2021年8月19日

博物馆全景智能导览系统设计与实现

作者 导览管理员

随着计算机技术的飞速发展,多媒体的类型也越来越丰富,可以显示出各种各样令人意想不到的效果。因此,传统的表现形式越来越不能满足大多数观众对展示的要求。技术条件的成熟和适应生活的需要促进了智能导览系统的发展。该文通过对现实生活及相关理论的深入分析,设计出了博物馆智能导览系统,该系统以 Java 语言和 Android4.2.2为基础,并采用智能终端来实现对真实博物馆进行浏览和定位等功能。该文分析了相关的技术原理,首先对系统的业务流程进行优化 ;其次,分析系统的基本功能需求和性能需求 ;最后,根据需求分析系统的总体结构并对各功能模块进行设计。数字博物馆的出现为用户提供了及时、真实以及可互动的体验。实体博物馆和数字博物馆之间存在很大的差异,数字博物馆在展示和体验方面是 1 个基于感官网络的博物馆,其虚拟现实,强化·了现实体验以及对其他技术的应用,丰富了介绍博物馆和提供信息的形式,为提供高质量和轻松的文化生活开辟了道路。不能到现场的观众可以通过互联网传播的信息打破实体博物馆在时间和空间上的限制,扩大了博物馆公共服务的职能范围,拓宽了它的深度和持续时间。在教育研究方面,数字博物馆建立了新的信息组织,促进了博物馆与研究、教育领域的合作,为学生提供了对博物馆进行真实体验的机会和相关虚拟平台。在信息交流和传播方面,观众可以“分享”博物馆,还可以通过手机终端实时上传照片并在评论区与他人互动;而且博物馆的展览活动等信息也可以传送到用户的手机上。在博物馆衍生产品领域,该系统可以让观众在线上对文化产品进行设计、制作、推广和交易,为观众提供了丰富、便捷以及个性化的博物馆文化产品,从而满足了观众的需要,还可以将“博物馆带回家”。

一、系统需求分析

在传统博物馆中,图片文字式以及导游介绍式是最常见的 2 种导览方式。传统的图片文字导览通常是在展品旁边立1 个比较显眼的标志,该标志描述了展品的历史、用途和其产生的年代等各种信息 ;还可以在展品旁边添加视频播放器,循环播放与展品相关的视频和音频内容。导游介绍式导览是由博物馆的专业人员,按照预设路线带领观众参观博物馆,并为观众介绍展品的相关知识,观众可以随时向博物馆的专业人员提问,从而及时获得更多与展品相关的信息。传统博物馆主要通过文字、音像等多媒体手段为观众服务 ;然而,像文字、音频以及视频这类多媒体工具,它们的内容是预先录制的、固定的,缺乏趣味性且不能与观众互动,也就不能引导观众更深入地了解展品的内涵,该模式没有互动,完全是单向的,会使观众产生厌恶,不能引起观众探究的兴趣,也不能及时解答观众的问题。相比之下,虽然导游介绍式导览在向观众介绍展品时会避免出现观众不感兴趣的问题,但该形式的导览可能需要大量费用,对大量专业人员的需求也会增加博物馆的经济负担。基于安卓(Android)的博物馆全景智能导览系统能够让参观博物馆的观众随时了解展品的各种信息;当博物馆的某些展品有损坏时,还可以通过一定的技术复原展品,从而给观众更好的体验。在大型博物馆中,由于博物馆的场馆较大,各展区的位置较为分散,该系统可以向观众提供展品的位置信息,并且还具备导航功能。在建设该系统时,由于Android 系统主要应用于移动终端,因此要充分考虑移动终端的特性,即考虑移动终端在计算能力和储存能力上存在的局限性。
1.1 全景信息采集
全景拍摄采用专业相机拍摄整个场景的图像信息,并使用专业软件组合图片,成品也需要在专用播放器上进行播放,也就是将平面图像和计算机图像转换成 360°的全景图像。该系统能够使用 Lady Bug5 完成图像采集、处理、拼接和校正等工作,拍摄的全景照片在系统中以 360°全景图像和视频的形式输出。
1.2 开发环境和绘图技术
Open GL 图形库实际上是图形和硬件之间的接口,它包括超过 100 种的图形处理功能,为开发人员提供了直观的编程环境,并极大地简化了 3D 图形程序的编译过程。这不仅节省了开发人员的时间,而且还提高了软件开发的效益。MFC 的精髓是 1 个包括很多微软公司都对其有明确定义的对象库,虽然该程序在功能上有所不同,但是从性质上来说,它可以分为用户设计界面、文件操作、多媒体使用以及数据库等。这是微软提供 MFC 库的最重要的原因,该库有超过 100 个程序开发过程中最常用的对象。在编程中,如果类库中的 1 个对象可以具备所需要的功能,那么开发人员只需要调用现有的对象,其他对象就可以自动调整,节省了开发人员的时间。
1.3 功能需求
1.3.1 图片播放展示
可以在博物馆展品的前后左右装 4 个广角摄像头,与分频显示不同,广角摄像头不是简单地将图像叠加起来,而是在 150°~ 180°对图像进行处理和显示,在对图像进行处理后,中间是物体,将图像放在周边,从而直观地进行 360°的实景展示。经过图像处理单元一系列智能算法的处理后,最终形成 1 个有 1 幅四周全景俯视图并可以在屏幕上显示的应用,该应用可以直观地呈现出物体所处的位置及其周边情况,它可以真实快速地表现 0°~360°的全部图像信息,从而给观众带来身临其境的感觉。
1.3.2 坐标方向定位
坐标方向定位显示的是 360 °全景图像,让观众有进入三维空间的感觉。可以从场景的各个方向对360 °模型中的所有景观进行浏览,让观众有身处真实场景的感觉。在制作过程中,要制作基于真实照片的三维真实图像,尽可能地保持场景的真实性。
1.3.3 发布信息
发布信息作为解决数据可视化的方案,它主要在发布数据时对信息、欢迎词、业务流程、会议通知和其他信息进行可视化处理。可以显示的内容包括文本、图表、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 终端和移动终端。
1.4 移动设备性能
鉴于移动设备在计算性能和储存性能等方面的限制,有必要对该系统的总框架、数据存储和系统与用户的友好互动等问题进行全面审查。
1.4.1 系统总体框架
系统采用客户端 / 服务器(C/S)的方法。C/S 方法的优点是在处理大量数据时,它与移动终端完全分离,通过服务器或工作站来进行计算,并将计算结果发送至终端。该方法的响应程度很大程度上取决于通过无线网络传送数据的速度(带宽),尽管在传输速度上会有延迟,但是与芯片的计算速度相比,移动终端的处理能力远不如服务器的处理能力,因此还是会考虑把复杂、大量的数据计算放在服务器端,将简单的计算安排在移动终端,这样就可以提高实时效率,也可以给观众更完美的体验。
1.4.2 数据储存
在服务器上进行数据存储可以解决博物馆的大量文物数据存储的问题,例如音频、照片以及视频模型等大型文件,同时还可以为后台同步数据服务提供便利。
1.4.3 计算效率
一般来说,移动终端的处理能力有限,将传统的图像记录算法移到移动终端将增加对它的限制,并削弱了移动终端的处理能力。此外,具有不同处理器特性的移动装置各不相同,它们的计算能力也各不相同,这也会导致计算效率存在巨大差异。因此,该系统将图像识别功能提供给服务器(这需要很长的时间来记录图像),确保了在实时移动时能够根据其不同的特性来调整图像。
1.4.4 定位的精度
由于传统手机在室内的定位精度低,无法满足观众在博物馆定位的需求 ;因此,该系统通过视觉提高了现实定位技术的精度,观众可以通过智能手机定位到当前所处的位置,解决了在展厅内移动终端定位不准确的问题。

二、智能导览系统设计

2.1 系统总体设计
从整体上看,系统大致分为 3 个层次,分别是后台数据库支撑模块、中间控制模块以及最后展示模块。中间控制模块对内通过数据连接技术对数据进行封装,并实现了从数据库中读取数据的功能 ;对外实现数据处理的功能并将处理结果返回给观众。
2.2 网络设计
网络拓扑结构是指由传输介质与各种设备互连的物理布局。网络有 1 个中央节点,其他节点(工作站和服务器)直接连接到中央节点。该结构集中在中心节点上,称为集中式网络。它具有结构简单、易于管理、控制简单、网络延迟时间小、传输错误率低以及可以轻松地构建网络等特点。用各种精心设计的图标表示各种网络对象,并且该图标常以不同的颜色来表示相应设备的不同状态。
2.3 功能设计
在功能设计上主要运用捕捉控制图像的采集和用数据格式来控制相机设置的方式,例如自动曝光、分辨率和帧率;配置 GPIO 触发或闪光灯设置,调整 JPEG 压缩设置,从而满足数据吞吐量的要求并采集同步的图像。配套专用三脚架和真空吸盘,该设置安装和拆卸简单方便,而且具有标准化、简洁的接口设计,可以连接笔记本电脑进行操作和数据存储,极大地方便了用户的使用,其主要步骤如下 :

1)声明 1 个结构体Spot,包括坐标的相关信息,方便后期对信息进行调用。也可以使用面向对象的技术,除了具有类库对象的特性和功能以外,还可以让派生对象根据自己的特点、方法和需要添加 1个需求。

2) 初始化坐标。分别对系统中需要实景展示的画面进行定位,也就是坐标方向定位,全景显示让人产生立体化的感觉,可以在场景中的各个方向浏览模型中所有景观的全景,从而让观众有更真实的体验。

3) 开始创建窗口。初始可视角度和窗口大小的值,以便后期在窗口对图片进行展示,并通过 API 将功能整合到自定义应用中。

4) 进行图形渲染。自定义应用开发的全面 APIC++和 C# 示例源代码。在功能设置上采用捕捉控制图像采集和用数据格式控制相机设置的方式,例如自动曝光、分辨率和帧率,而且配置 GPIO 触发或闪光灯设置,调整 JPEG 压缩设置,从而满足手机终端数据吞吐量的要求并采集同步的图像和 GPS 数据。

5) 每个系统都有 1 个功能丰富的软件开发工具包(SDK),该工具包可以管理图像采集、制作全景图像以及设置相机,它包括程序、用于在 C/C++ 编程环境中快速启动项目的源代码、相机设备驱动程序以及应用程序编程接口(API)软件库。

6) GPS 数据通过硬件加速图像纠正、处理和拼接管道以及执行图像处理,例如预置颜色转换、曝光补偿、白平衡、伽玛校正、色调映射使用全景、圆顶或立方图渲染输出以及将处理后的图像导出为各种静态图像或视频文件(包括 H.264、H.265、VP9、WMV、FLV 以及 AVI等格式的视频文件)。

7) 设置实景模拟移动的场景。

8) 根据系统要求,当实际场景发生变化时,需要对数据库中的原有资源进行更新。展品表是用来保存、添加展品的各项属性信息,包括展品的编号、名称、介绍、图片以及位置,展品数据库。

2.4 拓展辅助功能
虽然辅助功能不是博物馆 Android 全景智能导览系统的主要功能,但是它对提高该系统与观众的关联度至关重要。开发的辅助功能模块是基于 Android 博物馆全景智能导览系统应用的重要拓展,包括服务信息、文化创意产品销售以及网络社区等。
2.4.1 服务信息
可以将博物馆展览活动的信息、观众的参观指南、网上咨询和其他服务转移到 Android 全景智能导览系统,从而满足观众的各种需求。
2.4.2 文化创意产品销售
文化创意产品销售是以收藏和展品内容为基础而开发的视听影音材料、游戏和纪念品等,可以通过 Android 全景智能导览系统平台进行销售。
2.4.3 互联网社区
互联网社区即结合社交网络和博物馆,建立网络社区或论坛形式的 Android 全景智能导览系统,该系统支持社交信息的传播和交流,在区域建立和维持适当的信息系统,包括及时发布和交流访问内容、生活内容等信息,有助于提高Android 全景智能导览系统的关联性,还可以扩大 Android 全景智能导览系统的范围和影响。目前,国内的博物馆大多都建立了1 个 Android 全景智能导览系统,其中包括各种辅助功能,例如服务咨询、参观服务等;但是,对其他功能的开发还不够充分,特别是在商业服务方面。提升Android 全景智能导览系统的性能和技术水平,就可以对图片进行处理并让图片在移动终端上显示。实际上,开发 Android 全景智能导览系统的商业价值对应用程序和用户来说,特别是对系统的可持续发展,都有着十分重要的作用。在以后的博物馆Android 全景智能导览系统的发展过程中,博物馆可以结合自身特色,开发出专门的文创产品、娱乐游戏等,从而进一步丰富该系统的功能。

三、 结语

计算机网络技术正不断渗透在日常生活中。该文主要是对博物馆全景智能导览系统的设计与实现进行研究,其目的是为了节省观众的时间,以便他们可以找到自己想看的展品,从而提高观众的观赏效率;同时还可以从各个方位参观博物馆,让观众有身临其境的体验。除此之外,该系统还可以为观众提供许多关于展品更详细的信息,从而增强观众的体验感。

 

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