基于可见光定位技术的文博展馆智能导览应用研究

伴随着人们日常生活的日益丰富，更多的人注重提升自己的精神素养，而文博展馆则成为其首选的文化学习场所。目前，多数展馆仍遵循着传统的展览方式，即导游讲解和图文描述的展示方式，导致游客跟展品之间缺乏互动，不能及时了解展品深层次的历史含义。部分展馆将现代化的科技融入到展品的展示过程中，如多媒体展示和无线终端讲解器等，增强游客参观的自主性。

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

文博展馆最初的展示方式仅限于对展品的文字描述，经过演变，发展成为对展品进行相关的图片描述、模型仿真等展示方式。不仅如此，在展品的展示柜方面，也做了很大的改进，比如展示柜的样式、材质、摆放方式等等。到目前为止， 文博展馆的经营和管理在不断的提升，随之而来的展示类型、展品种类、展品数量、展馆数量等都不断地增多。受信息化技术发展和人类艺术进步的影响，文博展馆在展品的展示方面做了很大的改进，比如展品的展示和讲解方式更讲究科技感、趣味性、互动体验等；展厅和展柜的设计融入现代设计风格；相应的展品图 片和讲解视频制作的清晰度和质量远超过原有展示内容。由此可见，文博展馆的发展紧跟社会前进的步伐，为人们呈现出高质量、人性化的展示服务，从而达到全民教育的目的。文博展馆的发展紧跟精神文明建设的脚步，已向公众完全开放。另外，在展品展示的过程中，通过不断地融入新的展示技术，来增加展示的趣味性。可见光智能导览系统是以可见光通信与定位技术为基础，通过改造展厅 LED 光源实现定位，随后享受到基于位置的一系列信息化服务包括文字、音频、虚拟现实（VR）等，这将会为参观者带来很好的体验感。

可见光智能导览系统的特点主要在于：（1）基于可见光标签技术的智能导览，能够实现自动讲解，相比现有基于数字 ID 号或二维码的技术，用户体验更为便捷和自然；（2）基于可见光定位的室内导航和位置服务，相比基于 RFID、Wi-Fi、蓝牙等定位技术，具有良好的定位精度和定位稳定性，能够给用户带来良好的使用体验；（3）相比其他讲解系统，可见光讲解只替换灯具，不改变展厅现有的布局， 不穿墙走线，在美观度方面具有天然的优势；（4）可见光讲解和移动互联网智能导览相结合，能够同时进行多角度的展品展示。

1.2 国内外现状

1.2.1 可见光通信定位研究现状

人们在可见光通信领域的研究日益深入，且基于此种通信技术实现的应用也日益广泛。其中，松下与富士通基于对可见光技术的研究与应用，于 2015 年分 别推出了各自的商业应用产品。 在欧洲地区的二十余家科研院所与企业相互联合，推动可见光通信技术的研 究。在应用市场上最为成功的是飞利浦公司研发的 VLC-LED 灯，已于2015年 在五十余家大型卖场和商业超市进行推广，实现了可见光定位技术的商业化应用。 爱沙尼亚的 Velmenni公司基于对可见光通信技术的研究，于 2015 年研发了 一种数据传输速度达 1Gbps 的 Li-Fi灯泡。为了进一步推进可见光通信的商业化进程，LightPointe 公司于 2016 年 7 月创建了一家专门研发高安全性可见光通信 产品的 Firefly 公司。 为了加速可见光通信技术的研究进程，国际 ITU-T SG15 研究组的 Q18/15 分别在 2015 年 7 月和 2017 年 6 月成立了 G.vlc 和 G.occ 课题组。 相对于国外的研究现状，国内对可见光通信技术的研究成果较少，目前仍处 于起步阶段。在 2015 年，中科院上海技术物理研究所采用 32-QAM 调制技术进 行低误码率蓝光滤光片的研发。通过对 OOK 调制技术的研究，中科院半导体研 究所实现了传输距离为 1 米时，误码率低于1×10-9 可见光通信技术。复旦大学 的科研团队实现了 8Gb/s 的传输速率，传输距离为 1 米时，误码率低于 3.8×10-3。信息工程大学可见光通信重点实验室研发了一套能够实现 50Gbps 传输速率的可见光超高速无线通信试验系统，该传输速率是当时国际最高速率的5倍。 清华大学与东南大学、中国科学技术大学等 6 所科研院所联合于 2017 年成立了973团队，用于进行宽光谱信号无线传输的研究，并实现传输距离为3米时，速率达到 689Mb/s。在可见光通信专用芯片的研究方面，在 2018 年，信息工程大学分别与天津 市滨海新区政府、东莞市政府联合组建科研团队，进行专用芯片的研发，并取得了良好的科研成果。

1.2.2 智能导览研究现状

在对智能导览的研究过程中，Burgard 等人率先将导览理论用于实践当中，并实现了多种智能化功能。然而，在商业应用中并没有得到大规模的应用，其原因是大部分的展馆均无法承受价格昂贵的导览系统。 在前人科研成果的基础上，Li-Der 等人在2004 年研发了一种全新的导览系统，游客携带便携式的导览产品即可及时了解参观的展品信息。基于对计算机视觉技术的深入研究，Adriano Alberti 和 Bruns 等人分别在 2005 年和 2009 年在智能导览系统中融入视觉技术。这种智能导览系统能够对展品进行智能化的视觉识别，从而达到展品与讲解信息的交互效果。

为了实现对展品的跟踪，通过对无线定位与跟踪算法的研究，Miyashita 等人在 2013 年研发了一套无标识的智能跟踪识别系统，实现了展品的实时定位和讲解。 国内在智能导览领域的研究刚刚起步。在2009 年，杜凤仪等人融合视频透视技术和跟踪算法，研发了一套具增强现实特性的智能导览系统。陈靖等人通过对图像识别算法、跟踪算法和数据库的研究，在2012年实现了一套能够进行展品识别的导览系统。通过对国内外导览系统的分析可知，目前大多数仍处于研究阶段，且实现的成本比较高，不利于进行商业化推广。所以，研发一种操作简单、性价比高的智能导览系统，已成为下一步研究的主要方向。为了实现对展品的跟踪，通过对无线定位与跟踪算法的研究，Miyashita 等人在2013 年研发了一套无标识的智能跟踪识别系统，实现了展品的实时定位和讲解。国内在智能导览领域的研究刚刚起步。在2009 年，杜凤仪等人融合视频透视技术和跟踪算法，研发了一套具增强现实特性的智能导览系统。陈靖等人通过对图像识别算法、跟踪算法和数据库的研究，在2012 年实现了一套能够进行展品识别的导览系统。通过对国内外导览系统的分析可知，目前大多数仍处于研究阶段，且实现的成本比较高，不利于进行商业化推广。所以，研发一种操作简单、性价比高的智能导览系统，已成为下一步研究的主要方向。

第二章 可见光定位技术及实现

2.1 常见室内定位技术

目前，人们对定位技术的研究突飞猛进，市场对室内外定位的需求越来越多， 能够达到的定位精度也逐步提高。在现有的定位技术中，技术成熟且比较常用的有GPS 定位系统和北斗定位系统。在室外的环境中，这两个定位系统具有较高 的定位精度。然而，在遮挡比较严重的区域，如室内空间中，卫星信号会受到遮挡或干扰，从而导致定位精度急剧下降，甚至由于无法接收到卫星信号而造成定位失败。为了解决这种在室内或有遮挡的环境中的精确定位问题，研究人员提出了一系列的室内定位技术，新的定位技术已成为重点研究课题之一。在定位导航方面，室外的卫星定位导航技术已经趋于成熟，但是受定位环境 中遮挡等因素的影响，不能够实现对目标的精确定位。所以，针对这一难题，该领域的研究人员做了多方面的科研工作，如蓝牙定位、Wi-Fi定位、无线射 频标签定位、超宽带无线电定位、GPS、伪卫星定位等。在上述的定位技术当中，有的主要用于导航，如伪卫星定位；有的主要用于通信，如 Wi-Fi 定位。但是，这些技术都可以用来实现定位。在室内定位的研究领域中，主要有两个研究方向：局域定位和广域定位。局域定位是通过局域网的形式实现区域内定位信号的覆盖，如蓝牙定位技术、 ZigBee定位技术、Wi-Fi定位技术等。该技术的定位成本低、易部署。然而，这种局域定位技术易受应用场景的限制，不同的定位场景中使用的定位技术没有统 一的标准，从而导致定位终端使用的局限性。广域定位是在广域网上进行定位信号的覆盖，如我国的 TC-OFDM、美国的QPoint 定位系统等。该技术由于其应用标准的统一性使其可以实现大范围的使用。广域定位面临的问题是需要对手 机芯片和基站进行改造，从而导致这种定位技术难以进行大规模的商业推广。

2.1.1 移动通信基站定位技术

基站定位技术是通过手机与基站之间的通信实现的目标定位技术。这种定位技术具有成本低、易实现、易推广的优势，通过各大运营商，已成功应用于实际的定位需求当中。移动通信技术的发展越来越迅速，智能手机技术也已趋于成熟。从而在很大程度上提高了基于移动通信技术的定位精度。基于基站定位原理，文献给出了一种可区分建筑物楼层的高精度室内定位方法。

2.1.2 指纹定位技术

在现实的定位应用中，无线定位信号往往是多径传播。不同的环境，信号的传播路径不同。我们把这种具有唯一识别性的信号传播路径定义为该位置上的指纹。研究人员基于数据库的设计思想，提出了指纹定位技术，首先需要采集定位环境中无线定位信号的路径信息并建立信息库，然后在定位过程中，将接收到的信息与信息库中的进行对比，即可确定目标的具体位置。这个定位过程可分为两步完成：离线采集阶段和定位阶段。离线采集阶段是通过采集无线定位信号的信号功率强度来建立定位信号的指纹数据库。定位阶段是对比定位目标接收到的定位信号与指纹库中的数据，从而获得目标的具体位置。

2.1.3 UWB 定位技术

UWB 定位技术的定位原理是：发射并接收大带宽的脉冲信号来达到定位目标的位置解算。相对于窄带系统，UWB 系统的带宽使无线信号拥有较高的传输速率、较低的发射功率和良好的抗多径干扰性能。在工程应用中，UWB 定位技术能够实现高精度的定位。UWB 信号具有良好的穿透性能，并且信号与噪声的特性比较类似，所以，UWB一度被应用在监听当中。在 20 世纪末，FCC 认为 UWB 技术可以在民用和商业领域中进行推广，带动了大量的研究人员对UWB技术进行深入的研究，也涌现出了一些比较典型的系统。例如：Ubisense 公司研发的精度为15厘米的定位系统；Zebra公司推出的精度为30厘米的定位系统。但是，在实际应用中，室内空间比较复杂，无线信号受墙壁、门窗、物品等的遮挡较为严重，从而对降低了定位精度。所以，UWB 定位系统在比较复杂的环境中很难实现较高 精度的定位。

2.1.4 地磁定位技术

地磁定位的原理是根据地磁场的特性来采集目标的位置信息。在室内环境中，室内结构会对地磁信息产生一定的干扰，并且受这种扰动的影响产生的地磁信息 具有唯一识别性。所以，通过地磁传感器来采集室内的地磁信息，从而实现方向 判定和目标定位。在室内场景中，地磁定位的应用日益增多，吸引了众多的学者参与到地磁定 位的研究课题当中。在建筑结构中使用的钢筋混凝土材料严重影响了室内的磁场， 从而导致各部分室内空间都有其特有的、可唯一识别的磁场特性。所以，通过采集这种可唯一识别的磁场信息来构建磁场信息库，然后利用收集到的磁场数据与 磁场信息库中的数据进行比对，即可达到室内定位的目的。基于该技术的定位原理，Chung 等人研发的定位系统可实现二维的精准定位。但是，采集磁场 信息是一个复杂的工作。为了解决这一问题，Grand 指出采用变换坐标系的方法 能够有效降低地磁数据采集的复杂度。

2.1.5 视觉定位技术

现在视觉传感技术的发展日新月异，在室内定位领域中，越来越多的研究学者采用视觉传感器来采集定位环境中的定位参数。Liu等人基于视觉的室内定位技术构建了一个几何定位模型。但是，这种定位算法在计算过程中，会产生计算误差，从而严重影响对目标的定位精度。采用一个摄像头进行定位环境信息采集时，受视野范围的限制，能够采集到的数据量比较少。所以，很多研究人员采用双目方式实现目标定位。双目视觉定位的原理是：采用两个摄像头对同一定位目标进行信息采集，根据两张图片之间的视差来实现目标定位。微软公司推出了一种全新的图像信息采集工具，能够采 集到目标的彩色图像和深度图像，并且两种图像的分辨率都很高。Nakano等人将该技术应用于室内目标定位当中。在应用过程中，这种定位系统简单、易实现、系统成本低。通用的传统摄像机，由于受其视野范围的限制，无法在同一时刻采集到全部目标的位置信息。但是，一种双曲反射镜面全方位视觉系统能够打破这一限制，能够实现在同一时刻对周围目标进行位置信息采集。基于这种全方位视觉系统，Yagi等人第一次提出了全方位视觉的机器人定位与导航。

2.2 可见光通信技术

2.2.1 室内可见光通信技术

在室内可见光通信技术的研究过程中，近年来以信息工程大学、中科大、复 旦大学、东南大学、暨南大学等为代表的研发团队在该领域的研究相继取得重大突破。

（1）室内绿色信息网络

绿色照明模式为每家每户节省电费，照明的同时可以高速传输信息，全世界有300亿室内照明设备，140亿室外照明设备，这些都是潜在的可见光网络高速接入点。可见光通信依托深度覆盖的照明网络，构建高速兼容、绿色低碳、健康安全的家庭、办公室和大型公共场所等新型室内信息网络，同时可以激活电力线通信产业，拉动照材、线材等下游产业。

（2）泛在三维定位系统

利用可见光通信研制开发的可见光车场定位系统等需求会日益增大，使得人类生活更为方便快捷。由于可见光的波长比无线电磁波更短，理论上测距精度可达毫米量级。GPS和BD2系统已经有效解决了室外定位问题，依靠建筑物内的照明设施，借助可见光通信技术可实现大型建筑物内的精确定位、导航服务。

（3）成像通信无线个域网信息服务网络

构建基于 LED 信息球泡的成像通信无线个域网服务网络，实现博物馆讲解、 超市导购、智能交通管控等功能。可见光新型广告系统就是基于个性化信息服务的广播系统，可以应用于博物馆讲解、超市导购，缓解了传统无线频带拥挤、服务体验不佳等难题。

（4）敏感区域安全通信

区别于Wi-Fi等具有辐射的传统无线方式，可见光的传输媒介是完全无害的， 可谓绿色环保。可见光通信可为医院、机舱、矿井、加油站、油料库等电磁敏感 区域无线通信需求提供有效解决方案。

（5）其它新型应用领域

在可见光安全支付、信息台灯、现实增强、隐式广告、智能交通等应用领域 具有潜在价值。结合可见光通信与台灯发展起来的信息台灯技术，也是通信与照明完美结合的成果。在智能交通领域，利用汽车的 LED 的前后灯以及泛在覆盖的 LED 路灯和交通信号灯，可以实现行驶中的车辆间、车辆与路灯、车辆与交通灯的实时通信与信息交换，可有效支撑智能交通的实现。

2.3 可见光定位技术及实现

2.3.1 室内可见光定位技术

可见光定位技术是近年来新兴的室内定位技术之一，正在以其低成本、易部署、高可靠性的优势占领“米级”室内定位需求的市场。可见光定位是可见光通 信产业的重要组成部分，在工业控制、家庭机器人控制等民事领域以及军事领域 均具有旺盛的应用需求，具有低成本、高精度、抗干扰等诸多优点。可见光定位技术利用获取的信标节点坐标，进一步结合成像测量学原理，通过 LED 阵列能够实现“厘米级”甚至“毫米级”定位精度。课题组前期面向可见光定位技术的典型应用需求，全面开展了定位总体设计、光源位置精确标定、 目标位置解算、定位误差联合校正等技术研究，突破可见光定位系统工程设计关 键技术，成功搭建了基于可见光定位的室内导航验证系统。可见光定位的关键技术如下所示：

（1）高精度光源位置标定和技术

可见光定位的前提条件是准确获得光源特征点的位置。实际应用中，由于光源制作和安装工艺误差，无法精确地将光源安装在指定位置，直接用于定位将产生较大的定位误差。所以需要首先对光源的位置进行标定，以校正制作和安装过程中产生的位置误差。

（2）光源布局优化技术

不同的光源布局，其定位精度是不一样的。在应用中需要针对实际场景的照 明需求，优化光源位置。在光源布局优化时，可以通过仿真的方法估计出GDOP的期望值、光源数和光照情况，从而实现灯光布局优化。实际应用中还需要综合考虑安装便捷性和美观等因素，再综合光源布局优化模型，即可获得较好的光源布局方案。

（3）融合可见光定位与惯性导航的定位算法设计

考虑到特定场馆光源布设条件制约，单一的定位技术难以满足系统的连续性 和实用性。因此考虑在定位模块中集成惯性导航模块，研究可见光定位与惯性导航定位相结合导航定位算法，其中可见光定位为室内目标提供导航位置及方向的校准，惯性导航提供实时位置解算。将可见光定位与惯性导航定位相融合实现组合导航定位，有利于减少定位光源布设密度优化布局，控制系统建设成本。

（4）室内地图构建与智能导航服务的系统设计

构建场馆室内地图，在地图数据中标记特定的兴趣点，结合具体业务需要设置流程路径关系。在实际应用中可以与室内目标进行指令交互，定位目标可以根据室内地图数据的拓扑关系，自动生成最优的行进路线。

2.3.2 可见光信号发送

本文设计的可见光定位系统主要包括：LED光源发送端和LED光源接收端。 LED光源发送端主要包括LED光源控制模块和LED光源模块。LED光源接收端则 主要包括LED信号模数转换模块和LED信号解码模块等部分。（1）LED光源发送端：LED光源控制模块完成对光源位置的编码，并且由 时序控制MOS管对LED光源进行通断的控制，从而产生光源的亮灭信号。（2）LED光源接收端（模数转换）：LED模数转换模块接收光源的亮灭信号，并将其转换为可使用的数字信号。（3）LED光源接收端（信号解码）：模数转换后的数字信号经解码模块完成光源位置信息的解码，从而获得对应的LED光源的位置。

第三章 基于可见光定位技术的智能导览系统分析与设计

3.1 文博展馆展示的基本理论

3.1.1 文博展馆的展示设计

文博展馆作为全民教育的平台，其功能和社会价值在工业革命以后就得到了 展示。通过展馆中展示的各种历史展品，人们可以更深入的了解历史、了解社会 的发展过程。为了使文博展馆的全民教育价值得到更好的体现，并且容纳越来越 多的参观游客，大部分的文博展馆推出了一系列的改进措施。但是，展馆的实际 现状却不容乐观，受展馆仓库空间的限制，文博展馆收藏的展品和仓库的空间已 无法满足游客的数量增长。所以，展馆逐渐地把展品仓库与展示空间分割开来， 这就产生了展览馆的展示方式。文博展馆作为历史信息的载体和历史文化传播的专业渠道，使其呈现出的历史文化底蕴。所以，在历史文化研究领域当中，在某种程度上，文博展馆是 最具权威性的科研机构。从广义上讲，文博展馆向大众展示和讲解历史文物，到了科普历史知识的作用。另外，展馆中展出的各式各样的文物，也呈现出了历 史发展过程中国家实力的变化历程。

3.1.2 文博展馆展示特点

（1）文化传递的载体

文博展馆中的展示设计作为一种展品传播载体，承载着展品的展示效果、示风格和游客参观方式等多项内容。从展品展示而产生的文化传播是一个比较完 整的过程，它并不是一个简单的历史文物展示、信息讲解、游客接受的过程。完整的过程是从展品信息采集开始，发觉有价值的历史信息，根据现代技术和语言 进行描述，采用高科技的展示方式，如多媒体展示、三维模型展示等等，以互动 的形式向游客展示展品的详细信息，便于游客对展品的深入了解。另外，与展品 属性相匹配的展厅环境设计，有利于游客体验展品所属的历史社会环境，提升游 客的参与感。 科技研究成果在社会中的应用越来越普及，文博展馆作为历史文化展示与流 传的核心渠道，拥有丰富的历史文物，蕴含着宝贵的文化知识。目前，越来越多 的文博展馆一改传统的展馆内展示和文字描述的讲解方式，采用现代化的数字技 术来丰富展品的展示过程，通过网络途径来广泛地传播历史文化。赋予历史文物 以现代化的科技面貌，如“数字展馆”、“网络展馆”等，使具有历史厚重感的展 馆具有新鲜的现代风貌，从而促使历史文化的广泛传播。

（2）设计的综合性 现代化的文博展馆设计，需要综合多学科的技术知识，使其成为一个名副其 实的科学综合体。根据文博展馆陈列展品的种类与属性、主要面对的游客群体、 传播的文化领域、展品的样式等等多个角度来设计展馆的建筑风格、内部装饰、 多媒体应用等。

（3）展示的交互性

文博展馆以展品展示的方式与游客进行文化交流，与游客之间的互动则是文 化交流的一种特殊形式。这种特殊形式是以参与体验的方式进行文化教育，从而 让游客接受传播的文化信息。然而，达到这种交互式教育则需要从 3 方面进行考 虑：1）有明确的教育群体。面对不同的群体，与其讲述的内容、交流的方式、 展品展现的形式等都会有所不同；2）交流的实时性。时刻观察面对群体的表现， 根据群体的反应进行及时、有效的文化交流；3）双向交流。展品讲解过程的双 向交互性，能够促进游客的参与积极性，促使游客对所讲述展品的认知，从而达 到展示和参观的双重效果。

3.2 展示方式的分类及特点

3.2.1 视觉方面

在文博展馆展品的展示过程中，视觉符号作为信息展示过程中的主要表现形式，是视觉信息展示的核心要素。所以，视觉符号包括展品的图片信息、讲解文本、讲解视频/音频等内容，贯穿展品的整个展示环境和展示过程。

3.2.2 听觉方面

应用多媒体展示形式的文博展馆越来越多，展品的视频讲解、音频播放等展示形式逐渐成为展品展示的新型途径，随之而来的听觉符号也成为展品展示的另一种传播形式。例如，在展馆中部署一定数量的红外感应设备，当游客走到某一 展品面前时，红外系统会发出对应的语音播报，讲述该展品的详细信息。配合具体的展品，可设计与之对应的音频内容，使游客能够身临其境的了解到展品的使 用环境及其详细信息，提升了展品展示的生动性和趣味性。

3.2.3 交互方面

文博展馆通过展品展示的方式与游客进行交流，交互作为信息传播的一种特殊的交流方式，能够促使游客参与到展品的讲解过程中。在设计文博展馆的展示 方式过程中，需要保持游客、展品、展馆、历史时代这 4 个因素之间的协调，从 而设计出具有“科技”效果的文物展示厅。促进展品信息的顺畅展示，实现展馆设计与游客交互的一致性。在这种情况下，游客能够通过多种渠道收集展品的详细信息，从而达到交互性的展示效果。在文博展馆的展品展示过程中，并不是简 单的展品展示、信息讲解、游客学习的过程，它是不断地进行展品信息制作、信息修改、游客反馈的一个交互的展示过程。这种方式打破了原始的展品静态展示 的展示方式，而以游客为中心，促使游客主动参观、主动学习。新型的展馆设计 思想能够调动游客参与展品展示过程的积极性，能够有效地提升参观与教育的效果。（1）情景交互 新型的“交互”式展示方式更加注重以游客作为展馆的中心，强调以游客为 主。根据大量的文博展馆的参观数据表明，这种“交互”式展示方式可以增加游 客参观的趣味性和参与度。所以，设计一个良好的交互式展示方式，能够给游客 带来深刻的参观和学习体验。 一般情况下，文博展馆收藏和展示的展品，都是按照展品的属性进行陈列的， 如展品的年代、背景、种类等。展出的每件展品都会有对应的历史背景，所以， 可以采用剧情描述的方式进行展品的展示。这种展示形式，可以使游客在欣赏展 品的同时，吸引他们主动了解展品背后蕴含的历史文化，化被动了解为主动学习。 这种形式比任何形式的讲解都清晰。（2）环境交互 文博展馆的展示方式由最开始单纯的实体空间展示，发展到现在的虚拟空间、 心理空间等。设计不同的展示空间，其核心目标都是一样的，即陈列展品和增加 游客的体验度。在心理空间中，采用科技手段变换展品的形式，对游客的心理变化产生干扰，实现展品的多方面展示和游客参观体验信息反馈的效果。游客在参观的过程中，展厅环境的不断变化，会对观众的心理变换产生较为严重的影响， 从而引起相应的行为活动。这样就可以将游客的行为活动与展厅的环境变化关联起来，达到交互展览的目的。游客在展馆中的行为活动不是单独存在的，会受到其所处周围环境的影响。展馆中的环境变换对游客的行为活动具有很强的促进作用，环境变换越剧烈，对游客的心理影响就越强烈。由此可见，在展馆的空间环 境中，色彩变换越强烈，对游客的心理影响就越明显。（3）数字智能交互展览方式 科技发展的同时，促进了文博展馆的不断发展与创新，随之产生了虚拟展馆、网络展馆等等多种形式的数字化展馆。在网络的环境中，游客能够随时随地的“参观”展馆，并且可以获得与实体展馆一样的参观体验，如展品展示效果、信息讲解等，与真实的展馆如出一辙。所以，数字展馆是文博展馆在网络环境中的又一 种展示形式，给游客带来了更加丰富的参观体验。 数字化文博展馆一改原来的游客被动接受讲解为主动参与展示互动。采用虚 拟现实技术，设计一个虚拟的展示空间，将参观的游客与展示的展品放置在这个虚拟环境中。游客在这个虚拟的空间中，通过多种感官，从多个角度来参观展品 和感受周围环境的变化。这种交互的参观方式，能够保证游客在虚拟的空间中获 得深刻的参观体验。 文博展馆的主要社会价值体现在它的全民教育方面，作为一个全民教育的典型机构，承载着历史文化输出、科技文化输出的重任。所以，展馆中所展示的每 件展品都具有深厚的文化底蕴，在智能科技发展的今天，文博展馆的交互式展示 方式已趋于成熟。受展品所属时代的限制，只能采用文字描述的方式讲解展品的时代背景，无法重现展品原始的所处环境。但是，通过智能科技，可以仿真出一 个虚拟的历史环境，让游客身临其境地了解展品的时代背景、用途等信息。这种 方式能够将展品所蕴含的历史文化、社会文化等详细地讲解给游客。与此同时， 采用智能化展示方式，能够全方位地将展品信息展示给游客，并且使游客对展品 有更加深刻的认知。

3.3 系统需求分析

基于可见光定位的文博展馆智能导览设计，在位置信息的基础上，设计展品 的多媒体呈现方式。在将展品所蕴含的历史文化信息便捷地传递给游客的同时， 生成恰如其分、身临其境的视听体验，进一步加深游客对展品的认知程度。

3.3.2 功能需求

可见光定位智能导览系统主要包含走进博物院、智能导览、信息推送、网上 商城、我的足迹等 5 个主体功能，分别如下：

（1）走进博物院

关于博物院（博物院介绍、规模、特色等)、镇馆之宝。

（2）智能导览

基于可见光定位技术的导览器能够实现展馆预览、展品展示和自动讲解功能。 为参观者提供精准的实时定位、展厅分布导览服务。博物院管理人员可实时 监测各用户的当前位置，实时查询各展览馆的人员分布情况，分析不同场馆的人 流量及不同文物的参观热度等信息。同时也支持参观展馆分布地图、文物信息的 打包下载功能。

（3）信息推送

每到一个展品面前可自动呈现出相应的消息，包括文字、AR 立体展示、自主点击放大欣赏、截图保存、电脑语音讲解等。游客可以发表个人看法，对展品 进行点赞、评论。给游客推送各展区的人员密度，游客可自行疏导参观，避免人 流量过大。

（4）网上商城

智能导览APP 中的网上商城模块，能够实现展品信息推广和商家纪念品销售双重模式。另外，商家通过 APP 还可以进行纪念品展销活动的推广。通过这 种营销方式，一方面推广了商家的产品，另一方面也扩展了展馆的展品宣传渠道。

（5）我的足迹

游客可以看到自己参观的总路线是什么、走了多远、总耗时多少、观赏了多 少展品、到达了多少展柜、分别在每个地方停留的时间等信息。

2 APP 总体功能设计

用户打开 APP 后系统自动定位到所在城市，并在首界面让用户选择所要参 观的场馆。选择场馆后进入具体的场馆，可供用户选择的场馆是加入到系统平台 中的场馆，没有合作加入的场馆不出现在列表中。列表中的场馆可进行关注，关 注后可接收该场馆推送的场馆通知及动态信息。 智能导览是通过智能终端、导览器、可见光源三者相结合实现游客的定位、 文物信息展示。智能导览前期主要实现定位、文物信息的自动识别、文物信息的 全方位、多角度的展示。通过智能导览为游客提供全新的视觉、听觉体验，同时 也为游客提供个性化的服务。 导览器可以通过租赁方式租给游客，与智能终端通过 OTG 线进行连接。连 接手机后两者同时开启蓝牙通讯模块，导览器启动内置的单片机程序，通过内置 的可见光接收器来识别光源。识别到光源信号后，内置程序将信息标识通过蓝牙 通道将指令发送给手机，手机根据指令去读取相对应的展厅信息或文物信息。

3 导览系统具体功能模块设计

（1）走进博物馆

1）博物馆介绍：通过文字和图片的方式介绍博物院的整体情况，包括规模、 和场馆介绍等。 2）特色展品简介：主要以图片文字方式介绍博物院的最具特色的镇店之宝。 3）帮助说明：使用帮助。对智能导览整体功能进行介绍，让客户在使用前 对系统功能有一个概要的了解。 4）注意事项：对游客导览进行指引，对导览过程中的功能的操作进行说明， 让游客在游览之前对智能导览有一个熟悉学习过程。5）常见问题：对游客导览过程中遇到的问题进行总结，界面采用一问一答 的形式来展示常见问题的解决方法。

（2）场馆分布图

场馆分布图为游客直观的展示博物馆展厅分布图，在分布图上显示游客的当 前位置。分布图的展厅可点击弹出展厅的情况介绍和文物列表。 1）场馆分布图 以平面图形式展示博物院的展厅场馆列表，并显示游客当前所处的位置。场 馆在平面图上通过图标链接形式进行展示。 2）展厅信息查询 在平面图上通过点击场馆图标进入场馆信息展示页面，显示该场馆的介绍信 息，点击详情进入该展厅文物信息列表页。 3）展品信息查询 该模块实现游客对展厅展品信息的检索功能，可按名称模糊查询进行更进一 步的检索。选择展品可查看文物的详情信息，包括展品的文字、图片、声音文件 的播放。

（3）展品展示

1）展品展示 通过声音、文字、图片相配合来多角度全方位的将展品信息展现在游客面前。 2）展品点赞 游客可对当前参观的展品进行点赞操作，展品点赞量也是展品智能推荐排名 的一个重要的指标。 3）展品评论 游客对自己喜欢的展品可进行评论，发表自己的看法。通过发表评论可以获 得相应的积分，后续可追加通过积分可以参加平台的活动来兑换奖品或参加抽奖。 4）展品相关 游客在游览过程中浏览某个展品时系统会智能推荐和该展品相关联的展品 和商品。通过相关展品来引导游客进行参观，通过相关展品商品推荐来打通展品 和商城，实现商城的一个引流。系统自动推荐相关的纪念商品，游客可直接下单 购买，游览结束后进行取货。

（4）我的足迹

1）参观记录 该模块详情记录游客参观过的展品的情况，记录内容包括展品名称、停留时 间。同时该数据也为以后大数据分析提供数据支撑，通过数据分析来分析展品受欢迎程度及游览效果评估。 2）行程统计 统计游客今天参观总共用了多长时间，每个展厅耗时进行比较。行程统计以 天为单位进行统计，用户可以对行程进行清零操作。系统支持参观线路和文物信 息的下载功能。

（5）网上商城

APP 网上商城主要是对博物院纪念品的售卖，采用游客线上下单、现场取货 方式为主。所以 APP 网上商城主要是实现商品信息展示、下单、支付、评论、 交易查询等主要功能。商城主要流量来源于展品展示页的推荐的引流。APP 网上 商城的主要目标是丰富游客的旅游体验，所以商品售卖只是对游客参观游览的一 个补充。所以该功能主要侧重于商品的推荐、下单功能，把物流配送环节进行简化。