摘 要：數(shù)字交互是博物館陳列展覽中觀眾與展品之間最直接的交流途徑，也是連接觀眾與展品的紐帶。文章簡單介紹了博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計的目的，分析了博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計框架，論述了博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計內(nèi)容，包括寬視野立體顯示、跟蹤定向、三維建模等，并從虛擬現(xiàn)實漫游、增強現(xiàn)實交互、混合現(xiàn)實交互幾個方面對博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計實現(xiàn)做進一步探究，希望為博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計提供一些參考。

關(guān)鍵詞：博物館；陳列展覽；數(shù)字交互設(shè)計

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.02.021

在現(xiàn)代科技與信息媒體飛速發(fā)展的21世紀，數(shù)字媒體設(shè)施在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在博物館陳列展覽交互設(shè)計中應(yīng)用數(shù)字媒體設(shè)施，可以在提高博物館陳列展覽質(zhì)量的同時促進觀眾與展廳互動，調(diào)動觀眾觀展積極性。因此，探討博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計方案具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計目的

1.1 提供多元展覽方式

借助數(shù)字交互設(shè)計中的虛擬制作，開放文物交互式觀察端口，滿足參觀者細致觀察展品細節(jié)的要求，并收集參觀者觀看數(shù)據(jù)和意見，為下一步活動開展方案優(yōu)化提供支撐①。

1.2 突破時間空間限制

一方面，借助數(shù)字交互設(shè)計，整合展品展示、講解內(nèi)容，滿足多人同時在線欣賞、學(xué)習(xí)、討論，突破進場時間、參展時間等方面的限制；另一方面，借助數(shù)字交互設(shè)計中的VR全景技術(shù)，虛擬制作近似真實博物館的建筑結(jié)構(gòu)，無限擴大主題場館，突破空間限制②。

1.3 降低展覽成本

借助數(shù)字交互設(shè)計中的超寫實渲染，將博物館陳列展覽的真實藏品轉(zhuǎn)化為數(shù)字數(shù)據(jù)，高度還原藏品本身材質(zhì)效果，在突破藏品展示材質(zhì)、材料、尺寸、年代等方面限制的同時，降低藏品保養(yǎng)、修復(fù)成本。

2 博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計框架

博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計是基于虛擬現(xiàn)實沉浸感與增強現(xiàn)實交互的增強交互、虛擬漫游多部分開發(fā)③。因數(shù)字交互場景非真實存在，需借助計算機構(gòu)建虛擬場景，相關(guān)場景可與感知設(shè)備相聯(lián)系，以便觀眾經(jīng)外部工具獲取場景信息。設(shè)計框架如圖1所示。

完整的博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計框架需根據(jù)空間環(huán)境交互需要，根據(jù)博物館陳列展覽專題設(shè)定場景。搭建場景后，開發(fā)觀眾多方位移動漫游模塊，包括向前移動、向后移動、向左移動、向右移動等，移動漫游模塊與鼠標(biāo)或頭盔直接相連。虛擬漫游后，觀眾可以點擊按鈕切換交互模式。在增強交互模式下，系統(tǒng)開啟攝像頭捕捉場景初始識別圖像，經(jīng)計算機視覺跟蹤注冊技術(shù)進行攝像機位置姿態(tài)數(shù)據(jù)核算，并持續(xù)將位置姿態(tài)數(shù)據(jù)傳遞給輸出渲染模塊，以便虛擬展品在真實場景內(nèi)的順利加載④。

3 博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計內(nèi)容

3.1 寬視野立體顯示

寬視野立體顯示是在透鏡陣列三維顯示基礎(chǔ)上的相應(yīng)子像素陣列設(shè)計，將多臺投影機畫面無縫智能拼接成完整、色彩一致、同步的大規(guī)模、高分辨率、寬視角顯示，顯示驅(qū)動為一套虛擬現(xiàn)實驅(qū)動系統(tǒng)，可實時顯示高性能二維/三維圖形。寬視野立體顯示裝置由一層傾斜微透鏡陣列、分布于微透鏡陣列后一層傾斜子像素陣列構(gòu)成，子像素陣列內(nèi)相鄰兩行像素之間錯位相同，水平方向上每一個傾斜微透鏡等效節(jié)寬度為2mm，子像素陣列利用RGB像素依次間隔排列，第一行像素順序循環(huán)排列紅色、綠色、藍色像素，第二行像素循環(huán)排列綠色、藍色、紅色像素，第三行像素循環(huán)排列藍色、紅色、綠色像素，有序循環(huán)。對應(yīng)32寸16K分辨率顯示設(shè)備內(nèi)每一個子像素水平寬度為0.01mm，水平方向設(shè)置200視點，視場角達到150°。此時，在相鄰子像素圖像元對應(yīng)針孔重建三維圖像后，每一個圖像元成像區(qū)域均處于最佳觀看距離位置重合，且其發(fā)出光線不會干擾與圖像元相鄰圖像元重建三維圖像，具體關(guān)系如下：

式（1）中，q為子像素圖像元寬度；i為最佳觀看距離；g為顯示屏與針孔陣列間距；p為針孔節(jié)距；w為針孔孔徑寬度。

3.2 虛擬場景跟蹤定向

3.2.1 三維定向

三維定向是博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計的重要內(nèi)容，主要是在待掃描物體周邊布置兩個掃描點，確定兩個掃描點的坐標(biāo)，在其中一點安置掃描儀，另外一點安置定向特征標(biāo)識，定向前計算定向標(biāo)識，便于定向后掃描數(shù)據(jù)處理，確定掃描主光軸水平面投影線與兩點連線之間夾角，并根據(jù)坐標(biāo)值計算兩點連線方位角，確定三維主光軸方位角。進而根據(jù)目標(biāo)物反射率，確定目標(biāo)物表面點云數(shù)據(jù)三維影像圖，影像圖中每一點灰度值均與對應(yīng)點目標(biāo)物反射率成正比⑤。在點云數(shù)據(jù)三維影像圖內(nèi)，借助反射膜規(guī)劃定向標(biāo)識，輸出環(huán)狀反射膜。在環(huán)狀反射膜內(nèi)，定向標(biāo)識中心坐標(biāo)為三維，其中Z坐標(biāo)正方向?qū)?yīng)三維掃描水平向前，定向標(biāo)識高度與三維掃描高度相同。此時，提取定向標(biāo)識表面點云數(shù)據(jù)Z坐標(biāo)，根據(jù)定向標(biāo)識中心Z坐標(biāo)平均值進行點云數(shù)據(jù)平面投影，促使三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維點云數(shù)據(jù)。在獲得二維點云數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖像處理技術(shù)擬合標(biāo)識環(huán)外緣，輸出定向標(biāo)識坐標(biāo)，為實時跟蹤提供依據(jù)。

3.2.2 實時跟蹤

實時跟蹤是基于博物館陳列展覽藏品的三維模型輪廓特征，設(shè)定目標(biāo)區(qū)域為1、背景區(qū)域為0，以投影圖像與輸入圖像之間匹配對為核心，借助定點與三角面片的數(shù)據(jù)格式，集成剛體運動的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量以及面片對應(yīng)投影區(qū)域，構(gòu)建輪廓部件模型，促使目標(biāo)三維模型的每一個定點均投影到圖像上。

依據(jù)局部輪廓辨識度進行若干局部輪廓段的分割。對于每一局部輪廓段，以相位匹配準(zhǔn)則為依據(jù)，在梯度域構(gòu)建二維－三維對應(yīng)。一般應(yīng)用3×3的Sobel算子求解二值圖像、輸入圖像對應(yīng)梯度圖，針對每一個輪廓段提前設(shè)定輪廓段對應(yīng)圖像子塊、輸入圖像待匹配子塊、梯度向量與圖像坐標(biāo)系正方向夾角、像素點梯度向量，實現(xiàn)以余弦與準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的梯度相位匹配。

確定二維、三維對應(yīng)后，借助剛體目標(biāo)各部件幾何關(guān)系，將實時輸入圖像中目標(biāo)外圍周邊梯度錯誤匹配對消除，并借助原始二值圖像子塊對應(yīng)梯度幅值進行匹配準(zhǔn)則加權(quán)，確保剛體目標(biāo)位置姿態(tài)跟蹤過程中各部件之間相對幾何位置固定。隨后以二維－三維匹配對為基礎(chǔ)，經(jīng)RPNP算法進行三維目標(biāo)物位置姿態(tài)參數(shù)的迭代求解，直至整個過程收斂，最終實現(xiàn)序列圖像目標(biāo)位置姿態(tài)的實時無漂移跟蹤。

3.3 觸覺力覺反饋

觸覺力覺反饋是借助現(xiàn)代化技術(shù)手段，將虛擬物體空間運動轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥庠O(shè)備運動，促使用戶經(jīng)特殊設(shè)備獲得真實力度感、方向感，并在人機交互界面感覺到博物館展品表面紋理，并看到藏品整體，了解藏品質(zhì)量、溫度等。其中觸覺反饋涵蓋多種觸摸反饋信息，即觀眾與博物館陳列展覽藏品“接觸”所獲得的觸摸感、振動感、壓制感、刺痛感等。作為作用于觀眾皮膚表面的力，觸摸反饋側(cè)重于觀眾微觀感覺，如對博物館陳列展覽藏品表面質(zhì)地、粗糙程度、形狀、紋理的感覺等；力學(xué)反饋主要是借助作用力和反作用力原理，在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中打造高度沉浸氛圍，多視角傳遞力度、方向信息⑥。力學(xué)反饋涵蓋全部力量反饋產(chǎn)生感知信息，主要作用于觀眾關(guān)節(jié)、肌肉、肌腱等部位，側(cè)重于觀眾宏觀整體感受，特別是觀眾手指、手臂、手腕對博物館陳列展覽藏品重量、整體形狀的感受等。

博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計中的觸覺力覺反饋設(shè)計可以基于增強現(xiàn)實的力覺反饋、運動感知為重點，將多力覺系統(tǒng)設(shè)定為骨架形式，在檢測方位的同時生成移動阻力、有效抵抗阻力。隨后收集參觀展覽過程中觀眾人體姿態(tài)、面部表情、生理指標(biāo)（血壓、呼吸、心律）、語音語調(diào)等信息并判斷觀眾情感。根據(jù)觀眾情感，借鑒TESLASUIT電觸覺反饋，恰當(dāng)連接觀眾接收觸覺、力覺反饋與基于計算機開發(fā)電子設(shè)備，并經(jīng)電流、電壓、波形、電機尺寸、水合作用等智能計算模擬展品壓力、重量等物理屬性，促進觀眾與博物館展覽空間有效情感交互，削弱人機界面感，緩解觀眾在參觀博物館陳列展覽過程中疲勞感。

3.4 三維模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建是博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計的重中之重⑦。在三維模型構(gòu)建時，可以綜合利用三維激光掃描、攝像測量技術(shù)，以HeroScan手持掃描儀與FARO大空間激光掃描儀、智圖云移動推車掃描系統(tǒng)為支撐，全面采集博物館陳列展覽產(chǎn)品的空間、影像、紋理數(shù)據(jù)，高精度永久保存展品信息，滿足觀眾近距離720°欣賞展品要求。以高淳博物館“耕讀傳家-館藏名人字畫展”“剪·彩-館藏民間藝術(shù)家傅山河剪紙作品展”數(shù)字交互展覽為例，博物館利用三維數(shù)字化技術(shù)，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)平臺CMS數(shù)字管理系統(tǒng)、數(shù)字陳列展覽系統(tǒng)編輯處理時輸入內(nèi)容，構(gòu)建館藏名人字畫、剪紙作品三維模型，并在實景內(nèi)加入快速導(dǎo)覽、全景漫游、熱點等功能，促使景觀三維模型動態(tài)化、三維化、數(shù)字化，更具觀賞性。

在單個展品三維模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，設(shè)計者可借鑒場景空間類型表述經(jīng)驗，利用單元式（或節(jié)點式）完整敘事情節(jié)空間代替線性游覽路徑，各個空間相對獨立，允許觀眾根據(jù)個人興趣選擇內(nèi)容，提升三維虛擬場景沉浸感。

4 博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計實現(xiàn)

4.1 實現(xiàn)環(huán)境

博物館陳列展覽數(shù)字交互設(shè)計實現(xiàn)環(huán)境主要是基于Windows操作系統(tǒng)，處理器為Inter（R）Core（TM）i7-10700 CPU@2.90GHz，內(nèi)存為16GB，64位操作系統(tǒng)含WDDM1.0驅(qū)動程序，硬盤空間為40GB（64位）。在顯卡為DirectX10時，利用Java語言基于Windows10開發(fā)博物館數(shù)字交互軟件。軟件引擎為Unity3D，三維模型創(chuàng)作軟件為3D Max（或Maya軟件），輸出格式為.fbx。在將三維模型輸入虛擬引擎后，綜合利用數(shù)據(jù)庫調(diào)用技術(shù)、圖片標(biāo)識技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在觀眾、展品之間搭建交互環(huán)境⑧。同時借助Java程序編譯語言設(shè)置計算機指令，滿足VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）、AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）、MR（Mixed Reality，混合現(xiàn)實）之間的切換要求，以便觀眾經(jīng)顯示終端實現(xiàn)數(shù)字交互系統(tǒng)的虛擬漫游。

4.2 實現(xiàn)功能

4.2.1 虛擬現(xiàn)實漫游

在寬視野立體顯示技術(shù)、跟蹤定向技術(shù)與觸覺和力覺反饋技術(shù)的支持下，經(jīng)語音、手柄或動作傳達指令，實現(xiàn)虛擬漫游。虛擬漫游場景模型均為3Dmax的Export Selected模式搭建模型，文物三維模型則為Maya創(chuàng)建模型，最終導(dǎo)出為.fbx格式文件在Unity平臺Assets文件夾下，調(diào)整坐標(biāo)系方位與單位比例，單位為Metres。同時借助平臺自帶Material、Shader進行三維顏色、材質(zhì)設(shè)置。完成三維模型的材質(zhì)與顏色設(shè)置后，利用Mesh Collider組件為全部墻體與地面添加碰撞屬性，避免出現(xiàn)人物角色穿透建筑物的虛假感，并從第一人稱視角加入漫游交互，滿足基于計算機命令控制手柄鍵的觀眾場景自由漫游。

4.2.2 增強現(xiàn)實交互

增強現(xiàn)實交互是真實環(huán)境疊加虛擬內(nèi)容的交互，可以再現(xiàn)鮮活歷史，滿足觀眾交互愿望⑨。增強現(xiàn)實交互實現(xiàn)的前提是注冊AR核心技術(shù)，經(jīng)AKAZE算法開發(fā)整合Vuforia SDK，對圖片、文本、物體和標(biāo)記進行識別、追蹤。同時創(chuàng)設(shè)AR Camera，采集平面圖像、展品信息，將信息上傳到Vuforia平臺與網(wǎng)絡(luò)端Database。隨后將Image Target標(biāo)識添加至圖片，經(jīng)Unity引擎Inspector窗口選項粘貼License Key并關(guān)聯(lián)其與Database內(nèi)圖片，形成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端鏈接。在Hierachy窗口Image Target下導(dǎo)入Prefabs，進行模型位置、大小、角度的調(diào)整，并借助Java語言交互預(yù)設(shè).exe格式程序至移動端，將現(xiàn)實中二維（或三維）物體設(shè)定為Marker。在觀眾選擇AR交互模塊，經(jīng)AR眼鏡（或移動智能終端）攝像頭識別Marker，并在匹配所采集信息、網(wǎng)絡(luò)Database內(nèi)圖片基礎(chǔ)上，借助Pose Estimation插件評估Marker姿態(tài)與位置。隨后將評估結(jié)果反饋至增強工作站，由增強工作站分析信息，并將Marker在現(xiàn)實場景內(nèi)中心作為原點構(gòu)建模板坐標(biāo)系，明確模板坐標(biāo)系、屏幕坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系。在坐標(biāo)系一定的情況下，設(shè)定手柄漫游功能屬性（表1），對位匹配虛擬信息、現(xiàn)實場景信息，確保虛擬物體大小、位置、運動路徑與現(xiàn)實環(huán)境完美匹配，最終在現(xiàn)實終端疊加呈現(xiàn)三維虛擬模型與真實世界。

4.2.3 混合現(xiàn)實交互

混合現(xiàn)實交互是虛擬現(xiàn)實沉浸性與增強現(xiàn)實交互性的集成，本質(zhì)上是虛擬現(xiàn)實功能與增強現(xiàn)實輸出的疊加。即在三維建模技術(shù)支持下，以虛擬數(shù)字化形式將照片整體架構(gòu)、內(nèi)部細節(jié)與現(xiàn)實世界融合，經(jīng)多傳感器融合技術(shù)進行照片細節(jié)的放大或縮小，并借助三維定向技術(shù)、實時跟蹤技術(shù)進行展品的360°展示，促使展品在真實世界活起來、展品所在場景動起來、字畫人物走出來，有效拓展現(xiàn)有博物館陳列展覽空間、展品內(nèi)涵，避免因觀眾角度、位置變化而出現(xiàn)展品形態(tài)扭曲。

在啟動MR+陳列展覽數(shù)字交互模式后，系統(tǒng)立即調(diào)用三維注冊算法，合并現(xiàn)實世界與虛擬世界信息，確保虛擬空間內(nèi)信息與真實世界同步。此時，佩戴操控手柄、HoloLens眼鏡、HTC VIVE頭顯的觀眾可在虛擬博物館視景內(nèi)以720度視角進行前后、左右方向漫游，并可借助手柄操控抓取數(shù)字展品觀看。

5 總結(jié)

綜上所述，設(shè)計人員應(yīng)立足博物館陳列展覽主題與形式，全方位考察參觀者的行為習(xí)慣、情感需求，探索多感官、立體化、多層次的數(shù)字交互框架。在框架內(nèi)，綜合利用寬視野立體顯示技術(shù)、跟蹤定向技術(shù)、三維建模技術(shù)與觸覺、力覺反饋技術(shù)，打造虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實交互場景，顛覆傳統(tǒng)博物館陳列展覽設(shè)計模式，給予觀眾更為豐富的觀展體驗，促進博物館陳列展覽信息的高效率傳播。

注釋

①鄧南茜，劉佳麗，戴婧欣，等.交互體驗設(shè)計在兒童博物館應(yīng)用效果的實證研究：以上海兒童博物館為研究對象[J].東方收藏，2022（12）：70-73.

②孟宇.淺析國內(nèi)博物館陳列展覽中交互設(shè)計的運用[J].大慶社會科學(xué)，2023（2）：114-117.

③楊雯.麗江東巴文化數(shù)字化村落博物館概念設(shè)計：以麗江大東鄉(xiāng)為例[J].中國民族美術(shù)，2022（2）：28-33.

④唐梵婷.交互設(shè)計在博物館展覽形式中的創(chuàng)新性應(yīng)用[J].收藏與投資，2022，13（6）：128-130.

⑤柴秋霞，鄧又溪，郭振.人工智能應(yīng)用趨勢下的博物館展覽交互敘事[J].博物院，2023（3）：24-29.

⑥馮祎然，霍發(fā)仁.兒童數(shù)字博物館交互界面情感化設(shè)計研究：以故宮博物院青少網(wǎng)站為例[J].設(shè)計，2023，36（11）：50-53.

⑦楊芳圓，蔡青青.基于Unity3D平臺的VR黃酒博物館漫游交互系統(tǒng)開發(fā)[J].電視技術(shù)，2022，46（8）：26-28.

⑧呂美玉，張欣羽.基于情感體驗的中國傘博物館交互設(shè)計研究[J].工業(yè)設(shè)計，2022（5）：113-115.

⑨廖瑋，辛梓綺，張恒，等.博物館數(shù)字化產(chǎn)品界面交互設(shè)計研究：以河北博物館為例[J].鞋類工藝與設(shè)計，2023，3（8）：176-178.