虚拟现实技术在博物馆展览展示中应用的思考——以铜绿山古铜矿遗址为例

湖北美术学院 | 王诚 武汉科技大学 | 李琳 黄石市群众艺术馆 | 王晓愚

展览展示设计是一项复杂的综合性工作，包括设计创意美学、建筑、材料、声光电、现代科技等诸方面。展览展示设计最基本的是以完美的艺术呈现开始，达到内容与形式尽可能完美的统一，即创意设计。展览展示设计的风格与形式，直接决定观众能否在最大范围、最美感受中体验展示效果。传统展览展示方式多采用展位搭建，展版图文，灯光照明等形式。目前，绝大多数的展览馆、博物馆中仍以文字、图片、语音导览、视频播放、实物陈列及搭建模型等形式展示，这些静态化的展示手段由于缺乏与展品的交互，很难调动参观者的兴趣，给予参观者一种被动的感受。随着科技前进的步伐，传统展览展示形式所具有的信息传达局限性、信息接受被动性、缺乏互动性体验、缺乏可持续性发展等不足日趋显现，虚拟现实技术的兴起为展览展示领域的数字化转化和开发提供了新的路径。虚拟现实技术以其独特的优势应用到展示设计领域中，为文化艺术的传播，为精神文明建设，以及丰富人民群众的精神文化需求，提供了新的发展态势，不仅充满活力，而且必将具有无限的生命力。

一、虚拟现实技术在展览展示中的应用

随着现代科技的发展，数字创意和新媒体技术全面介入到展览展示领域，特别是时下迅猛发展的虚拟现实技术，以其强劲的当代前沿科技，独特的优势和广泛的使用场景再现，使展览展示设计有了新的突破和广阔的想象空间。虚拟现实技术在展览展示中的应用，包括使用计算机模拟生成虚拟的环境，并通过传感设备将观众带入到虚拟环境中，实现在同一画面中实时呈现真实场景与虚拟物体相互叠加的效果，进而与现实世界进行交互。

从源自宋代工笔花鸟画制作的动画片《美丽的森林》角逐奥斯卡到展现千年敦煌艺术的大型互动应用《VR 敦煌》（如图1），再到“万物有灵——清华大学文化遗产保护与创新研究成果展”，虚拟现实技术在文物遗产和非物质文化遗产的展览展示的演进中不断发展。2018 年5 月《清明上河图3.0》在故宫展演，使观众穿越在现实与梦幻之中，展演由3 个展厅与1 个宋代文人空间组成，融合8K 高清屏拼接显示技术，4D 球幕影院等多种高科技互动艺术，构建出真人与虚拟的交织，令观众获得沉浸式体验。2018 年9 月，清华大学美术学院举办了“万物有灵——清华大学文化遗产保护与创新研究成果展”，展览共分六大展区，分别是紫禁威仪展区、先贤圣迹展区、宝相霓裳展区、邑巷人家展区、皇苑林泉展区、传艺承明展区，大量的新媒体技术手段被应用于各个主题展区。图2 为利用虚拟现实技术三维数字重建的“圆明园”。图3 为基于墙上投影互动技术开发的“骷髅幻戏图”，观众轻松地滑动一下投影中的“金丝线”，就可以让小骷髅悬丝律动。这些全新的展示方式给观众带来了前所未有的观展体验。由此可见，传统语音导览、手机App 扫码讲解、二维动画显示、视频播放以及电子展示仪器等都是现代展览展示的数字化的初级阶段，而新的数码体验展馆才能达到人与历史的交互式、沉浸式体验为首选的目的。

图1 《VR敦煌》互动体验

图2 三维数字重建的“圆明园”

图3 互动投影“骷髅幻戏图”

如何使用计算机专用软件整合图像、配置音效、制作特效、识别物体、融入现实场景、实现交互是设计者面临的难题。反之，如果能将虚拟现实技术的应用驾驭得手，自然既能表现展览展示的主题及故事，又能最大限度地使观众沉浸在艺术的感染，感官愉悦，感知教育，接受知识。显然，近10 年数字技术引发的变革对传统展览展示方式已产生根本性颠覆。

二、铜绿山古铜矿遗址博物馆数字化改造

国务院《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确指出应依托先进数字技术，推动实施文化创意产品扶持计划和“互联网+”，促进优秀文化资源创造性转化。具体任务就是鼓励对艺术品、文物、非物质文化遗产等文化资源进行数字化转化和开发，依托地方特色文化，创造具有鲜明区域特点和民族特色的数字创意内容产品，加强现代设计与传统工艺对接，促进融合创新，提高图书馆、美术馆、文化馆、体验馆数字化、智能化水平，加强智慧博物馆和智慧文化遗产地建设，创新交互体验应用。

以铜绿山古铜矿遗址、大冶铁矿东露天采场、汉冶萍煤铁厂矿旧址和华新水泥厂旧址为代表的黄石矿冶工业遗址群，完整地展现了古代劳动人民以矿石开采和冶炼制造为核心的矿业文明发展进程，其代表性、系统性和完整性都是相当罕见的。国家文物局原局长、时任故宫博物院院长的单霁翔先生在黄石考察特别指出：“单独看黄石的铜、铁、水泥等遗产，不乏其物，但集中于17 平方公里的区域密集整体呈现，全国唯一。” 2012 年12 月，黄石矿业工业遗产于入围中国世界文化遗产预备名单，这也是目前我国唯一列入该名单的工业遗产。

以上述4 个工矿博物馆中，年代最久，开放最早，影响最大的铜绿山古铜矿遗址博物馆为例，结合现在“互联网+ 文博旅游”的新路径，用虚拟现实技术进行新的文化创意，不仅开拓了现代的数字化展示理念，改变了传统工矿遗产的展示面貌，而且对将来联合申遗取得成功有着重要的现实意义。

1.展示背景

黄石作为中国古代青铜文化的重要发祥地，历史悠久。在殷商时期，铜绿山就已经开矿炼铜，历经三千余年岁月沧桑，炉火仍然生生不息。作为中国第一座展现古代矿冶科技发展史的专门性博物馆，铜绿山古铜矿博物馆是全国重点文物保护单位，也是我国继半坡遗址、秦始皇兵马俑后的第3 座历史遗址博物馆。展览馆于1984 年开馆，展厅全长36 米，宽度30 米，高度14 米。考古发掘现场近400 平米，其中，平巷66 条，竖井70 个，盲井斜井各一个，全部采用春秋时期木质榫接方框支架维护，纵横交错，层层迭压。现主要展示方式有：出土文物、矿石标本、图版、模型、部分声光电系统、幻影成像装置，反映了遗址的地质地貌、挖掘经过、采矿冶炼等状况。展厅外东南方向深约20 米的地下，还保留有西周至春秋时期的采矿遗存，其面积约2000 平方米。

让展厅里表面看来“一堆烂泥巴和烂木头”的古矿冶遗址（如图4）活起来，让如同迷宫一样的地下多层巷道再现在人们眼前，并让人们走进巷道，实现3000 年的时空穿越，通过身体力行，手眼感知，多感官愉悦，感受3000 年的神秘而灿烂的中国古代文明。采用虚拟现实技术的数字体验馆可以通过整合博物馆展厅及展品，建成以数字化、智能化、互动化的模式进行展示的多功能共享性鉴赏互动厅。

2.博物馆数字化改造规划

在具体应用层面上，虚拟现实技术涉及众多技术和输入输出设备。就AR 显示设备而言，可分为头戴式、手持式和空间式3 种。头戴式显示设备（如AR 眼镜、AR 头盔）目前还存在重量大、舒适性差、续航时间短、价格高昂等缺点。手持式显示设备利用手持式移动终端（如智能手机、平板电脑等）的显示屏幕作为AR 图像的显示媒介，具有价格低廉、普及率高等优点。空间式显示设备（如CAVE 投影系统）其体积较大，只能应用在固定的显示领域，缺乏沉浸式体验，但可以同时为一群人提供增强现实信息[1]。对于博物馆这种需要对大量用户展示的应用场景，可以采用手持式显示设备的增强现实方案。价格高昂且只能同时供少数用户使用的头戴式显示设备可用于博物馆后期的商业开发领域。此外，对于模拟场景的构建可采用三维扫描结合三维建模软件完成，而与参观者的交互可通过体感设备结合空间式显示设备的方式实现。

铜绿山古矿博物馆中现有的出土文物、矿石标本以及古矿冶遗址本身具有真实性、唯一性的特点，这些是虚拟现实技术无法替代的。但是从促进文物数字化转化，提升参观者的兴趣，推动文化遗产传播的角度出发，利用虚拟现实技术对博物馆现有展览展示方式进行合理改造是十分必要的。具体数字化改造规划如下：

（1）构建古矿三维模型

考古发掘现场处于技术原因和对遗址的保护，仅仅只发掘了一部分，绝大部分的采矿遗址还埋藏在地下。虚拟现实技术（VR）可以对现有发掘现场遗址按空间比例，巷道结构，横竖井，多层巷道的真实遗存进行高清三维数据扫描。利用三维扫描数据结合考古研究成果使用三维建模软件可模拟出绝大部分的古矿三维模型，这既可以帮助考古工作者复原铜绿山古矿的原貌，也利于参观者更全面的了解铜绿山古矿。

（2）古矿石数字化呈现

随着移动互联网的迅猛发展，基于移动终端设备的增强现实技术互动展示方式优势不断凸显，在众多博物馆互动体验和创新发展中得到广泛应用。[2]如今智能手机相当普及，通过针对博物馆矿石、工艺品等具体展品开发增强现实App，参观者只需要下载安装App 就可以通过自己的智能手机，平板电脑看到“活”的展品。通过手机和平板电脑的操控与展品交互，实现从多个不同角度甚至是矿石内部进行深入观察。依托手持式显示设备进行古矿石数字化改造，一方面，加入了参观者与展品的交互，可以增加博物馆的趣味性，提高参观者的用户体验；另一方面，由于增强现实借助参观者自带的智能设备，展馆只需要投入软件开发维护成本，省去了大量昂贵的硬件投入与维护，可以有效降低硬件改造升级的人力物力财力。

（3）采矿冶炼互动投影

图4 铜绿山古铜矿遗址

以雕塑方式构建采矿冶炼模拟场景只能静态的展示古人采矿冶炼的景象，置身于这样的展厅，没有专业知识的参观者很难感受到古人开采矿产的艰辛过程以及大兴炉冶的宏伟场景。采用播放科普视频的方式可以在一定程度上解决静态展示固有的缺点，但是也存在单纯视频播放缺乏与参观者交互的问题。

互动投影对动态且有趣的交互体验设计有着良好的承载能力，作为一种投入较低的虚拟现实技术被广泛应用于产品广告、数字娱乐、建筑展示、教育甚至医疗等多个领域。[3]在采矿冶炼模拟场景中使用互动投影可使过去原本被动式的接收信息变为了主动性的参与，大大加强了体验感和参与兴趣。其同时支持多人多点，无先后的互动模式也非常适合博物馆这类多用户同时参与互动的应用场景。因此，可使观众的参观体验得到质的提升。

3. 博物馆后期商业开发

博物馆通过数字化改造在满足对古矿遗址展示和文化遗产传播的基本功能的同时，可用适当考虑建设数字体验馆进一步满足参观者沉浸式、交互式的体验需求。在数字体验馆可以引入球幕系统、CAVE 虚拟现实显示系统、环幕投影系统、数据手套、虚拟现实头盔等虚拟现实系统和硬件设备，让人们在不同场景得到不同层次的多维交互式文化旅游体验。

后期商业开发构想具体为：①设置“巷道探秘”CAVE虚拟现实体验区，使参观者完全沉浸于一个被立体投影画面所包围的大型虚拟仿真环境中，通过佩戴数据手套或位置跟踪器等虚拟现实交互硬件，得到一种身临其境的三维立体视听影像和交互感受。②“穿越千年”环幕影院区设计，可用环幕投影系统再现3000 年前采矿冶炼和先民的生活场景，参观者在此能古今穿越，全方位感受沉浸式虚拟体验。③设置“矿产博览”互动体验区，参观者可以头戴虚拟现实头盔利用数据手套体验采集矿石的过程，并能获得手持各种奇异的矿石晶体任意角度欣赏的感受。

三、结语

作为新兴“融媒”、“浸媒”的典型代表，虚拟现实在各个层面的维度上相对于传统的传播媒介具有自身的独特优势，但运用虚拟现实技术时应充分考虑对厚重文化的敬仰，对历史人物的尊重，对文物的尊重。将先进虚拟现实技术带入博物馆、展览馆不能仅仅只是供游人娱乐，而应本着寓教于乐的目的，处理好参观者与展品之间的关系，从而使先进的技术手段更好的为艺术品、文物、非物质文化遗产等文化资源的传播服务。

展览展示设计通过虚拟现实技术得到丰富，具有广泛的应用前景。随着国力的不断增强，人民文化修养的不断提高，将会有更多数字化博物馆、展览馆出现。而面对虚拟现实产品的高投入要制订合理的发展计划，用最适合的虚拟现实创意精品高水平、高质量地回馈社会和人民。