移动增强现实技术在博物馆中的应用研究

发布时间：2016-07-07 08:44

第 1 章 绪论

计算机技术的蓬勃发展，信息化时代的来临，使博物馆各方面都发生了不同以往的改变。这种变化体现在数字博物馆、管理数字化以及丰富多彩的服务项目，然而这种与时俱进的改变，却并没有改变目前博物馆建设的窘境。展览方式枯燥无味以及与展品缺乏互动体验，以上这些问题都是以信息传递为中心的传播单一造成的。现在博物馆的展品收藏虽然很多，许多展品背后蕴藏着有趣或者发人深思的故事，却没有能够达到它应有的教育意义。这导致游客没有能够获得深层次的信息，参观质量低。如何改变这种强调以物为主的博物馆运作方式，仅仅展示收藏奇珍异宝。应该顺应时代的求，需要博物馆多元的发展，除了具有社会教育与文化观光这些博物馆基本职能外，需要改变成以人为主的浏览趋势。这样才能让游客感受不同以往那种静态展示方式，动态互动的展示更能引起游客的共鸣与兴趣。因此博物馆需在人机交互方面做出改变，才能为大众提供很多的教育信息进而体现博物馆具有的教育意义。
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第 2 章 移动增强现实相关原理

2.1 增强现实系统框架

由图 2.1 可知图像采集模块用来为增强现实系统提供图像，主要是由摄像机捕获的真实场景[32]。由于摄像机采集的图像是不同色彩空间格式，所以在图像采集后需要统一格式，为后续处理提供方便。之后通过识别跟踪模块处理图像中的人工标记或自然特性，经过三维注册模块计算真实物体的位姿[33]及在世界坐标系中真实物体的位置和朝向。然后根据虚实融合过程中已经事先筹备的虚拟信息库内寻找需要的信息用于增强真实场景，进而融合虚拟三维信息和真实场景。最终由终端显示模块将混合信息显示在屏幕上，，由此达到增强现实效果。

2.2 三维注册技术

三维注册的目的在于将虚拟物体定位在真实场景中，由于需要定位虚拟物体的位置，而跟踪注册就是实现这一过程的重要步骤，因此这技术是增强现实系统构建的基础技术，也是能够影响增强现实系统整体性能的关键技术。所以跟踪注册技术一直以来都受到广泛的关注和研究的重中之重，同样也是主要的技术瓶颈。一个增强现实系统性能的指标很大程度上取决于跟踪注册精度而且还能影响其实用性。目前根据增强现实系统采用的跟踪注册方法的不同以及应用设备场景的区别，分为三种不同的方式如基于跟踪器跟踪用户头部的方位、基于视觉的跟踪注册和混合跟踪注册。就目前而言增强现实领域内将注册技术作为首要研究方向，而基于计算机视觉的跟踪注册受到大部分研究人员的青睐，它主要是利用一幅或多幅视频图像进行计算获取跟踪物体的基本信息，进而取得摄像机所在物理环境内的三维信息。如果仅仅根据跟踪模块提供的信息作为输入信息的注册方式整体属于一种开环控制，系统无法实时根据虚拟物体和真实环境间的融合效果进行反馈处理，因此取得的效果无法达到无缝连接进而影响系统稳定性。

第 3 章 基于标识的移动增强现实技术研究 ........... 20 

3.1 基于标识跟踪注册技术过程 ............... 20 
3.2 标识的设计 ............ 21 
3.3 标识的特征提取与编码识别 .............. 22
第 4 章 博物馆游览系统设计与实现 ............ 37 
4.1 系统目标和环境 ....... 37 
4.2 系统框架设计 ................ 37 
4.3 系统设计实现 ............... 38
4.4  本章小结 ......................... 46 
第 5 章 结论 ...................... 47

第 4 章 博物馆游览系统设计与实现 

4.1 系统目标和环境 

针对目前博物馆建设中存在的问题，如单纯的利用展品说明牌不能很好的传达更多信息并受到牌子大小的限制，有的仅仅提及名称没有更多的信息，无法充分展示展品的魅力，还有博物馆占地面积巨大，游客沉浸其中需要位置信息进行引导。本文设计并且实现基于移动 AR 的博物馆游览系统，通过本文改进的识别算法能够准确的识别出不同位置姿态的说明牌上的标识点，还能为游客提供位置信息。 本文实验系统使用手机的基本配置参数如表 4.1 所示。

4.2 系统框架设计 

本系统考虑到目前博物馆中手机网络信号差的因素，没有采用传统的 C/S 架构，而是将 C/S 架构中客户端和服务器端进行整合在脱机模式下完成。通过手机摄像头捕获标识点，对视频流进行识别然后通过模板库进行匹配，匹配完成后进行虚实融合，最终显示在手机屏幕上。综上所述系统中移动增强现实的整体流程设计如图4.1 所示。图4.1 可知，首先进行系统预处理模块，建立好虚拟三维模型，预先拍摄关键帧图像，提取特征点，计算描述符并存入数据库。然后根据匹配算法生成虚实结合图像，系统工作时，在摄像机获取的当前帧图像上提取特征点，计算描述符，对特定帧和目前帧图片匹配特征，获得匹配的点对；利用摄像头模型参数估计当前摄像机的位置角度信息，应用 RANSAC 鲁棒性方法去除错误匹配点对。使用筛选后的匹配点对和摄像机模型参数，根据 2D/3D 对应关系，再次计算出摄像机的姿态信息并进行更新。利用摄像头的位置和角度信息，将虚拟三维模型与当前帧相互融合。最后以虚实结合方式输出到智能终端手机屏幕上，之后展示虚实融合后的效果。
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第 5 章 结论 

本文结合增强现实技术和目前博物馆建设，设计了一套移动增强现实系统并对其中使用的算法和模块进行整合和实现预期目标。研究意义是将增强现实技术和移动设备平台相结合并应用于博物馆游览中，和传统的增强现实相比，具有便携和易于交互特性，提高增强现实应用的普及程度。除此之外，根据博物馆复杂环境对算法进行改进并通过模拟环境进行测试，验证系统在模拟环境中具有较强实时性。首先，通过对于增强现实技术在移动设备平台上的研究，鉴于移动设备的计算性能和存储能力，以及增强现实系统中跟踪注册算法的准确性和实时性。采用人工标识点作为跟踪注册的目标，完成了人工标识的提取步骤和匹配方式，并且能够满足系统实时性的需求。其次，根据博物馆中实际环境，对基于人工标识跟踪注册算法进行了改进，进一步优化标识点的提取和匹配方法。模拟实验结果表示，人工标识跟踪注册算法确保了在博物馆中应用的可行性和实用性。最后，基于人工标识技术研究以及三维模型的选择制作和显示，设计并实现了一套博物馆旅游系统的 APP 软件，解决目前博物馆中展览方式单一、交互能力差等一些问题。

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参考文献（略）

本文编号：66411