增强现实技术在博物馆中的应用研究

摘要：增强现实是一种通过计算机将虚拟数据和现实环境相融合的技术，能够呈现给用户一种全新的交互模式，提高用户对真实世界存在元素的感知能力。随着计算机技术的发展，增强现实技术成为研究热点，并开始走进人们的生活，互联网技术和移动设备的迅速发展为其提供了一个广阔的舞台。传统的博物馆一般展览方式枯燥单一，展品虽多，但传达的信息量却很少。移动增强现实形式的博物馆展览通过蓝牙定位技术进行馆内导览，针对不同类型的展品选用二维码标识识别或者自然特征识别，在移动设备上将展品或展馆信息与虚拟信息进行叠加，从而增加展览的趣味性，使被动式的参观方式转变成互动式的参观方式，实现博物馆的多元化。

关键词：增强现实技术；蓝牙定位；二维码；自然特征

中图分类号：TS807 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0160-03

1 概述

博物馆是人类文化遗产与自然遗产的宝库，无形中折射出一个国家、一个城市的文化内涵，它提供给人的不只是一种物化的汇集与并置，同时也是一种精神性的集聚。传统的博物馆一般以文物、标本为基础，按一定的主题、序列组合，并以“橱窗、实物、玻璃灯箱加说明牌”的陈旧且死板的方式进行展示，这样使得可看的展品虽多，但传达给游客的信息量却很少，若依赖于导游的讲解，不仅费用高，而且被动式的走马观花的游览方式，会使得许多展品背后所蕴藏的信息被忽略。

近年来，随着计算机和信息技术的发展，增强现实技术逐渐走进人们的生活。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是在虚拟现实技术基础上发展起来的一个分支。它能通过计算机将虚拟数据和现实环境叠加成一个画面，呈现给用户一种全新的交互模式，从而提高用户对真实世界存在元素的感知能力和直观理解。增强现实技术在文化遗产保护、医学、军事、工业维修等领域都有着广泛的应用前景。

互联网技术和移动设备的迅速发展为增强现实技术提供了广阔的舞台。目前，掌上电脑、智能手机等移动设备都内置了高像素的摄像头，并集成了蓝牙无线接口、无线局域网卡、甚至GPS定位等高速移动网络设备。基于增强现实技术的移动应用也越来越多，使得我们的生活更丰富多彩。

综上，将增强现实技术应用于博物馆展览中，采用虚实结合的方式，将被动式的参观方式转变成互动式的多感官参观方式，使得博物馆展览更直观形象，充分发挥其存在的作用。

2 实验思路

游客在博物馆中游览遇到的两个主要问题是：①博物馆一般都会由多个展馆组成，其复杂的内部结构会使游客找不到要去的地方，甚至不知道自己身处何处；②观看展品时不够深入，不能充分了解文物的价值或者自己感兴趣的部分。基于此，该文研究了增强现实技术在博物馆中的两种实现方式。一种是通过实时跟踪手机在真实场景中的位置，基于移动设备的蓝牙对用户所处的室内位置信息进行实时定位；另一种是通过移动设备的后置摄像头对展品标识物进行拍摄，经设备内部复杂的数学计算，包括摄像头相对于标识物的位置和姿态，最终获得叠加于真实场景中的虚拟影像。这样用户不仅能够方便的了解自己所在的位置，并且对展品有一个很清晰的认识，甚至能够通过在移动设备上安装特定的应用软件，通过对特定场景的扫描，使得在移动设备上再现古迹废墟的精美复原图。

图1 移动增强现实系统框架

本应用利用Android的移动设备作为运行平台，如图1所示，为了能让系统满足多用户同时操作，海量展品信息存储的需求，该移动增强现实系统采用了客户端/服务器的结构形式，并由智能移动终端平台、高性能服务器、真实场景和博物馆展品信息数据库等组成，主要涉及到跟踪配准技术、显示交互技术、无线网络技术和数据存储和访问技术等。系统按功能可划分为5个模块：①场景捕获模块。用于对摄像机初始化进行设置，并捕获视频图像用于分析处理，读取摄像机参数和标准模板库；②标志物检测跟踪模块。用于从图像中检测标志物的位置和方向信息，计算出标志物和摄像机之间的变换矩阵；③虚拟场景渲染模块。对虚拟场景进行3D渲染，并根据计算结果将渲染结果叠加到实时视频预览图像之上，实现增强现实的效果；④基础算法模块。提供高性能浮点矢量、矩阵运算，实现图像处理基础算法。提供投影矩阵、模式矩阵计算等基础工具；⑤应用程序框架。该模块和智能机操作系统紧密集成，负责调度功能模块，实现完整的程序流程，该模块包括并发管理、任务调度和驱动循环。首先由移动终端通过摄像头的图像采集功能捕捉到真实场景然后对获取的视频流图像进行实时分析，通过注册与定位模块检测出预定标志物的位置和姿态。再根据注册信息获得虚拟场景或者虚拟物体，利用融合渲染模块将虚拟场景与真实场景融合，最终通过移动设备显示，从而实现增强现实的效果。

3 关键技术

3.1 三维模型的制作

首先对博物馆模型和馆内场景进行图像采集，利用3Dsmax制作文物的三维模型，在制作的过程中，要尽可能保证模型的效果，同时，最大程度的减少模型面数、冗余量和贴图文件的大小。利用3Dsmax建模软件获得三维模型的.obj文件。.obj文件是一种文本文件，能够通过记事本直接对其进行查看和编辑。

3.2 移动设备的位置定位

移动设备的定位包括GPS定位、基站定位和蓝牙定位，GPS能在全球范围内进行实时定位，一般用于户外定位，定位精度高，但是比较耗电、数据传输慢，且不适用于室内定位。而蓝牙定位是基于接收信号强度指示RSSI（Received Signal Strength Indication）的短距离、低功耗的无线定位技术。该技术可以随时随地的用无线接口代替有线电缆连接，使用起来比较方便，具有很强的可移植性，能够适用于多种通信场合。

蓝牙定位系统主要由蓝牙定位器、路由器和局域网服务器构成一个定位环境。蓝牙定位系统的工作过程如图2所示。首先，移动设备通过发送蓝牙信号到蓝牙接收器中，蓝牙接收器检测接收信号强度指示，并把获得数据通过路由器节点传送到局域网上。然后，局域网通过对RSSI数据的分析处理计算得出用户所处的位置数据信息，最后，将该信息反馈到用户的移动设备上，从而完成馆内蓝牙定位。

3.3 标识物的制作与识别

3.3.1 二维码识别系统的实现

由于博物馆中展品有些是有实物存在的，考虑到移动设备本身计算存储能力、存储能力以及图形显示能力尚有限，因此对于这些展品的增强现实，只需要在展品说明牌上贴上一个二维码。这使得信息比较容易从图片中检测出来，并能为三维注册提供可信的信息和精准的位置信息。用户通过移动设备对该二维码进行扫描，获取该展品的相应信息，并能通过友情链接网址对相关信息由有更多的了解。

该系统中二维码的生成可以通过cmbarcode等编码包，直接生成二维码。为了使系统在Android平台的移动设备上能够实现图像采集，需要使用Camera类来完成摄像头的调用和图像采集，首先通过Camera mCamera=Camer-a.open（）获得Camera的实例，然后使用Camer-a.Parameters来设置获得图像的大小，最后通过实现Camera.Preview-Callback的接口onPreviewFrame（byte[]data， Camera camera）来 获得摄像头的图像数据data。另外通过对摄像头对焦来较快的获得清晰图像，提高辨识速度。

3.3.2 自然特征的提取

对于博物馆中古迹复原的展品，文化古迹的信息通过增强现实的方式提供给参观者，这种情况下，采用自然特征的方法实现虚拟信息的呈现比较适用。这样用户不仅可以通过移动设备看到古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。

近年来，在计算机图形图像领域有很多优秀的特征检测及描述算法，该文中采用了SURF和FAST混合的特征描述方法。该特征检测方法利用了FAST检测的快速性和SURF算法的尺度不变性，从而满足移动增强显示系统的实时性、准确性、旋转尺度不变性和抗光照影响等要求。

3.4 三维跟踪注册技术

为了实现虚拟信息和真实场景的无缝叠加，这就要求虚拟信息与真实环境在三维空间位置中进行“配准”，即跟踪注册。而移动设备摄像头与虚拟信息的位置需要相对应，这就涉及到跟踪技术。跟踪注册技术需要先由真实场景确定虚拟场景和观察者之间的关系，再通过正确的投影将虚拟物体投影到观察者的视域范围内。常用的跟踪注册方法有四种：基于硬件的跟踪注册、基于机器视觉、基于无线网络的和混合跟踪注册技术。对于本系统，为了实现较好的效果，选择采用了基于视觉的跟踪注册算法。通过提取展品表面的自然特征并和参考图像进行匹配，求得两幅图像的单应性矩阵H，进而得出摄像机外参矩阵M。

4 系统测试

本文选择GALAXY SIII手机，主屏尺寸：4.8英寸，1280x720；后置摄像头像素：800万像素；操作系统：Android OS 4.0；CPU型号：三星Exynos 4412。

打开手机的摄像头，对准博物馆中已经跟踪注册了的一个馆内场景，如图3所示，相应的信息就显示在移动设备上。根根据移动设备上的虚拟信息，就能够找到自己要去的地方，并能明确的知道自己所处的位置。将手机摄像头对准展柜中的文物时，手机屏幕上就会显示该展品的三维模型、相关介绍和友情链接。通过点击相关按钮，能够实现全方位观测。由测试结果得出，将增强现实技术应用于博物馆中，其识别算法的速度和精度基本能满足要求。

图3 导航定位

5 结论

本文对增强现实技术在博物馆中的应用进行了探讨，提出了将移动增强现实技术应用于博物馆中，在整个系统的实现过程

（下转第184页）

（上接第162页）

中，由于移动设备等条件的限制，跟踪注册技术尚不成熟，运行比较慢，对展品的展示还不全面，但是基本能所需的功能。通过将增强现实应用于博物馆中，从不同层面展示了博物馆的人性化和现代化，观众可以与展品进行情景交互，增加观展趣味性的同时，更有效地传播了信息和知识。未来博物馆的发展趋势是为无生命的东西赋予生命的色彩，很多博物馆也都在朝这个方向迈进。

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