博物館全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱中一

（中國(guó)共產(chǎn)黨第一次全國(guó)代表大會(huì)會(huì)址紀(jì)念館，上海 200021）

數(shù)字博物館的出現(xiàn)為用戶(hù)提供了及時(shí)、真實(shí)以及可互動(dòng)的體驗(yàn)。實(shí)體博物館和數(shù)字博物館之間存在很大的差異，數(shù)字博物館在展示和體驗(yàn)方面是1個(gè)基于感官網(wǎng)絡(luò)的博物館，其虛擬現(xiàn)實(shí)，強(qiáng)化了現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)以及對(duì)其他技術(shù)的應(yīng)用，豐富了介紹博物館和提供信息的形式，為提供高質(zhì)量和輕松的文化生活開(kāi)辟了道路[1]。不能到現(xiàn)場(chǎng)的觀眾可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳播的信息打破實(shí)體博物館在時(shí)間和空間上的限制，擴(kuò)大了博物館公共服務(wù)的職能范圍，拓寬了它的深度和持續(xù)時(shí)間。在教育研究方面，數(shù)字博物館建立了新的信息組織，促進(jìn)了博物館與研究、教育領(lǐng)域的合作，為學(xué)生提供了對(duì)博物館進(jìn)行真實(shí)體驗(yàn)的機(jī)會(huì)和相關(guān)虛擬平臺(tái)。在信息交流和傳播方面，觀眾可以“分享”博物館，還可以通過(guò)手機(jī)終端實(shí)時(shí)上傳照片并在評(píng)論區(qū)與他人互動(dòng)；而且博物館的展覽活動(dòng)等信息也可以傳送到用戶(hù)的手機(jī)上。在博物館衍生產(chǎn)品領(lǐng)域，該系統(tǒng)可以讓觀眾在線上對(duì)文化產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、推廣和交易，為觀眾提供了豐富、便捷以及個(gè)性化的博物館文化產(chǎn)品，從而滿(mǎn)足了觀眾的需要，還可以將“博物館帶回家”[2]。

1 系統(tǒng)需求分析

在傳統(tǒng)博物館中，圖片文字式以及導(dǎo)游介紹式是最常見(jiàn)的2種導(dǎo)覽方式。傳統(tǒng)的圖片文字導(dǎo)覽通常是在展品旁邊立1個(gè)比較顯眼的標(biāo)志，該標(biāo)志描述了展品的歷史、用途和其產(chǎn)生的年代等各種信息；還可以在展品旁邊添加視頻播放器，循環(huán)播放與展品相關(guān)的視頻和音頻內(nèi)容。導(dǎo)游介紹式導(dǎo)覽是由博物館的專(zhuān)業(yè)人員，按照預(yù)設(shè)路線帶領(lǐng)觀眾參觀博物館，并為觀眾介紹展品的相關(guān)知識(shí)，觀眾可以隨時(shí)向博物館的專(zhuān)業(yè)人員提問(wèn)，從而及時(shí)獲得更多與展品相關(guān)的信息。傳統(tǒng)博物館主要通過(guò)文字、音像等多媒體手段為觀眾服務(wù)；然而，像文字、音頻以及視頻這類(lèi)多媒體工具，它們的內(nèi)容是預(yù)先錄制的、固定的，缺乏趣味性且不能與觀眾互動(dòng)，也就不能引導(dǎo)觀眾更深入地了解展品的內(nèi)涵，該模式?jīng)]有互動(dòng)，完全是單向的，會(huì)使觀眾產(chǎn)生厭惡，不能引起觀眾探究的興趣，也不能及時(shí)解答觀眾的問(wèn)題。相比之下，雖然導(dǎo)游介紹式導(dǎo)覽在向觀眾介紹展品時(shí)會(huì)避免出現(xiàn)觀眾不感興趣的問(wèn)題，但該形式的導(dǎo)覽可能需要大量費(fèi)用，對(duì)大量專(zhuān)業(yè)人員的需求也會(huì)增加博物館的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。

基于安卓（Android）的博物館全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)能夠讓參觀博物館的觀眾隨時(shí)了解展品的各種信息；當(dāng)博物館的某些展品有損壞時(shí)，還可以通過(guò)一定的技術(shù)復(fù)原展品，從而給觀眾更好的體驗(yàn)。在大型博物館中，由于博物館的場(chǎng)館較大，各展區(qū)的位置較為分散，該系統(tǒng)可以向觀眾提供展品的位置信息，并且還具備導(dǎo)航功能。在建設(shè)該系統(tǒng)時(shí)，由于Android系統(tǒng)主要應(yīng)用于移動(dòng)終端，因此要充分考慮移動(dòng)終端的特性，即考慮移動(dòng)終端在計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力上存在的局限性[4]。

1.1 全景信息采集

全景拍攝采用專(zhuān)業(yè)相機(jī)拍攝整個(gè)場(chǎng)景的圖像信息，并使用專(zhuān)業(yè)軟件組合圖片，成品也需要在專(zhuān)用播放器上進(jìn)行播放，也就是將平面圖像和計(jì)算機(jī)圖像轉(zhuǎn)換成360 °的全景圖像。

該系統(tǒng)能夠使用LadyBug5完成圖像采集、處理、拼接和校正等工作，拍攝的全景照片在系統(tǒng)中以360 °全景圖像和視頻的形式輸出。

1.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境和繪圖技術(shù)

OpenGL圖形庫(kù)實(shí)際上是圖形和硬件之間的接口，它包括超過(guò)100種的圖形處理功能，為開(kāi)發(fā)人員提供了直觀的編程環(huán)境，并極大地簡(jiǎn)化了3D圖形程序的編譯過(guò)程。這不僅節(jié)省了開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間，而且還提高了軟件開(kāi)發(fā)的效益。

MFC的精髓是1個(gè)包括很多微軟公司都對(duì)其有明確定義的對(duì)象庫(kù)，雖然該程序在功能上有所不同，但是從性質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它可以分為用戶(hù)設(shè)計(jì)界面、文件操作、多媒體使用以及數(shù)據(jù)庫(kù)等。這是微軟提供MFC庫(kù)的最重要的原因，該庫(kù)有超過(guò)100個(gè)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中最常用的對(duì)象。在編程中，如果類(lèi)庫(kù)中的1個(gè)對(duì)象可以具備所需要的功能，那么開(kāi)發(fā)人員只需要調(diào)用現(xiàn)有的對(duì)象，其他對(duì)象就可以自動(dòng)調(diào)整，節(jié)省了開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間。

1.3 功能需求

1.3.1 圖片播放展示

可以在博物館展品的前后左右裝4個(gè)廣角攝像頭，與分頻顯示不同，廣角攝像頭不是簡(jiǎn)單地將圖像疊加起來(lái)，而是在 150 °～ 180 °對(duì)圖像進(jìn)行處理和顯示，在對(duì)圖像進(jìn)行處理后，中間是物體，將圖像放在周邊，從而直觀地進(jìn)行360 °的實(shí)景展示。經(jīng)過(guò)圖像處理單元一系列智能算法的處理后，最終形成1個(gè)有1幅四周全景俯視圖并可以在屏幕上顯示的應(yīng)用，該應(yīng)用可以直觀地呈現(xiàn)出物體所處的位置及其周邊情況，它可以真實(shí)快速地表現(xiàn)0°～360 °的全部圖像信息，從而給觀眾帶來(lái)身臨其境的感覺(jué)[5]。

1.3.2 坐標(biāo)方向定位

坐標(biāo)方向定位顯示的是360 °全景圖像，讓觀眾有進(jìn)入三維空間的感覺(jué)?？梢詮膱?chǎng)景的各個(gè)方向?qū)?60 °模型中的所有景觀進(jìn)行瀏覽，讓觀眾有身處真實(shí)場(chǎng)景的感覺(jué)。在制作過(guò)程中，要制作基于真實(shí)照片的三維真實(shí)圖像，盡可能地保持場(chǎng)景的真實(shí)性。

1.3.3 發(fā)布信息

發(fā)布信息作為解決數(shù)據(jù)可視化的方案，它主要在發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)信息、歡迎詞、業(yè)務(wù)流程、會(huì)議通知和其他信息進(jìn)行可視化處理。可以顯示的內(nèi)容包括文本、圖表、通知和公告信息等，并且可以提供其他方法供以后使用，例如PC終端和移動(dòng)終端[6]。

1.4 移動(dòng)設(shè)備性能

鑒于移動(dòng)設(shè)備在計(jì)算性能和儲(chǔ)存性能等方面的限制，有必要對(duì)該系統(tǒng)的總框架、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)與用戶(hù)的友好互動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)行全面審查。

1.4.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)采用客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）的方法。C/S方法的優(yōu)點(diǎn)是在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，它與移動(dòng)終端完全分離，通過(guò)服務(wù)器或工作站來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至終端。該方法的響應(yīng)程度很大程度上取決于通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的速度（帶寬），盡管在傳輸速度上會(huì)有延遲，但是與芯片的計(jì)算速度相比，移動(dòng)終端的處理能力遠(yuǎn)不如服務(wù)器的處理能力，因此還是會(huì)考慮把復(fù)雜、大量的數(shù)據(jù)計(jì)算放在服務(wù)器端，將簡(jiǎn)單的計(jì)算安排在移動(dòng)終端，這樣就可以提高實(shí)時(shí)效率，也可以給觀眾更完美的體驗(yàn)。

1.4.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

在服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以解決博物館的大量文物數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，例如音頻、照片以及視頻模型等大型文件，同時(shí)還可以為后臺(tái)同步數(shù)據(jù)服務(wù)提供便利。

1.4.3 計(jì)算效率

一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)終端的處理能力有限，將傳統(tǒng)的圖像記錄算法移到移動(dòng)終端將增加對(duì)它的限制，并削弱了移動(dòng)終端的處理能力。此外，具有不同處理器特性的移動(dòng)裝置各不相同，它們的計(jì)算能力也各不相同，這也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率存在巨大差異。因此，該系統(tǒng)將圖像識(shí)別功能提供給服務(wù)器（這需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)記錄圖像），確保了在實(shí)時(shí)移動(dòng)時(shí)能夠根據(jù)其不同的特性來(lái)調(diào)整圖像。

1.4.4 定位的精度

由于傳統(tǒng)手機(jī)在室內(nèi)的定位精度低，無(wú)法滿(mǎn)足觀眾在博物館定位的需求；因此，該系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)提高了現(xiàn)實(shí)定位技術(shù)的精度，觀眾可以通過(guò)智能手機(jī)定位到當(dāng)前所處的位置，解決了在展廳內(nèi)移動(dòng)終端定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

2 智能導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從整體上看，系統(tǒng)大致分為3個(gè)層次，分別是后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐模塊、中間控制模塊以及最后展示模塊。中間控制模塊對(duì)內(nèi)通過(guò)數(shù)據(jù)連接技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)的功能；對(duì)外實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能并將處理結(jié)果返回給觀眾。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指由傳輸介質(zhì)與各種設(shè)備互連的物理布局。網(wǎng)絡(luò)有1個(gè)中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)（工作站和服務(wù)器）直接連接到中央節(jié)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)集中在中心節(jié)點(diǎn)上，稱(chēng)為集中式網(wǎng)絡(luò)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于管理、控制簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間小、傳輸錯(cuò)誤率低以及可以輕松地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)。用各種精心設(shè)計(jì)的圖標(biāo)表示各種網(wǎng)絡(luò)對(duì)象，并且該圖標(biāo)常以不同的顏色來(lái)表示相應(yīng)設(shè)備的不同狀態(tài)。實(shí)景展示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2.3 功能設(shè)計(jì)

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在功能設(shè)計(jì)上主要運(yùn)用捕捉控制圖像的采集和用數(shù)據(jù)格式來(lái)控制相機(jī)設(shè)置的方式，例如自動(dòng)曝光、分辨率和幀率；配置GPIO觸發(fā)或閃光燈設(shè)置，調(diào)整JPEG壓縮設(shè)置，從而滿(mǎn)足數(shù)據(jù)吞吐量的要求并采集同步的圖像。配套專(zhuān)用三腳架和真空吸盤(pán)，該設(shè)置安裝和拆卸簡(jiǎn)單方便，而且具有標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)潔的接口設(shè)計(jì)，可以連接筆記本電腦進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，極大地方便了用戶(hù)的使用，其主要步驟如下：1）聲明1個(gè)結(jié)構(gòu)體Spot，包括坐標(biāo)的相關(guān)信息，方便后期對(duì)信息進(jìn)行調(diào)用。也可以使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，除了具有類(lèi)庫(kù)對(duì)象的特性和功能以外，還可以讓派生對(duì)象根據(jù)自己的特點(diǎn)、方法和需要添加1個(gè)需求。2） 初始化坐標(biāo)。分別對(duì)系統(tǒng)中需要實(shí)景展示的畫(huà)面進(jìn)行定位，也就是坐標(biāo)方向定位，全景顯示讓人產(chǎn)生立體化的感覺(jué)，可以在場(chǎng)景中的各個(gè)方向?yàn)g覽模型中所有景觀的全景，從而讓觀眾有更真實(shí)的體驗(yàn)。初始化代碼如下。3） 開(kāi)始創(chuàng)建窗口。初始可視角度和窗口大小的值，以便后期在窗口對(duì)圖片進(jìn)行展示，并通過(guò)API將功能整合到自定義應(yīng)用中。4） 進(jìn)行圖形渲染。自定義應(yīng)用開(kāi)發(fā)的全面APIC++和C#示例源代碼。在功能設(shè)置上采用捕捉控制圖像采集和用數(shù)據(jù)格式控制相機(jī)設(shè)置的方式，例如自動(dòng)曝光、分辨率和幀率，而且配置GPIO觸發(fā)或閃光燈設(shè)置，調(diào)整JPEG壓縮設(shè)置，從而滿(mǎn)足手機(jī)終端數(shù)據(jù)吞吐量的要求并采集同步的圖像和GPS數(shù)據(jù)。5） 每個(gè)系統(tǒng)都有1個(gè)功能豐富的軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK），該工具包可以管理圖像采集、制作全景圖像以及設(shè)置相機(jī)，它包括程序、用于在C/C++編程環(huán)境中快速啟動(dòng)項(xiàng)目的源代碼、相機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序編程接口（API）軟件庫(kù)。6） GPS數(shù)據(jù)通過(guò)硬件加速圖像糾正、處理和拼接管道以及執(zhí)行圖像處理，例如預(yù)置顏色轉(zhuǎn)換、曝光補(bǔ)償、白平衡、伽瑪校正、色調(diào)映射使用全景、圓頂或立方圖渲染輸出以及將處理后的圖像導(dǎo)出為各種靜態(tài)圖像或視頻文件（包括H.264、H.265、VP9、WMV、FLV以及AVI等格式的視頻文件）。7） 設(shè)置實(shí)景模擬移動(dòng)的場(chǎng)景。8） 根據(jù)系統(tǒng)要求，當(dāng)實(shí)際場(chǎng)景發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的原有資源進(jìn)行更新。展品表是用來(lái)保存、添加展品的各項(xiàng)屬性信息，包括展品的編號(hào)、名稱(chēng)、介紹、圖片以及位置，展品數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)表1。

表1 博物館展品數(shù)據(jù)庫(kù)表

2.4 拓展輔助功能

雖然輔助功能不是博物館Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的主要功能，但是它對(duì)提高該系統(tǒng)與觀眾的關(guān)聯(lián)度至關(guān)重要。開(kāi)發(fā)的輔助功能模塊是基于Android博物館全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)應(yīng)用的重要拓展，包括服務(wù)信息、文化創(chuàng)意產(chǎn)品銷(xiāo)售以及網(wǎng)絡(luò)社區(qū)等。

2.4.1 服務(wù)信息

可以將博物館展覽活動(dòng)的信息、觀眾的參觀指南、網(wǎng)上咨詢(xún)和其他服務(wù)轉(zhuǎn)移到Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)，從而滿(mǎn)足觀眾的各種需求。

2.4.2 文化創(chuàng)意產(chǎn)品銷(xiāo)售

文化創(chuàng)意產(chǎn)品銷(xiāo)售是以收藏和展品內(nèi)容為基礎(chǔ)而開(kāi)發(fā)的視聽(tīng)影音材料、游戲和紀(jì)念品等，可以通過(guò)Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行銷(xiāo)售。

2.4.3 互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)

互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)即結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)和博物館，建立網(wǎng)絡(luò)社區(qū)或論壇形式的Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持社交信息的傳播和交流，在區(qū)域建立和維持適當(dāng)?shù)男畔⑾到y(tǒng)，包括及時(shí)發(fā)布和交流訪問(wèn)內(nèi)容、生活內(nèi)容等信息，有助于提高Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，還可以擴(kuò)大Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的范圍和影響。目前，國(guó)內(nèi)的博物館大多都建立了1個(gè)Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)，其中包括各種輔助功能，例如服務(wù)咨詢(xún)、參觀服務(wù)等；但是，對(duì)其他功能的開(kāi)發(fā)還不夠充分，特別是在商業(yè)服務(wù)方面。提升Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的性能和技術(shù)水平，就可以對(duì)圖片進(jìn)行處理并讓圖片在移動(dòng)終端上顯示。實(shí)際上，開(kāi)發(fā)Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值對(duì)應(yīng)用程序和用戶(hù)來(lái)說(shuō)，特別是對(duì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，都有著十分重要的作用。在以后的博物館Android全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，博物館可以結(jié)合自身特色，開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的文創(chuàng)產(chǎn)品、娛樂(lè)游戲等，從而進(jìn)一步豐富該系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正不斷滲透在日常生活中。該文主要是對(duì)博物館全景智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，其目的是為了節(jié)省觀眾的時(shí)間，以便他們可以找到自己想看的展品，從而提高觀眾的觀賞效率；同時(shí)還可以從各個(gè)方位參觀博物館，讓觀眾有身臨其境的體驗(yàn)。除此之外，該系統(tǒng)還可以為觀眾提供許多關(guān)于展品更詳細(xì)的信息，從而增強(qiáng)觀眾的體驗(yàn)感。