数字科技馆中混合现实技术的应用

尹火娇

（广东科学中心，广东　广州　510006）



数字科技馆中混合现实技术的应用

尹火娇

（广东科学中心，广东广州510006）

摘要：我国不断加快数字化科技馆的建设，以此保证我国科普教育工作的稳定发展。在数字科技馆的建设过程中，混合现实技术的应用将会进一步促进我国数字科技馆的发展。可是从目前我国数字科技馆的发展形势来看，混合现实技术的普及程度偏低。基于此，文章通过对现实混合技术的涵义、特点及系统构成进行阐述，结合混合现实技术在数字科技馆中的实际应用情况进行了分析，提出了几点完善建议。

关键词：数字科技馆；混合现实技术；应用

近几年，在我国提倡的科教兴国战略方针中，以提升民众的科学文化素养为根本，将科普知识推广到千家万户。在科学技术不断发展的新局势下，新知识的发现层出不穷，如今仅依靠简单的科普推广手段很难对民众实现新知识的普及。因此科普推广工作需要进行改革，科普推广形式需要进行创新。基于此，混合现实技术的提出很大程度的满足民众对新知识的认识。在科普知识的推广过程中，合理使用混合现实技术不但能让广大民众切身感受到新知识，而且还能提升民众的认知能力。因此这也和“既方便学习新知识，又能切身体验”的数字科技馆建设理念相吻合。

1　混合现实技术概述

1.1混合现实技术的涵义

所谓的混合现实技术是根据虚拟现实和增强现实演变而来的，它们技术特征之间存在着一定的联系。美国多伦多大学工程学院的Paul Milgram教授对混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）是这样解释的：混合现实技术就是将我们的真实环境和虚拟环境共同呈现在一个画面中。除此之外，他还对“真实--虚拟连续集”（reality-virtuality continuum）进行了定义，把真实环境和虚拟环境看做两个极点，然后再和轴线中间的增强现实（也叫作扩展现实）与增强虚拟组成一个体系，这个体系就叫做混合现实体系。但是混合现实能够满足虚拟连续极值中的每一部分。换种角度来看，混合现实技术可以推动现实环境和媒体之间的发展。有些人一直认为混合现实和增强现实是一个意思，然而并非如此，对于增强现实来讲只是注重虚拟技术服务的真实性。相对来说，在混合现实中的现实环境与虚拟环境拥有相同的地位，不论是把现实环境引入到虚拟环境中，还是将虚拟环境引入到真实环境中，这些操作都是正确的。除此之外，混合现实所采用的系统还能有效解决虚拟物体和现实物体之间的矛盾关系。

1.2混合现实技术的特点

（1）真实性：在传统的虚拟现实展示技术中，混合现实技术的特点就是具有一定的仿真性、真实感及身临其境的现场感。对于虚拟现实而言，它只能依靠电脑来营造出一个虚拟环境，但是混合现实技术可以有效的将虚拟环境和真实环境融合在一起，从而致使民众切身感受到不一样的环境，从中也能让民众获得不一样的感官刺激。

（2）构想性：构想性在混合现实技术中“不但能够营造出一个逼真的环境，而且还能根据人们的想象力建立起一个不现实或者绝不会发生的虚拟环境”。这种技术的使用范围极其宽广，在科学技术不断发展的今天，随着多媒体技术的不断创新，计算机技术的不断发展，现实混合技术也随之演变出多种技术手段。把目前仅有增强现实、虚拟现实等技术取长补短相互融合在一起，就可以创新出新的混合现实技术手段。先进的科学技术也给混合现实技术的创新奠定了一定的基础。

（3）实时互动性：混合现实技术把以往的虚拟现实展示手段和过去的实物展示技术融合在一起，就好比在计算机虚拟环境和现实环境之间建立起了一条纽带，从而使得广大消费者行走于虚拟与现实环境中间。这样以来可以优化以往的静态展示的信息传递的单一性，使得人们的信息交流更加的灵活自由。

2　混合现实系统的基本构成

混合现实技术是从虚拟现实的层面上演变而来的，其各种硬件部分和虚拟现实技术中的硬件如出一辙，它们之间存在一定的共性。混合现实体系是利用计算机构建起各种虚拟的东西、文字及图片等信息，随后再将这些信息引用到消费者能看到的现实物体之上。这样以来就能为消费者提供诸多与现实环境相关的信息资料，从而提升了消费者对现实环境的认知度，这个过程的关键点在于显示与相关的注册流程。所以说，头戴显示仪（vr）及方位追踪设备都是这种混合现实系统不可或缺的硬件设备。

每个混合现实系统的硬件设施分别是虚拟场景生成器、头戴显示仪、作用于消费者观察视线的头部调整设备、虚拟环境和真实环境所具有的定位装置及交互装置。虚拟环境的生成设备主要任务是虚拟环境的建模、管理、构建及其余硬件设施管理；头部姿态调整设备主要是跟踪用户的视线，从而保证消费者的视线观察坐标和虚拟环境坐标相互对应；交互设施主要是消费者的感官度及环境改变进行调控的指令输出输入端，上面所讲的几个功能和虚拟现实系统中的对应部分一致。

混合实现系统里的显示装置一般使用头戴显示仪（HMD）。一般头戴显示仪（HMD）分为两种类别，其中一种是透光式HMD（Optical see-through），另一种是影像式HMD （Video see-through）。一般情况下用户在使用透光式HMD时，只能看到现实环境，电脑只是把将要呈现的场景在整个显示仪上表现出来。而对于影像式的HMD来讲，用户使用它不能看到现实中的环境，HMD中的摄像头将现实中的环境采集之后，再与电脑中的虚拟影像相互结合之后呈现给用户。它与普通的虚拟现实系统属于同一类别，其系统的图像处理设备在整个AR系统中发挥着重要的作用。其图像处理设备不仅包括几百美元的3D图形加速卡，而且也涵盖了价值十几万美元的专用图形工作站。除此之外，混合现实系统中的硬件设施还有人机交互装置，例如数据手套、6D鼠标器、跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成装置等，这些设备的种类非常多，其作用也不同。

3　现实混合技术在数字科技馆应用

3.1应用实例

3.1.1三维地图展项的应用

科技馆中的三维地图主要利用了地理信息系统、数据库管理、虚拟现实等技术，就可以方便快捷的找到参观者要找的地方了。首先从外太空开始，呈现在眼前的是一个转动的地球，参观者可以通过一只手指在触摸屏上通过移动来转动观看地球的全貌。接着，还可以点击羊城图标，就可以看到广州市的全貌了。在这里，参观者可以观摩广州城市的风光，也同样可以通过一只手指移动屏幕来寻找我们自己的家园。看完了广州市的全局风光，还可以通过下面的景点图标，观看到广州的北京路、白云山麓湖、陈家祠、白鹅潭等各个著名景点。

3.1.2模拟飞行展项的应用

模拟飞行展项由仿真计算机、视景系统、音响系统、运动系统、操作负载系统等组成。仿真计算机解算描述机载系统特性和飞行动力学的数学模型，视景系统应用计算机图像实时生成技术，产生座舱外的景象，包括建筑物、机场与跑道、道路、灯光、田野、河流、地形地貌等，视景系统可以模拟雨、雪、云、雾、能见度等气象条件，以及白天、夜间的景象，使体验者有身临其境的感觉。运动系统给体验者提供加速、过载等感觉。音响系统模拟发动机噪声、气流噪声等音响效果。模拟座舱具有与真实飞机座舱一样的布局，其中仪表显示系统实时显示飞机的各种飞行参数和机载系统的运行状态。体验者在模拟座舱内根据窗外景象信息、舱内仪表显示信息，通过驾驶杆、舵对飞机进行操纵，操纵量经过转换输入仿真计算机，解算飞行动力学数学模型，获得相应的飞行速度、飞行高度等飞行参数，更新窗外视景和仪表显示，给体验者带来真实一样的感受。

3.1.3数字剧场中的应用

这个剧场包含互动游戏和数字影片2个部分。参观者首先看到的在地上缓慢移动的原生态机械虫就是属于互动游戏部分。每一只机械虫代表着一种数字家庭相关的技术或产品。当参观者踩到飘移的机械虫时，它就会显示它代表的技术名称，并以光波的形式快速向墙面移动，逐渐显现出数字城市概念的图形。当4面墙的图形完成时系统便自动进入下一精彩阶段——数字影片的播放。第二部分的数字影片以剧场墙面作为投影面进行影片的播放，配合天花悬吊反光板反射效果给予观众沉浸感和强烈的视觉冲击。籍此以一种全新的方式向您讲述了什么是数字家庭、为什么要建立数字化家庭、数字化家庭对人类生活的影响、数字化生活包含哪些内容以及数字化手段在目前生活中的应用。由此可见，混合现实技术中包含了计算机图形技术、仿真技术、建模技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机技术、传感器技术等，“虚拟漫游”将有效的把混合现实技术带到了科普展示中，以此推动了高科技科普场馆技术的发展。

3.2应用完善

（1）如果要向参观者介绍混合技术，那么就需要建立起一个主题展览，其主要为参观者介绍这种技术的发展过程、原理及使用形式，以此让参观者更直接的了解到先进的科学技术。除此之外，参观者还能对现实混合技术产生无限的遐想，以此使得混合技术不断创新更好的服务于广大民众。如果把现实混合技术当做一种辅助方式，那么将会提高信息的完整度，参观者不光重视展品还将会被现实混合技术所吸引。基于此，在制定展项时首先要判断能否应用现实混合技术，该技术使用之后会对民众带来什么影响。（2）例如有些展项需要将虚拟图形与标识物品融合在一起，如果把虚拟物品和其他真实物体相互结合，由于其物品真实存在，虚实相互结合，这样将会产生不一样的效果。一般这里有两个问题值得重视，其一标识物体要与真实物体叠加，或者标识物用真实物体替代；其二虚拟物体与现实环境要有效结合，给观众营造出一种逼真的画面感。（3）有效使用现实混合技术可视化这一特征，营造出空间学习氛围，使用三维视图来吸引参观者的眼球。比如，某一学者发明出了一个能够提升学生基础化学的增强现实设备，称作“增强化学反应”，主要是对化学中的分子及分子反应进行建模。这就是一个典型的现实混合技术应用的案例，把比较抽象且难以描述的分子形象的展示给学生。这和真实分子之间存在着一定的区别，其中最大的优点就是不会损坏创造空间。这种虚拟的立体式物品与现实环境相互融合，当学生融入到这种学习环境中，就会产生极大的兴趣。同时对某一知识领域有一个系统性的学习，进而提升学生的学习效率。

4　结语

从当前的发展形势来看，现实混合技术的发展程度与现实混合技术的科普推广的效果，直接影响用户的体验感受。由于现实混合技术的管理系统建立在云端架构，其内容的更新速度极快，这样以来更加方便民众学习新的知识。现实混合技术内容管理系统主要包括传统出版物、PC、移动终端、智能电视等，这些都是互联网的进入端。这样可以建造起一个全新的数字化科技馆，使用先进的科普方式对科普知识、科学精神及科学方法进行推广普及。

［参考文献］

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［2］李子旸.互动媒体技术在儿童教育中的应用——以法国科技节增强现实交互设计为例［J］.艺术科技，2013（10）：381-382.

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［4］廖夏妍.科技人文的设计融合--之科技馆中的人机交互设计应用［C］//中国创意设计年鉴论文集2012.重庆：重庆大学出版社，2013.

The Application of Mixed Reality Technology in Digital Science and Technology Museum

Yin Huojiao
(Guangdong Science Center, Guangzhou510006, China)

Abstract：China is accelerating the construction of the digital science and technology museum, to ensure the steady development of our country science education work.In the process of digital science and technology museum construction, the application of mixed reality technology will further promote the development of Chinese digital science and technology museum. But from the current our country the development situation of digital science and technology museum, the popularity of mixed reality technology level is low. Based on this, through to the real meaning of hybrid technology, elaborates the characteristics and system structure, combined with the application of mixed reality technology in the digital science and technology museum was analyzed, and puts forward some perfecting Suggestions.

Key words：digital science and technology museum; mixed reality technology; application

作者简介：尹火娇（1982-），女，广东韶关。