从增强现实/虚拟现实的技术特征设计科技馆的创新应用

周荣庭 王懂 韩飞飞

摘 要 增强现实和虚拟现实是基于计算机图形、多媒体和多传感器的计算机高级人机界面技术。增强现实和虚拟现实因其与生俱来的多感知性、沉浸感、交互性和构想性的四大技术特征，一直为人们所关注。近年来，随着信息技术的不断进步，增强现实和虚拟现实得到了快速发展，在娱乐、教育、医疗、艺术、商业和制造业等领域占据了越来越重要的位置。通过分析增强现实和虚拟现实在国内外的研究现状，从二者的技术特征出发设计了其在科技馆教育传播中的创新应用，并给出了相关的可行性建议。

关键词 虚拟现实 增强现实 技术特征 科技馆

1 增强现实/虚拟现实的研究现状

增强现实是将计算机、传感器等设备产生的虚拟视觉、听觉、触觉等多感知信息叠加到用户所在的真实环境中，以实现真实物体和虚拟物体实时交互并共存于同一空间的技术。虚拟现实则是以计算机技术为核心，集合逼真的视觉、听觉、触觉等多感知信息建构出虚拟环境的技术。

增强现实技术源于20世纪60年代，但在20世纪90年代才真正起步[1]，前期的研究活动主要集中在高等院校。长期以来，增强现实在业界基本作为一个概念存在，几乎没有任何实质性进展。而虚拟现实技术则难度较低，现已在军事、医疗、游戏等一些领域独领风骚。近年来，随着微软、谷歌、苹果等多家科技巨头大举进入虚拟现实的硬件制造以及相关配套行业，Google Glass、Samsung Gear VR、Oculus Rift和HCT Vive等数款虚拟现实的终端产品相继上市。

当前，增强现实/虚拟现实技术的研究主要由高科技公司承担，涉及软硬件和内容制作等。虽然近几年虚拟现实的势头似乎比增强现实更盛，但从长远来看增强现实的未来前景却更好。不过与行业预期水平相比，增强现实应用尚有许多技术瓶颈亟待突破。

国内增强现实/虚拟现实技术研究的起步较晚，但随着该领域的持续升温，包括腾讯、阿里巴巴和百度在内的互联网公司纷纷加大研发投入，此外也不乏一些创业公司的跃跃欲试。然而，从技术上来说，国内在研发方面与国外仍然存在较大的差距。

2016年是增强现实/虚拟现实技术爆发的元年，这个产业在大量资本的刺激下获得了快速发展，吸引了各行各业的跟进，科技馆行业就是其中之一。目前，国内已有部分科技馆设置了增强现实/虚拟现实的体验项目，并且还有一批科技馆正在计划建设相关展项，但总体上此项技术在科技馆中的普及率偏低。同时，由于增强现实/虚拟现实的内容来源有限、资金支持不足和政策环境限制等因素，表现出了应用不成熟、动态跟踪乏力、展示设计不合理和参观体验欠佳等问题。

2 增强现实/虚拟现实的技术特征

增强现实和虚拟现实都是建立在人机交互界面、多媒体技术和多传感器系统等计算机技术的基础上，二者共享大部分技术特征。事实上，增强现实技术就是在虚拟现实技术的基础上发展起来的。

2.1 共性

（1）沉浸感

沉浸感是指用户在增强现实/虚拟现实设备构建的虚拟空间中获得的身临其境的体验，而沉浸感程度的差异正是虚拟现实有别于增强现实的突出特征之一。虚拟现实所呈现的完全虚拟的环境具有很强的沉浸感，它切断了用户与真实世界之间的所有联系，令人难以分辨自己到底身处何处。

英国自然历史博物馆将Alchemy VR公司制作的虚拟现实纪录片《生命之初》（First Life）融入到科普展览中，因其卓越的沉浸感而广受好评。观众可以使用三星公司生产的虚拟现实设备Gear VR，近距离探索古生物的奥秘，“整个虚拟环境逼真得让人恐惧”。

（2）交互性

交互性是指用户可以通过传感器与计算机构建的虚拟环境中的物体进行互动的特性。交互性将体验者本人变成虚拟环境中的一部分，而不只是虚拟环境的观察者，这在很大程度上提升了增强现实/虚拟现实的沉浸感。

当下的交互式设备大多以虚拟现实游戏为主要内容。以北京的陨石VR体验馆为例，该馆提供了由美国VR Studios研发的VRCADE套件，包含一个无线传输视频画面的头盔顯示器、一个手枪形状的控制器以及由六个摄像头组成的追踪系统。这套系统能够通过传感器捕捉枪形控制器的位置与动作，比如倾斜、转动等。不同于一些简单的输入设备，在这个游戏中用户需要像使用真枪那样进行瞄准才能射击，这极大提高了用户与虚拟环境的融合程度。

（3）构想性

构想性是指增强现实/虚拟现实所构建的陌生环境可以激发用户产生联想和想象的特性，有助于用户深化概念理解，获取新的知识，进而启发用户的创造性思维。

例如，大英博物馆的“青铜时代”展项借助虚拟现实设备Gear VR为观众呈现了数千年前的文物藏品以及生活场景。观众可通过虚拟现实技术参与祭祀仪式，了解当时的社会形态。这个展项并非独立展示，后期大英博物馆还会将其整合到博物馆的教育计划中，形成基于虚拟现实技术的完整教育系统。

（4）多感知性

多感知性是指用户与虚拟环境中的物体进行交互的途径可以通过多种感官实现的特性。交互的感官不止于视觉和听觉，还包括味觉、嗅觉、触觉等。

由于早期增强现实/虚拟现实的技术水平较低，用户与虚拟环境的交互仅限于视觉和听觉两种感官体验，单调的声光世界以及笨重的穿戴式设备使得沉浸感大打折扣。随着传感器技术的快速发展，简单的触觉、力量感知、运动感知和温度感知等知觉体验得以实现，原先作为沉浸感组成部分之一的多感知性特征逐渐凸显。

2.2 区别

增强现实和虚拟现实共享以上四个技术特征，却又各有侧重。虚拟现实是对真实环境的完全虚拟，侧重于体验过程中的沉浸感。用户的感官与其周围环境是完全隔离的，这样才能最大程度上发挥沉浸感。而增强现实则是将计算机设备生成的虚拟信息实时实地添加到真实环境或替换真实环境，从而实现对现实的“增强”。

增强现实独有的技术特征是虚实结合与三维注册[2]。虚实结合指的是增强现实技术将虚拟信息与真实世界同时显示并相互融合成统一的画面，实现对真实环境信息的补充、叠加。三维注册指的是要实现增强现实就必须对真实环境进行识别和标定，依靠摄像设备的实时跟踪，得到影像位置的实时信息，并通过计算机高速运算，将虚拟物体正确叠加到相应位置，实现虚拟物体与真实世界的自然融合。三维注册是增强现实的基础，没有它就无法得到虚实结合的效果，也就无法完成实时交互的操作。

如图1所示，多伦多大学的保罗·米尔格拉姆（Paul Milgram）教授指出增强现实是对真实环境的“增强”，计算机生成的信息可以加强用户对真实环境的理解；而虚拟现实是对真实环境的“隐藏”，用户完全沉浸在虚拟的世界中；处于真实环境和虚拟环境之间的部分则被定义为混合现实[3]。混合现实是融合了增强现实和虚拟现实优势的综合体，也是这两项技术发展的新方向[4]。

与虚拟现实将真实环境完全用虚拟环境代替不同，增强现实呈现的视觉信息中包括了部分真实环境。因此，增强现实所呈现的虚拟图像信息必须准确地与现实世界融合，才能实现对真实环境信息的补充、叠加。叠加的虚拟图像需要利用实时定位技术覆盖到现实环境中特定的三维空间，从而实现虚拟物体对真实物体的替换。比如，雅典卫城博物馆运用增强现实技术对一批建筑和雕塑进行了数字化升级。观众使用增强现实设备进行观察时，可以自动还原文物的初始颜色或添加遗失的部件。这使得断裂的柱子被虚拟图像“替代”，建筑物恢复了往日的形貌；雕塑表面因岁月洗礼而留下的侵蚀痕迹，也被虚拟色彩所遮盖。

3 增强现实/虚拟现实在科技馆中的创新应用

科技馆教育是一种基于开放理念的先进教育方式，它强调的是自由选择和自主学习[5]。增强现实/虚拟现实所具有的沉浸感、交互性、构想性和多感知性等技术特征与科技馆的教育理念非常契合，在以陈列展览、仿真实验和技能培训为主要形式的教育活动中尤甚。因此，把握增强现实/虚拟现实的不同技术特征将有助于发挥科技馆的科普教育功能。不可否认，增强现实/虚拟现实的几种技术特征之间关联非常紧密，以至于无法将这些技术特征清晰地割裂开来。但落实到具体的教育活动时，则可以根据不同的目的侧重于增强现实/虚拟现实的某一技术特征。

3.1 沉浸感：增强现实/虚拟现实在展览教育中的应用

展览教育是科技馆依托陈列展示进行的教育活动中最主要的部分，其目的在于借助展项向大众普及科学。

展览教育中可以采用增强现实/虚拟现实技术构建高品质的虚拟场景，并在场景中加入需要展示的展品模型和特殊环境。观众可以通过视觉、听觉等感官来全方位学习，不需要太多的互动和想象，而是直接接受虚拟环境所呈现的信息。因此，展览教育主要对应于沉浸感这一技术特征。增强现实/虚拟现实的沉浸感对于科技馆展览教育而言，具有超媒介叙事和去中心化叙事的优势。

（1）超媒介叙事

展览教育的科普内容一方面通过图书、漫画、影视等多种媒介途径实现，另一方面又跨越了媒介界限，从增强现实/虚拟现实的角度再次呈现相同背景下的叙事结构，利用“叙事缝隙”深度挖掘科普内容，与传统媒介相辅相成，构建多元叙事载体[7]，从而达到良好的科技传播效果。

（2）去中心化叙事

增强现实/虚拟现实所呈现的科普作品与传统的科普作品有巨大的差异，集中表现在去中心化的叙事结构上。传统科普作品的镜头依照创作者的意愿集中于科普对象，视频时间轴上任意一点的画面只能呈现整体环境中的一角。而增强现实/虚拟现实技术构建的虚拟环境则是全方位充斥着整个空间，观众的四面八方都是创作者所要表现的事物，科普展品分布于整个虚拟空间而不是局限于某一方位，这样才能充分发挥增强现实/虚拟现实技术的优势。比如，虚拟现实纪录片《生命之初》使观众仿佛置身于虚拟的远古海洋中，让史前生物在观众的周围游来游去，提高了观众的沉浸感，激发了观众的探索欲望。

3.2 构想性：增强现实/虚拟现实在实验教育中的应用

實验教育是科技馆展览教育升华后的产物，通过向观众提供实验条件，帮助观众亲自实践和验证科学原理。实验教育中主要通过交互式设备实现观众与增强现实/虚拟现实技术构建的虚拟实验环境的互动，深受广大青少年的喜爱。

相较于通过沉浸感让观众大量接受外界知识而疏于实践互动的展览教育，实验教育更加强调构想性对智力的开发和创造力的激发；而相比于通过大量实践操作以获得技能的培训教育，实验教育则侧重于面向公众的启发性学习需求，其交互性要求较低。

传统的科技馆实验教育存在诸如建设和维护成本高、安全隐患多、实验种类单调、趣味性不强等缺陷。当增强现实/虚拟现实技术应用于实验教育时，就可以规避大部分既有问题。增强现实/虚拟现实的构想性特征对于科技馆实验教育而言，在加深形象化的认识和创立抽象化的世界两方面具有优势。

（1）加深形象化的认识

增强现实/虚拟现实可以通过建立虚拟环境帮助参加实验教育的观众建立对日常生活中不可能实现事物的认知，加深对一些难以理解的艰深概念和复杂过程的认识。例如，用增强现实的三维模型或虚拟现实的虚拟场景来阐释细胞内的生物反应过程。大英博物馆的“青铜时代”展项运用了虚拟现实技术帮助观众建立对无法到达的历史时期的直观认识，激发观众深入思考和想象细节。

（2）创立抽象化的世界

此外，增强现实/虚拟现实还允许观众构建现实中不存在的环境，利用天马行空的想象创立抽象化的世界。这一技术特征有利于系统思维的建立，是传统展项所无法实现的功能。

因此在采用增强现实/虚拟现实技术设计科技馆的实验教育时，应牢牢抓住构想性特征，营造新奇有趣的虚拟环境。

3.3 交互性：增强现实/虚拟现实在培训教育中的应用

培训教育作为科技馆教育中的重要一环，其主要内容是在科技馆的硬件设施和软件平台的基础上面向少数有需求的学员开展科学知识和科学技能的培训。

在增强现实/虚拟现实条件下，培训教育中的學员需要在虚拟环境里进行大量技能训练，这对交互性特征的要求很高。

虚拟环境中的培训教育不受场地和时间限制，具有高度的仿真性、安全性、超时空性和自主性。在理想状态下，其可以得到与真实环境中同样的效果，并减少培训的成本。

4 建议

4.1 结合技术特征设计

增强现实/虚拟现实在科技馆应用的关键因素是其优势性的技术特征。在设计科技馆的增强现实/虚拟现实展项时，我们要从展示目标出发，根据展览、实验、培训等教育形式所对应的沉浸感、构想性、交互性的技术特征，统筹规划和制作高品质的增强现实/虚拟现实系列科普作品；从多维度展开，深入研究相关的科普内容，力图找寻潜在的功能，形成科技馆增强现实/虚拟现实的教育展项体系，最终达到提高公众科学素养的目的。

4.2 建立合作、反馈机制

科技馆要与增强现实/虚拟现实的内容生产单位，如企业、高校、研究机构等，达成合作机制，在体现趣味性和普及性的同时，重视反映高新技术和科学前沿，找到二者的最佳平衡点。

限于高昂的制作成本，科技馆在利用增强现实/虚拟现实技术进行科普传播时，可以与同类型科技馆展开馆际合作，共同分担作品的制作费用，从而降低制作成本，获得更为丰富的展示内容。

与观众群体的互动交流也是科技馆需要关注的一个问题。来自观众的反馈信息能准确指出科技传播过程中受众的需求所在，结合社会关注的热点事件，凭借增强现实/虚拟现实生产周期短的优势，提升观众的参观积极性。

4.3 利用超媒介叙事打造新的视角体验

作为具有沉浸感、交互性、构想性和多感知性等技术特征的新媒介，增强现实/虚拟现实拥有相较传统媒介更为强大的表达能力，可以选取优秀的科普内容运用超媒介叙事手段搬到增强现实/虚拟现实的平台上，从新的视角加深公众的体验和认知。近年来，随着媒介运营的日益成熟，知识产权所起到的传播效果也逐渐得到认同。不妨借用知名的卡通形象来提升科普作品的连续性、受众参与的广泛性和体验的泛在性[8]。科技馆既可以通过创设文化形象来串联展项的逻辑模块，也可以通过多屏终端、纸介媒体等来引入科普内容，让展项跨越时空，拓宽受众掌握科学知识、科学方法，树立科学精神和科学思想的边界！

5 结语

从传统的陈列展示到增强现实/虚拟现实的高科技展示，科技馆不仅实现了科普内容的极大丰富和科普形式的深度拓展，而且实现了科普内涵的全面创新和科普效果的长足进步。随着增强现实/虚拟现实技术的不断发展，新媒体时代已经悄然拉开帷幕，未来的科技馆将是一个可以与之全方位互动的美丽新世界！

参考文献

[1]余艳红.增强现实技术的研究现状及发展趋势[J].湖南大众传媒职业技术学院学报，2016（1）：55-57.

[2]AZUMA R T. A survey of augmented reality[J]. Presence： Teleoperators and Virtual Environments， 1997（4）： 355-385.

[3]CARMIGNIANI J， FURHT B， ANISETTI M， et al. Augmented reality technologies， systems and applications[J]. Multimed Tools and Applications， 2011（1）： 341-377.

[4]尹火娇.数字科技馆中混合现实技术的应用[J].无线互联科技，2016（9）：135-138.

[5]黄体茂.现代科技馆核心教育理念与常设展览教育[J].科普研究，2012（2）：51-57.

[7]周荣庭，方可人.超媒介叙事下图书出版物创新模式研究[J].科技与出版，2015（7）：106-110.

[8]孙松，周荣庭，何同亮.超媒介叙事视角下的动漫IP出版策略研究——以奥飞娱乐为例[J].科技与出版，2016（5）：19-22