數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬隆隆 楊 虎 王 迪 李明悅

(鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

0 引言

考古遺址是體現(xiàn)中華民族和中華文明起源與發(fā)展的物化載體,是建設(shè)文化強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略資源[1]。盡管考古文化一直在積極發(fā)展,但是針對(duì)考古遺址的保護(hù)方面仍存在著一些問(wèn)題:人為破壞、動(dòng)植物破壞以及風(fēng)化雨水侵蝕等都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響[2-3]。除此之外,由于一些考古遺址所處地理位置較為偏僻,對(duì)于游客而言十分不便,同時(shí)出于對(duì)考古遺址中出土文物的保護(hù),大多數(shù)文物會(huì)轉(zhuǎn)至博物館進(jìn)行保存,因此游客到考古遺址進(jìn)行游覽的內(nèi)容相對(duì)比較有限。移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)是建立在移動(dòng)計(jì)算環(huán)境、有限處理能力的移動(dòng)終端條件下,提供移動(dòng)性的、分布式的、隨遇性的移動(dòng)地理信息服務(wù)的GIS[4]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將計(jì)算機(jī)渲染生成的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界中的場(chǎng)景無(wú)縫融合起來(lái)的一種技術(shù),它通過(guò)視頻顯示設(shè)備將虛實(shí)融合的場(chǎng)景呈現(xiàn)給用戶,使人們與計(jì)算機(jī)之間的交互更加的自然[5]。

針對(duì)考古導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì),目前國(guó)內(nèi)外多集中在兩方面:一方面是使用可穿戴的AR設(shè)備來(lái)幫助用戶在考古地的三維場(chǎng)景中進(jìn)行游覽,例如基于移動(dòng)可穿戴計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的可視化和多模態(tài)交互技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng),并且借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)設(shè)備來(lái)幫助用戶在虛擬的考古遺址場(chǎng)景中進(jìn)行游覽[6]；另一方面是針對(duì)考古遺址的信息管理系統(tǒng),這類系統(tǒng)主要是針對(duì)考古遺址的地理位置、出土文物等信息進(jìn)行綜合管理,例如,以地理信息空間服務(wù)為框架所搭建的Web端的考古信息系統(tǒng)以及借助于GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的考古勘探信息系統(tǒng)[7-10]。總體而言,當(dāng)前的考古導(dǎo)覽系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)考古遺址的信息管理以及虛擬場(chǎng)景游覽服務(wù),但是未能很好地將兩者結(jié)合起來(lái),同時(shí)提供的虛擬場(chǎng)景游覽服務(wù)也多是借助于AR設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這很難普及到廣大的民眾中去。

基于以上情況,本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了“數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)”,該平臺(tái)發(fā)揮了移動(dòng)端的便捷優(yōu)勢(shì),并結(jié)合移動(dòng)GIS技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)考古地三維場(chǎng)景的“沉浸式”瀏覽、文物及考古場(chǎng)景的三維模型展示、考古地和博物館等平面圖層及其信息數(shù)據(jù)的可視化、室內(nèi)外一體導(dǎo)航等功能,在移動(dòng)端上建立二三維數(shù)字化展示平臺(tái),做到了考古地相關(guān)信息管理服務(wù)與虛擬場(chǎng)景瀏覽服務(wù)的有機(jī)結(jié)合。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)是基于安卓平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的,通過(guò)借助AR技術(shù)模擬真實(shí)的考古地遺址環(huán)境,使得用戶可以在移動(dòng)設(shè)備上游覽到近乎真實(shí)的考古地遺跡,同時(shí)還可幫助用戶了解到與考古地遺址相關(guān)的文物以及博物館信息,為用戶提供考古信息一體化服務(wù)。該平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)支持層是整個(gè)平臺(tái)的軟硬件設(shè)施基礎(chǔ),包括服務(wù)器、GIS軟件、移動(dòng)端設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)等。

數(shù)據(jù)模型層是整個(gè)平臺(tái)的信息資源,主要包括各類數(shù)據(jù)庫(kù),用來(lái)存放平臺(tái)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù),地圖數(shù)據(jù)庫(kù)是基于移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)建立,主要存放平臺(tái)運(yùn)行所需的地圖底圖以及博物館矢量平面圖等,三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)以及基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)都是基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)建立的,三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的是考古地三維模型和文物三維模型的相關(guān)數(shù)據(jù),基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的是登錄平臺(tái)所需的用戶信息以及在平臺(tái)上的社區(qū)交流的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息。

中間框架層是整個(gè)平臺(tái)的技術(shù)支撐,平臺(tái)基于各種開(kāi)發(fā)包以及開(kāi)源庫(kù)進(jìn)行搭建以及功能的實(shí)現(xiàn),是應(yīng)用實(shí)現(xiàn)層的基礎(chǔ)。

應(yīng)用實(shí)現(xiàn)層借助于以上層級(jí)的支持,使得用戶可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行考古游覽,包括三維展示平臺(tái)功能、二維展示功能以及一些常規(guī)功能來(lái)提高用戶的游覽體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于GIS技術(shù)的可交互式二三維展示平臺(tái)

數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)在移動(dòng)端上基于GIS技術(shù)建立可交互式的二三維數(shù)字化展示平臺(tái),其具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線如圖2所示。

(1)二維展示平臺(tái)。借助于ArcGIS以及移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二維圖層的繪制、編輯以及存儲(chǔ)。

(2)三維展示平臺(tái)。借助于3DMax以及ArcGISPro進(jìn)行三維模型的建模、CGCS2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換[11]等操作,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的部署以及展示。

圖2 二三維展示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)流程

2.2 室內(nèi)路線規(guī)劃算法

數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)為用戶提供了瀏覽博物館時(shí)的室內(nèi)路線規(guī)劃服務(wù),可以為用戶規(guī)劃一條到其指定的文物展覽位置的最短路徑。其算法具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 室內(nèi)規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)流程

(1)將博物館室內(nèi)圖層?xùn)鸥窕痆12]。以柵格化后的圖層的兩條互相垂直的邊作為平面直角坐標(biāo)系的x軸和y軸,將圖層中的無(wú)障礙區(qū)間用坐標(biāo)(x,y)來(lái)表示,對(duì)于障礙物所在的柵格不予表示。

(2)將用戶所在位置設(shè)置為起始節(jié)點(diǎn),將用戶點(diǎn)擊要瀏覽的文物位置設(shè)置為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

(3)根據(jù)傳統(tǒng)A*算法[13]得到一條避開(kāi)障礙物的初步路徑規(guī)劃結(jié)果。

(4)根據(jù)改進(jìn)A*算法[14]中的冗余拐點(diǎn)剔除策略對(duì)上一步中得到的初步路徑進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)路徑,將路徑顯示在博物館圖層上即完成路徑規(guī)劃。

2.3 考古場(chǎng)景內(nèi)AR游覽技術(shù)

在移動(dòng)端加載考古地三維場(chǎng)景后,用戶可以手持移動(dòng)端運(yùn)行,從而考古地場(chǎng)景也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的視角變換以及場(chǎng)景切換,并且用戶可以點(diǎn)擊在場(chǎng)景中的該考古地出土的文物來(lái)查看其信息,達(dá)到AR游覽考古地的效果,其具體實(shí)現(xiàn)如下:

(1)視角監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)用戶進(jìn)行AR游覽時(shí),通過(guò)手機(jī)的方向傳感器來(lái)監(jiān)聽(tīng)用戶是否進(jìn)行了視角變換。手機(jī)的方向傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分別為方位角、俯仰角和翻滾角[15]。當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到用戶轉(zhuǎn)動(dòng)手機(jī)后,可以通過(guò)方向傳感器獲取轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值,考古地的虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)的視角變換有一個(gè)固定的差值,將獲取的現(xiàn)實(shí)視角變換數(shù)值進(jìn)行一定的角度旋轉(zhuǎn)即可得到在考古地虛擬場(chǎng)景中應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度值,從而達(dá)到相應(yīng)的視角變換效果。

(2)移動(dòng)監(jiān)聽(tīng)。通過(guò)手機(jī)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)傳感器來(lái)獲取用戶在WGS84坐標(biāo)系下的定位參數(shù),計(jì)算出坐標(biāo)變換量,得到用戶在現(xiàn)實(shí)中的移動(dòng)距離,根據(jù)三維場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景距離映射關(guān)系,并依據(jù)相應(yīng)比例尺推算出在考古地三維場(chǎng)景中應(yīng)該移動(dòng)的距離。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)在系統(tǒng)功能上實(shí)現(xiàn)了考古地三維場(chǎng)景的AR游覽、博物館以及考古地圖層展示、博物館室內(nèi)導(dǎo)航、熱點(diǎn)推薦等。

3.1 考古地三維場(chǎng)景AR游覽

在移動(dòng)端加載顯示考古地三維場(chǎng)景模型,并將視角切換至考古遺址內(nèi)部,當(dāng)用戶手持移動(dòng)端在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行行進(jìn)或者轉(zhuǎn)向等操作時(shí),移動(dòng)端中的考古地場(chǎng)景也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的視角變化。并且用戶還可以點(diǎn)擊考古地中的文物模型進(jìn)而查看文物的信息。

3.2 二維圖層展示

在移動(dòng)端的首頁(yè)界面地圖中加載考古地以及博物館的圖層,用戶可以對(duì)圖層進(jìn)行縮放,圖層隨比例尺的變換而出現(xiàn)不同的可視化,打開(kāi)擴(kuò)展按鈕可以進(jìn)行點(diǎn)擊,還可以進(jìn)行圖層切換、重置地圖偏轉(zhuǎn)角、重置地圖中心及縮放比、定位等操作。

3.3 博物館室內(nèi)導(dǎo)航

在移動(dòng)端加載博物館的室內(nèi)地圖,用戶可以通過(guò)選擇室內(nèi)的特征物或者文物使其高亮顯示,同時(shí)還會(huì)為用戶規(guī)劃一條在室內(nèi)抵達(dá)文物位置最近的游覽路線功能供用戶查看。

3.4 熱點(diǎn)推薦

借助于爬蟲(chóng)技術(shù)為用戶推送一些有關(guān)考古地、博物館以及文物的熱點(diǎn)新聞,并且為用戶提供交流的平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今,公眾逐漸認(rèn)識(shí)到考古的重要性,越來(lái)越多的民眾了解考古。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化考古導(dǎo)覽平臺(tái)為公眾提供了一個(gè)走進(jìn)考古,認(rèn)識(shí)考古的平臺(tái),加大了對(duì)考古的宣傳,讓更多的人可以看到我們的中華歷史,具有很大的宣傳價(jià)值。

但該系統(tǒng)還有許多細(xì)節(jié)有待完善,目前系統(tǒng)的考古遺址內(nèi)AR游覽的定位精度由于受到用戶所處環(huán)境的GPS信號(hào)影響,故存在一定誤差,所以這是之后需要解決的問(wèn)題之一。同時(shí)系統(tǒng)中的考古遺址信息以及相應(yīng)的文物和博物館等信息還不夠豐富,所以之后還需要添加大量的考古遺址信息。