李文霞　司占軍　顧翀

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)將虛擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境相融合的技術(shù)，能夠呈現(xiàn)給用戶一種全新的交互模式，提高用戶對(duì)真實(shí)世界存在元素的感知能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，并開(kāi)始走進(jìn)人們的生活，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備的迅速發(fā)展為其提供了一個(gè)廣闊的舞臺(tái)。傳統(tǒng)的博物館一般展覽方式枯燥單一，展品雖多，但傳達(dá)的信息量卻很少。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)形式的博物館展覽通過(guò)藍(lán)牙定位技術(shù)進(jìn)行館內(nèi)導(dǎo)覽，針對(duì)不同類(lèi)型的展品選用二維碼標(biāo)識(shí)識(shí)別或者自然特征識(shí)別，在移動(dòng)設(shè)備上將展品或展館信息與虛擬信息進(jìn)行疊加，從而增加展覽的趣味性，使被動(dòng)式的參觀方式轉(zhuǎn)變成互動(dòng)式的參觀方式，實(shí)現(xiàn)博物館的多元化。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；藍(lán)牙定位；二維碼；自然特征

中圖分類(lèi)號(hào)：TS807 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0160-03

1 概述

博物館是人類(lèi)文化遺產(chǎn)與自然遺產(chǎn)的寶庫(kù)，無(wú)形中折射出一個(gè)國(guó)家、一個(gè)城市的文化內(nèi)涵，它提供給人的不只是一種物化的匯集與并置，同時(shí)也是一種精神性的集聚。傳統(tǒng)的博物館一般以文物、標(biāo)本為基礎(chǔ)，按一定的主題、序列組合，并以“櫥窗、實(shí)物、玻璃燈箱加說(shuō)明牌”的陳舊且死板的方式進(jìn)行展示，這樣使得可看的展品雖多，但傳達(dá)給游客的信息量卻很少，若依賴于導(dǎo)游的講解，不僅費(fèi)用高，而且被動(dòng)式的走馬觀花的游覽方式，會(huì)使得許多展品背后所蘊(yùn)藏的信息被忽略。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的生活。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支。它能通過(guò)計(jì)算機(jī)將虛擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加成一個(gè)畫(huà)面，呈現(xiàn)給用戶一種全新的交互模式，從而提高用戶對(duì)真實(shí)世界存在元素的感知能力和直觀理解。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)、醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)維修等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備的迅速發(fā)展為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了廣闊的舞臺(tái)。目前，掌上電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備都內(nèi)置了高像素的攝像頭，并集成了藍(lán)牙無(wú)線接口、無(wú)線局域網(wǎng)卡、甚至GPS定位等高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動(dòng)應(yīng)用也越來(lái)越多，使得我們的生活更豐富多彩。

綜上，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于博物館展覽中，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，將被動(dòng)式的參觀方式轉(zhuǎn)變成互動(dòng)式的多感官參觀方式，使得博物館展覽更直觀形象，充分發(fā)揮其存在的作用。

2 實(shí)驗(yàn)思路

游客在博物館中游覽遇到的兩個(gè)主要問(wèn)題是：①博物館一般都會(huì)由多個(gè)展館組成，其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)使游客找不到要去的地方，甚至不知道自己身處何處；②觀看展品時(shí)不夠深入，不能充分了解文物的價(jià)值或者自己感興趣的部分?；诖?，該文研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在博物館中的兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種是通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤手機(jī)在真實(shí)場(chǎng)景中的位置，基于移動(dòng)設(shè)備的藍(lán)牙對(duì)用戶所處的室內(nèi)位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；另一種是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的后置攝像頭對(duì)展品標(biāo)識(shí)物進(jìn)行拍攝，經(jīng)設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，包括攝像頭相對(duì)于標(biāo)識(shí)物的位置和姿態(tài)，最終獲得疊加于真實(shí)場(chǎng)景中的虛擬影像。這樣用戶不僅能夠方便的了解自己所在的位置，并且對(duì)展品有一個(gè)很清晰的認(rèn)識(shí)，甚至能夠通過(guò)在移動(dòng)設(shè)備上安裝特定的應(yīng)用軟件，通過(guò)對(duì)特定場(chǎng)景的掃描，使得在移動(dòng)設(shè)備上再現(xiàn)古跡廢墟的精美復(fù)原圖。

圖1 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架

本應(yīng)用利用Android的移動(dòng)設(shè)備作為運(yùn)行平臺(tái)，如圖1所示，為了能讓系統(tǒng)滿足多用戶同時(shí)操作，海量展品信息存儲(chǔ)的需求，該移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)形式，并由智能移動(dòng)終端平臺(tái)、高性能服務(wù)器、真實(shí)場(chǎng)景和博物館展品信息數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，主要涉及到跟蹤配準(zhǔn)技術(shù)、顯示交互技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)技術(shù)等。系統(tǒng)按功能可劃分為5個(gè)模塊：①場(chǎng)景捕獲模塊。用于對(duì)攝像機(jī)初始化進(jìn)行設(shè)置，并捕獲視頻圖像用于分析處理，讀取攝像機(jī)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)；②標(biāo)志物檢測(cè)跟蹤模塊。用于從圖像中檢測(cè)標(biāo)志物的位置和方向信息，計(jì)算出標(biāo)志物和攝像機(jī)之間的變換矩陣；③虛擬場(chǎng)景渲染模塊。對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行3D渲染，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果將渲染結(jié)果疊加到實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽圖像之上，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果；④基礎(chǔ)算法模塊。提供高性能浮點(diǎn)矢量、矩陣運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)圖像處理基礎(chǔ)算法。提供投影矩陣、模式矩陣計(jì)算等基礎(chǔ)工具；⑤應(yīng)用程序框架。該模塊和智能機(jī)操作系統(tǒng)緊密集成，負(fù)責(zé)調(diào)度功能模塊，實(shí)現(xiàn)完整的程序流程，該模塊包括并發(fā)管理、任務(wù)調(diào)度和驅(qū)動(dòng)循環(huán)。首先由移動(dòng)終端通過(guò)攝像頭的圖像采集功能捕捉到真實(shí)場(chǎng)景然后對(duì)獲取的視頻流圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)注冊(cè)與定位模塊檢測(cè)出預(yù)定標(biāo)志物的位置和姿態(tài)。再根據(jù)注冊(cè)信息獲得虛擬場(chǎng)景或者虛擬物體，利用融合渲染模塊將虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景融合，最終通過(guò)移動(dòng)設(shè)備顯示，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型的制作

首先對(duì)博物館模型和館內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行圖像采集，利用3Dsmax制作文物的三維模型，在制作的過(guò)程中，要盡可能保證模型的效果，同時(shí)，最大程度的減少模型面數(shù)、冗余量和貼圖文件的大小。利用3Dsmax建模軟件獲得三維模型的.obj文件。.obj文件是一種文本文件，能夠通過(guò)記事本直接對(duì)其進(jìn)行查看和編輯。

3.2 移動(dòng)設(shè)備的位置定位

移動(dòng)設(shè)備的定位包括GPS定位、基站定位和藍(lán)牙定位，GPS能在全球范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，一般用于戶外定位，定位精度高，但是比較耗電、數(shù)據(jù)傳輸慢，且不適用于室內(nèi)定位。而藍(lán)牙定位是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI（Received Signal Strength Indication）的短距離、低功耗的無(wú)線定位技術(shù)。該技術(shù)可以隨時(shí)隨地的用無(wú)線接口代替有線電纜連接，使用起來(lái)比較方便，具有很強(qiáng)的可移植性，能夠適用于多種通信場(chǎng)合。

藍(lán)牙定位系統(tǒng)主要由藍(lán)牙定位器、路由器和局域網(wǎng)服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)定位環(huán)境。藍(lán)牙定位系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖2所示。首先，移動(dòng)設(shè)備通過(guò)發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)到藍(lán)牙接收器中，藍(lán)牙接收器檢測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度指示，并把獲得數(shù)據(jù)通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)傳送到局域網(wǎng)上。然后，局域網(wǎng)通過(guò)對(duì)RSSI數(shù)據(jù)的分析處理計(jì)算得出用戶所處的位置數(shù)據(jù)信息，最后，將該信息反饋到用戶的移動(dòng)設(shè)備上，從而完成館內(nèi)藍(lán)牙定位。

3.3 標(biāo)識(shí)物的制作與識(shí)別

3.3.1 二維碼識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于博物館中展品有些是有實(shí)物存在的，考慮到移動(dòng)設(shè)備本身計(jì)算存儲(chǔ)能力、存儲(chǔ)能力以及圖形顯示能力尚有限，因此對(duì)于這些展品的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，只需要在展品說(shuō)明牌上貼上一個(gè)二維碼。這使得信息比較容易從圖片中檢測(cè)出來(lái)，并能為三維注冊(cè)提供可信的信息和精準(zhǔn)的位置信息。用戶通過(guò)移動(dòng)設(shè)備對(duì)該二維碼進(jìn)行掃描，獲取該展品的相應(yīng)信息，并能通過(guò)友情鏈接網(wǎng)址對(duì)相關(guān)信息由有更多的了解。

該系統(tǒng)中二維碼的生成可以通過(guò)cmbarcode等編碼包，直接生成二維碼。為了使系統(tǒng)在Android平臺(tái)的移動(dòng)設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)圖像采集，需要使用Camera類(lèi)來(lái)完成攝像頭的調(diào)用和圖像采集，首先通過(guò)Camera mCamera=Camer-a.open（）獲得Camera的實(shí)例，然后使用Camer-a.Parameters來(lái)設(shè)置獲得圖像的大小，最后通過(guò)實(shí)現(xiàn)Camera.Preview-Callback的接口onPreviewFrame（byte[]data， Camera camera）來(lái) 獲得攝像頭的圖像數(shù)據(jù)data。另外通過(guò)對(duì)攝像頭對(duì)焦來(lái)較快的獲得清晰圖像，提高辨識(shí)速度。

3.3.2 自然特征的提取

對(duì)于博物館中古跡復(fù)原的展品，文化古跡的信息通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式提供給參觀者，這種情況下，采用自然特征的方法實(shí)現(xiàn)虛擬信息的呈現(xiàn)比較適用。這樣用戶不僅可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備看到古跡的文字解說(shuō)，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構(gòu)。

近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)圖形圖像領(lǐng)域有很多優(yōu)秀的特征檢測(cè)及描述算法，該文中采用了SURF和FAST混合的特征描述方法。該特征檢測(cè)方法利用了FAST檢測(cè)的快速性和SURF算法的尺度不變性，從而滿足移動(dòng)增強(qiáng)顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、旋轉(zhuǎn)尺度不變性和抗光照影響等要求。

3.4 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景的無(wú)縫疊加，這就要求虛擬信息與真實(shí)環(huán)境在三維空間位置中進(jìn)行“配準(zhǔn)”，即跟蹤注冊(cè)。而移動(dòng)設(shè)備攝像頭與虛擬信息的位置需要相對(duì)應(yīng)，這就涉及到跟蹤技術(shù)。跟蹤注冊(cè)技術(shù)需要先由真實(shí)場(chǎng)景確定虛擬場(chǎng)景和觀察者之間的關(guān)系，再通過(guò)正確的投影將虛擬物體投影到觀察者的視域范圍內(nèi)。常用的跟蹤注冊(cè)方法有四種：基于硬件的跟蹤注冊(cè)、基于機(jī)器視覺(jué)、基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的和混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)。對(duì)于本系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)較好的效果，選擇采用了基于視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)算法。通過(guò)提取展品表面的自然特征并和參考圖像進(jìn)行匹配，求得兩幅圖像的單應(yīng)性矩陣H，進(jìn)而得出攝像機(jī)外參矩陣M。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文選擇GALAXY SIII手機(jī)，主屏尺寸：4.8英寸，1280x720；后置攝像頭像素：800萬(wàn)像素；操作系統(tǒng)：Android OS 4.0；CPU型號(hào)：三星Exynos 4412。

打開(kāi)手機(jī)的攝像頭，對(duì)準(zhǔn)博物館中已經(jīng)跟蹤注冊(cè)了的一個(gè)館內(nèi)場(chǎng)景，如圖3所示，相應(yīng)的信息就顯示在移動(dòng)設(shè)備上。根根據(jù)移動(dòng)設(shè)備上的虛擬信息，就能夠找到自己要去的地方，并能明確的知道自己所處的位置。將手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)展柜中的文物時(shí)，手機(jī)屏幕上就會(huì)顯示該展品的三維模型、相關(guān)介紹和友情鏈接。通過(guò)點(diǎn)擊相關(guān)按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位觀測(cè)。由測(cè)試結(jié)果得出，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于博物館中，其識(shí)別算法的速度和精度基本能滿足要求。

圖3 導(dǎo)航定位

5 結(jié)論

本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在博物館中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，提出了將移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于博物館中，在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

（下轉(zhuǎn)第184頁(yè)）

（上接第162頁(yè)）

中，由于移動(dòng)設(shè)備等條件的限制，跟蹤注冊(cè)技術(shù)尚不成熟，運(yùn)行比較慢，對(duì)展品的展示還不全面，但是基本能所需的功能。通過(guò)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于博物館中，從不同層面展示了博物館的人性化和現(xiàn)代化，觀眾可以與展品進(jìn)行情景交互，增加觀展趣味性的同時(shí)，更有效地傳播了信息和知識(shí)。未來(lái)博物館的發(fā)展趨勢(shì)是為無(wú)生命的東西賦予生命的色彩，很多博物館也都在朝這個(gè)方向邁進(jìn)。

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