李文霞　司占軍　顧翀

摘要：增強現(xiàn)實是一種通過計算機將虛擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實環(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，提高用戶對真實世界存在元素的感知能力。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)成為研究熱點，并開始走進人們的生活，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動設(shè)備的迅速發(fā)展為其提供了一個廣闊的舞臺。傳統(tǒng)的博物館一般展覽方式枯燥單一，展品雖多，但傳達的信息量卻很少。移動增強現(xiàn)實形式的博物館展覽通過藍牙定位技術(shù)進行館內(nèi)導(dǎo)覽，針對不同類型的展品選用二維碼標(biāo)識識別或者自然特征識別，在移動設(shè)備上將展品或展館信息與虛擬信息進行疊加，從而增加展覽的趣味性，使被動式的參觀方式轉(zhuǎn)變成互動式的參觀方式，實現(xiàn)博物館的多元化。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù)；藍牙定位；二維碼；自然特征

中圖分類號：TS807 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0160-03

1 概述

博物館是人類文化遺產(chǎn)與自然遺產(chǎn)的寶庫，無形中折射出一個國家、一個城市的文化內(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、實物、玻璃燈箱加說明牌”的陳舊且死板的方式進行展示，這樣使得可看的展品雖多，但傳達給游客的信息量卻很少，若依賴于導(dǎo)游的講解，不僅費用高，而且被動式的走馬觀花的游覽方式，會使得許多展品背后所蘊藏的信息被忽略。

近年來，隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)逐漸走進人們的生活。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個分支。它能通過計算機將虛擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實環(huán)境疊加成一個畫面，呈現(xiàn)給用戶一種全新的交互模式，從而提高用戶對真實世界存在元素的感知能力和直觀理解。增強現(xiàn)實技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護、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)和移動設(shè)備的迅速發(fā)展為增強現(xiàn)實技術(shù)提供了廣闊的舞臺。目前，掌上電腦、智能手機等移動設(shè)備都內(nèi)置了高像素的攝像頭，并集成了藍牙無線接口、無線局域網(wǎng)卡、甚至GPS定位等高速移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?；谠鰪姮F(xiàn)實技術(shù)的移動應(yīng)用也越來越多，使得我們的生活更豐富多彩。

綜上，將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于博物館展覽中，采用虛實結(jié)合的方式，將被動式的參觀方式轉(zhuǎn)變成互動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 實驗思路

游客在博物館中游覽遇到的兩個主要問題是：①博物館一般都會由多個展館組成，其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會使游客找不到要去的地方，甚至不知道自己身處何處；②觀看展品時不夠深入，不能充分了解文物的價值或者自己感興趣的部分?；诖耍撐难芯苛嗽鰪姮F(xiàn)實技術(shù)在博物館中的兩種實現(xiàn)方式。一種是通過實時跟蹤手機在真實場景中的位置，基于移動設(shè)備的藍牙對用戶所處的室內(nèi)位置信息進行實時定位；另一種是通過移動設(shè)備的后置攝像頭對展品標(biāo)識物進行拍攝，經(jīng)設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，包括攝像頭相對于標(biāo)識物的位置和姿態(tài)，最終獲得疊加于真實場景中的虛擬影像。這樣用戶不僅能夠方便的了解自己所在的位置，并且對展品有一個很清晰的認識，甚至能夠通過在移動設(shè)備上安裝特定的應(yīng)用軟件，通過對特定場景的掃描，使得在移動設(shè)備上再現(xiàn)古跡廢墟的精美復(fù)原圖。

圖1 移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)框架

本應(yīng)用利用Android的移動設(shè)備作為運行平臺，如圖1所示，為了能讓系統(tǒng)滿足多用戶同時操作，海量展品信息存儲的需求，該移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)形式，并由智能移動終端平臺、高性能服務(wù)器、真實場景和博物館展品信息數(shù)據(jù)庫等組成，主要涉及到跟蹤配準(zhǔn)技術(shù)、顯示交互技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲和訪問技術(shù)等。系統(tǒng)按功能可劃分為5個模塊：①場景捕獲模塊。用于對攝像機初始化進行設(shè)置，并捕獲視頻圖像用于分析處理，讀取攝像機參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)模板庫；②標(biāo)志物檢測跟蹤模塊。用于從圖像中檢測標(biāo)志物的位置和方向信息，計算出標(biāo)志物和攝像機之間的變換矩陣；③虛擬場景渲染模塊。對虛擬場景進行3D渲染，并根據(jù)計算結(jié)果將渲染結(jié)果疊加到實時視頻預(yù)覽圖像之上，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的效果；④基礎(chǔ)算法模塊。提供高性能浮點矢量、矩陣運算，實現(xiàn)圖像處理基礎(chǔ)算法。提供投影矩陣、模式矩陣計算等基礎(chǔ)工具；⑤應(yīng)用程序框架。該模塊和智能機操作系統(tǒng)緊密集成，負責(zé)調(diào)度功能模塊，實現(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)動循環(huán)。首先由移動終端通過攝像頭的圖像采集功能捕捉到真實場景然后對獲取的視頻流圖像進行實時分析，通過注冊與定位模塊檢測出預(yù)定標(biāo)志物的位置和姿態(tài)。再根據(jù)注冊信息獲得虛擬場景或者虛擬物體，利用融合渲染模塊將虛擬場景與真實場景融合，最終通過移動設(shè)備顯示，從而實現(xiàn)增強現(xiàn)實的效果。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型的制作

首先對博物館模型和館內(nèi)場景進行圖像采集，利用3Dsmax制作文物的三維模型，在制作的過程中，要盡可能保證模型的效果，同時，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，能夠通過記事本直接對其進行查看和編輯。

3.2 移動設(shè)備的位置定位

移動設(shè)備的定位包括GPS定位、基站定位和藍牙定位，GPS能在全球范圍內(nèi)進行實時定位，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。而藍牙定位是基于接收信號強度指示RSSI（Received Signal Strength Indication）的短距離、低功耗的無線定位技術(shù)。該技術(shù)可以隨時隨地的用無線接口代替有線電纜連接，使用起來比較方便，具有很強的可移植性，能夠適用于多種通信場合。

藍牙定位系統(tǒng)主要由藍牙定位器、路由器和局域網(wǎng)服務(wù)器構(gòu)成一個定位環(huán)境。藍牙定位系統(tǒng)的工作過程如圖2所示。首先，移動設(shè)備通過發(fā)送藍牙信號到藍牙接收器中，藍牙接收器檢測接收信號強度指示，并把獲得數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點傳送到局域網(wǎng)上。然后，局域網(wǎng)通過對RSSI數(shù)據(jù)的分析處理計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設(shè)備上，從而完成館內(nèi)藍牙定位。

3.3 標(biāo)識物的制作與識別

3.3.1 二維碼識別系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于博物館中展品有些是有實物存在的，考慮到移動設(shè)備本身計算存儲能力、存儲能力以及圖形顯示能力尚有限，因此對于這些展品的增強現(xiàn)實，只需要在展品說明牌上貼上一個二維碼。這使得信息比較容易從圖片中檢測出來，并能為三維注冊提供可信的信息和精準(zhǔn)的位置信息。用戶通過移動設(shè)備對該二維碼進行掃描，獲取該展品的相應(yīng)信息，并能通過友情鏈接網(wǎng)址對相關(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cmbarcode等編碼包，直接生成二維碼。為了使系統(tǒng)在Android平臺的移動設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)圖像采集，需要使用Camera類來完成攝像頭的調(diào)用和圖像采集，首先通過Camera mCamera=Camer-a.open（）獲得Camera的實例，然后使用Camer-a.Parameters來設(shè)置獲得圖像的大小，最后通過實現(xiàn)Camera.Preview-Callback的接口onPreviewFrame（byte[]data， Camera camera）來 獲得攝像頭的圖像數(shù)據(jù)data。另外通過對攝像頭對焦來較快的獲得清晰圖像，提高辨識速度。

3.3.2 自然特征的提取

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

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

3.4 三維跟蹤注冊技術(shù)

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

4 系統(tǒng)測試

本文選擇GALAXY SIII手機，主屏尺寸：4.8英寸，1280x720；后置攝像頭像素：800萬像素；操作系統(tǒng)：Android OS 4.0；CPU型號：三星Exynos 4412。

打開手機的攝像頭，對準(zhǔn)博物館中已經(jīng)跟蹤注冊了的一個館內(nèi)場景，如圖3所示，相應(yīng)的信息就顯示在移動設(shè)備上。根根據(jù)移動設(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。將手機攝像頭對準(zhǔn)展柜中的文物時，手機屏幕上就會顯示該展品的三維模型、相關(guān)介紹和友情鏈接。通過點擊相關(guān)按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位觀測。由測試結(jié)果得出，將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于博物館中，其識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

本文對增強現(xiàn)實技術(shù)在博物館中的應(yīng)用進行了探討，提出了將移動增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于博物館中，在整個系統(tǒng)的實現(xiàn)過程

（下轉(zhuǎn)第184頁）

（上接第162頁）

中，由于移動設(shè)備等條件的限制，跟蹤注冊技術(shù)尚不成熟，運行比較慢，對展品的展示還不全面，但是基本能所需的功能。通過將增強現(xiàn)實應(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，觀眾可以與展品進行情景交互，增加觀展趣味性的同時，更有效地傳播了信息和知識。未來博物館的發(fā)展趨勢是為無生命的東西賦予生命的色彩，很多博物館也都在朝這個方向邁進。

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