的創(chuàng)造性思維。

例如，大英博物館的“青銅時代”展項借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備Gear VR為觀眾呈現(xiàn)了數(shù)千年前的文物藏品以及生活場景。觀眾可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)參與祭祀儀式，了解當(dāng)時的社會形態(tài)。這個展項并非獨立展示，后期大英博物館還會將其整合到博物館的教育計劃中，形成基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的完整教育系統(tǒng)。

（4）多感知性

多感知性是指用戶與虛擬環(huán)境中的物體進行交互的途徑可以通過多種感官實現(xiàn)的特性。交互的感官不止于視覺和聽覺，還包括味覺、嗅覺、觸覺等。

由于早期增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的技術(shù)水平較低，用戶與虛擬環(huán)境的交互僅限于視覺和聽覺兩種感官體驗，單調(diào)的聲光世界以及笨重的穿戴式設(shè)備使得沉浸感大打折扣。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，簡單的觸覺、力量感知、運動感知和溫度感知等知覺體驗得以實現(xiàn)，原先作為沉浸感組成部分之一的多感知性特征逐漸凸顯。

2.2 區(qū)別

增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實共享以上四個技術(shù)特征，卻又各有側(cè)重。虛擬現(xiàn)實是對真實環(huán)境的完全虛擬，側(cè)重于體驗過程中的沉浸感。用戶的感官與其周圍環(huán)境是完全隔離的，這樣才能最大程度上發(fā)揮沉浸感。而增強現(xiàn)實則是將計算機設(shè)備生成的虛擬信息實時實地添加到真實環(huán)境或替換真實環(huán)境，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的“增強”。

增強現(xiàn)實獨有的技術(shù)特征是虛實結(jié)合與三維注冊[2]。虛實結(jié)合指的是增強現(xiàn)實技術(shù)將虛擬信息與真實世界同時顯示并相互融合成統(tǒng)一的畫面，實現(xiàn)對真實環(huán)境信息的補充、疊加。三維注冊指的是要實現(xiàn)增強現(xiàn)實就必須對真實環(huán)境進行識別和標(biāo)定，依靠攝像設(shè)備的實時跟蹤，得到影像位置的實時信息，并通過計算機高速運算，將虛擬物體正確疊加到相應(yīng)位置，實現(xiàn)虛擬物體與真實世界的自然融合。三維注冊是增強現(xiàn)實的基礎(chǔ)，沒有它就無法得到虛實結(jié)合的效果，也就無法完成實時交互的操作。

如圖1所示，多倫多大學(xué)的保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）教授指出增強現(xiàn)實是對真實環(huán)境的“增強”，計算機生成的信息可以加強用戶對真實環(huán)境的理解；而虛擬現(xiàn)實是對真實環(huán)境的“隱藏”，用戶完全沉浸在虛擬的世界中；處于真實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的部分則被定義為混合現(xiàn)實[3]?；旌犀F(xiàn)實是融合了增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實優(yōu)勢的綜合體，也是這兩項技術(shù)發(fā)展的新方向[4]。

與虛擬現(xiàn)實將真實環(huán)境完全用虛擬環(huán)境代替不同，增強現(xiàn)實呈現(xiàn)的視覺信息中包括了部分真實環(huán)境。因此，增強現(xiàn)實所呈現(xiàn)的虛擬圖像信息必須準(zhǔn)確地與現(xiàn)實世界融合，才能實現(xiàn)對真實環(huán)境信息的補充、疊加。疊加的虛擬圖像需要利用實時定位技術(shù)覆蓋到現(xiàn)實環(huán)境中特定的三維空間，從而實現(xiàn)虛擬物體對真實物體的替換。比如，雅典衛(wèi)城博物館運用增強現(xiàn)實技術(shù)對一批建筑和雕塑進行了數(shù)字化升級。觀眾使用增強現(xiàn)實設(shè)備進行觀察時，可以自動還原文物的初始顏色或添加遺失的部件。這使得斷裂的柱子被虛擬圖像“替代”，建筑物恢復(fù)了往日的形貌；雕塑表面因歲月洗禮而留下的侵蝕痕跡，也被虛擬色彩所遮蓋。

3 增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實在科技館中的創(chuàng)新應(yīng)用

科技館教育是一種基于開放理念的先進教育方式，它強調(diào)的是自由選擇和自主學(xué)習(xí)[5]。增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實所具有的沉浸感、交互性、構(gòu)想性和多感知性等技術(shù)特征與科技館的教育理念非常契合，在以陳列展覽、仿真實驗和技能培訓(xùn)為主要形式的教育活動中尤甚。因此，把握增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的不同技術(shù)特征將有助于發(fā)揮科技館的科普教育功能。不可否認，增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的幾種技術(shù)特征之間關(guān)聯(lián)非常緊密，以至于無法將這些技術(shù)特征清晰地割裂開來。但落實到具體的教育活動時，則可以根據(jù)不同的目的側(cè)重于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的某一技術(shù)特征。

3.1 沉浸感：增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實在展覽教育中的應(yīng)用

展覽教育是科技館依托陳列展示進行的教育活動中最主要的部分，其目的在于借助展項向大眾普及科學(xué)。

展覽教育中可以采用增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建高品質(zhì)的虛擬場景，并在場景中加入需要展示的展品模型和特殊環(huán)境。觀眾可以通過視覺、聽覺等感官來全方位學(xué)習(xí)，不需要太多的互動和想象，而是直接接受虛擬環(huán)境所呈現(xiàn)的信息。因此，展覽教育主要對應(yīng)于沉浸感這一技術(shù)特征。增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的沉浸感對于科技館展覽教育而言，具有超媒介敘事和去中心化敘事的優(yōu)勢。

（1）超媒介敘事

展覽教育的科普內(nèi)容一方面通過圖書、漫畫、影視等多種媒介途徑實現(xiàn)，另一方面又跨越了媒介界限，從增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的角度再次呈現(xiàn)相同背景下的敘事結(jié)構(gòu)，利用“敘事縫隙”深度挖掘科普內(nèi)容，與傳統(tǒng)媒介相輔相成，構(gòu)建多元敘事載體[7]，從而達到良好的科技傳播效果。

（2）去中心化敘事

增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實所呈現(xiàn)的科普作品與傳統(tǒng)的科普作品有巨大的差異，集中表現(xiàn)在去中心化的敘事結(jié)構(gòu)上。傳統(tǒng)科普作品的鏡頭依照創(chuàng)作者的意愿集中于科普對象，視頻時間軸上任意一點的畫面只能呈現(xiàn)整體環(huán)境中的一角。而增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境則是全方位充斥著整個空間，觀眾的四面八方都是創(chuàng)作者所要表現(xiàn)的事物，科普展品分布于整個虛擬空間而不是局限于某一方位，這樣才能充分發(fā)揮增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢。比如，虛擬現(xiàn)實紀(jì)錄片《生命之初》使觀眾仿佛置身于虛擬的遠古海洋中，讓史前生物在觀眾的周圍游來游去，提高了觀眾的沉浸感，激發(fā)了觀眾的探索欲望。

3.2 構(gòu)想性：增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實在實驗教育中的應(yīng)用

實驗教育是科技館展覽教育升華后的產(chǎn)物，通過向觀眾提供實驗條件，幫助觀眾親自實踐和驗證科學(xué)原理。實驗教育中主要通過交互式設(shè)備實現(xiàn)觀眾與增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗環(huán)境的互動，深受廣大青少年的喜愛。

相較于通過沉浸感讓觀眾大量接受外界知識而疏于實踐互動的展覽教育，實驗教育更加強調(diào)構(gòu)想性對智力的開發(fā)和創(chuàng)造力的激發(fā)；而相比于通過大量實踐操作以獲得技能的培訓(xùn)教育，實驗教育則側(cè)重于面向公眾的啟發(fā)性學(xué)習(xí)需求，其交互性要求較低。

傳統(tǒng)的科技館實驗教育存在諸如建設(shè)和維護成本高、安全隱患多、實驗種類單調(diào)、趣味性不強等缺陷。當(dāng)增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教育時，就可以規(guī)避大部分既有問題。增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的構(gòu)想性特征對于科技館實驗教育而言，在加深形象化的認識和創(chuàng)立抽象化的世界兩方面具有優(yōu)勢。

（1）加深形象化的認識

增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實可以通過建立虛擬環(huán)境幫助參加實驗教育的觀眾建立對日常生活中不可能實現(xiàn)事物的認知，加深對一些難以理解的艱深概念和復(fù)雜過程的認識。例如，用增強現(xiàn)實的三維模型或虛擬現(xiàn)實的虛擬場景來闡釋細胞內(nèi)的生物反應(yīng)過程。大英博物館的“青銅時代”展項運用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助觀眾建立對無法到達的歷史時期的直觀認識，激發(fā)觀眾深入思考和想象細節(jié)。

（2）創(chuàng)立抽象化的世界

此外，增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實還允許觀眾構(gòu)建現(xiàn)實中不存在的環(huán)境，利用天馬行空的想象創(chuàng)立抽象化的世界。這一技術(shù)特征有利于系統(tǒng)思維的建立，是傳統(tǒng)展項所無法實現(xiàn)的功能。

因此在采用增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計科技館的實驗教育時，應(yīng)牢牢抓住構(gòu)想性特征，營造新奇有趣的虛擬環(huán)境。

3.3 交互性：增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實在培訓(xùn)教育中的應(yīng)用

培訓(xùn)教育作為科技館教育中的重要一環(huán)，其主要內(nèi)容是在科技館的硬件設(shè)施和軟件平臺的基礎(chǔ)上面向少數(shù)有需求的學(xué)員開展科學(xué)知識和科學(xué)技能的培訓(xùn)。

在增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實條件下，培訓(xùn)教育中的學(xué)員需要在虛擬環(huán)境里進行大量技能訓(xùn)練，這對交互性特征的要求很高。

虛擬環(huán)境中的培訓(xùn)教育不受場地和時間限制，具有高度的仿真性、安全性、超時空性和自主性。在理想狀態(tài)下，其可以得到與真實環(huán)境中同樣的效果，并減少培訓(xùn)的成本。

4 建議

4.1 結(jié)合技術(shù)特征設(shè)計

增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實在科技館應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其優(yōu)勢性的技術(shù)特征。在設(shè)計科技館的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實展項時，我們要從展示目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)展覽、實驗、培訓(xùn)等教育形式所對應(yīng)的沉浸感、構(gòu)想性、交互性的技術(shù)特征，統(tǒng)籌規(guī)劃和制作高品質(zhì)的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實系列科普作品；從多維度展開，深入研究相關(guān)的科普內(nèi)容，力圖找尋潛在的功能，形成科技館增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的教育展項體系，最終達到提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的目的。

4.2 建立合作、反饋機制

科技館要與增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的內(nèi)容生產(chǎn)單位，如企業(yè)、高校、研究機構(gòu)等，達成合作機制，在體現(xiàn)趣味性和普及性的同時，重視反映高新技術(shù)和科學(xué)前沿，找到二者的最佳平衡點。

限于高昂的制作成本，科技館在利用增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行科普傳播時，可以與同類型科技館展開館際合作，共同分擔(dān)作品的制作費用，從而降低制作成本，獲得更為豐富的展示內(nèi)容。

與觀眾群體的互動交流也是科技館需要關(guān)注的一個問題。來自觀眾的反饋信息能準(zhǔn)確指出科技傳播過程中受眾的需求所在，結(jié)合社會關(guān)注的熱點事件，憑借增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢，提升觀眾的參觀積極性。

4.3 利用超媒介敘事打造新的視角體驗

作為具有沉浸感、交互性、構(gòu)想性和多感知性等技術(shù)特征的新媒介，增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實擁有相較傳統(tǒng)媒介更為強大的表達能力，可以選取優(yōu)秀的科普內(nèi)容運用超媒介敘事手段搬到增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的平臺上，從新的視角加深公眾的體驗和認知。近年來，隨著媒介運營的日益成熟，知識產(chǎn)權(quán)所起到的傳播效果也逐漸得到認同。不妨借用知名的卡通形象來提升科普作品的連續(xù)性、受眾參與的廣泛性和體驗的泛在性[8]?？萍拣^既可以通過創(chuàng)設(shè)文化形象來串聯(lián)展項的邏輯模塊，也可以通過多屏終端、紙介媒體等來引入科普內(nèi)容，讓展項跨越時空，拓寬受眾掌握科學(xué)知識、科學(xué)方法，樹立科學(xué)精神和科學(xué)思想的邊界！

5 結(jié)語

從傳統(tǒng)的陳列展示到增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實的高科技展示，科技館不僅實現(xiàn)了科普內(nèi)容的極大豐富和科普形式的深度拓展，而且實現(xiàn)了科普內(nèi)涵的全面創(chuàng)新和科普效果的長足進步。隨著增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，新媒體時代已經(jīng)悄然拉開帷幕，未來的科技館將是一個可以與之全方位互動的美麗新世界！

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