新疆科技馆掌上系统的设计与实现

近年来伴随着智能移动设备的快速发展，各种搭建于移动平台的产品应用开发日趋活跃，使智能移动设备成为最为方便的交互工具，同时随着移动通信技术的不断发展，移动网络日渐普及，其传输速度与过去相比有质的飞跃。在科普事业发展繁荣的今天，如何构建基于手机平台的科普事业发展成为科技馆事业发展的良机，是中国科普事业需要迫切解决的问题之一。随着人们科学文化素质的提高，传统的人工导览、语音导览、多媒体导览终端已经不能满足观众参观需求。将移动技术与科普展览相结合，有利于普及科学知识、传播科学理念、引导科学生活、弘扬科学精神，为提高公众科学素质、维护社会稳定和长治久安做出积极地贡献。在我国，利用手机应用程序进行科普宣传尚未成系统的展开，而在国外科普展馆智能导览系统已经趋于成熟。导览移动终端及形式多样，部分已经投入商业应用。智能导览系统中使用的主要定位技术包括红外线定位、蓝牙定位、GPS技术定位、RFID定位以及WIFI定位等。随着智能手机（如iphone、Androia手机等）、平板电脑（如ipad等）的不断普及以及无线网络的搭建与覆盖，基于智能手机等移动终端的智能导览系统的开始出现。新疆地域广阔，科普受众较为分散，科普宣传和科普教育的深入都有待发展和提高。通过本课题的研究程序，能够把大量的科普展品及科普知识通过一个通道高效广泛地传播出去，让更多的人了解、接受、掌握各类科普知识。因此，开发“掌上新疆科技馆系统”，建立掌上科技馆手机应用平台，将智能手机与科普宣传结合，是可以实现且应当进行推广的新式科普导览程序；这种程序的开发和使用有利于科普知识的传播，可以为广大用户提供更为便捷的方式了解科普知识以及实体科技馆的漫游，对科普知识的普及有着重要意义。

国内外研究现状概述

智能博物馆导览系统最早出现于 1998 年，Burgard 等人开发出了一种交互式 的博物馆参观导航机器人。机器人可以高速的在人群中移动，到达目标展点对游 客进行介绍与互动。随着硬件技术发展，智能移动设备开始配备性能强大的处理器、图像传感器、 惯性传感器、全球定位系统等，功能越来越强大。2004 年，Chou 等人研制出了 一个基于 PDA 的移动多媒体导览系统，该系统需要在展品周围放置红外发射器， 发射器通过红外信号将展品的信息发送到 PDA 设备上，接收到的红外信号的 PDA 在检测出当前的展品 ID 后自动获取展品信息并予以展示。此系统首次以图片、视 频等多媒体信息对展品进行演示。

二维码的特点

随着二维码在技术上的不断革新，二维码的使用越来越广泛。二维码的广泛使用与其自身独具的优点是密不可分的。二维码主要具有以下三个方面的优点：（1）存储容量大。在信息存储过程中，二维码采用高密度编码方式，使其能够储存的信息容量很大。使用一个二维码图标最多可容纳1850个大写字母（或2710个数字或500多个汉字）的内容，远远高于传统条码信息储存容量。使用一维码无法储存的诸如网址等内容，可以使用二维码方便的进行存储。（2）储存性能好。使用二维码进行编码，只要信息损毁面积在百分之五十以内，所储存的信息就可以恢复，因此二维码具有很强的容错能力。二维码的译码准确率高，普通条码译码错误率在百万分之二左右，二维码在译码时的误码率低于千万分之一。此外，二维码还引入了加密机制，对条码中的数据符号信息进行加密保护，确保在特定信息不能被随意解读。（3）使用价值高。相比其他编码译码技术，二维码的在制作、识别过程中都具有很大的优势。用于二维码制作的材料与设备的通常价格低廉，可根据应用的需求设定二维码的尺寸，可以展现丰富多样的形式，对印刷设备没有特殊要求；二维码识别过程快速方便，通过扫描二维码的专用软件即可轻松实现信息的获取。

移动增强现实主要技术

移动增强现实技术主要包含以下五大支撑技术：移动计算平台、跟踪配准、显示与交互、无线网络技术以及数据存储与访问。(1)移动计算平台。系统需要一个高性能的计算平台，计算平台用于创建和管理虚拟信息、处理跟踪信息、进行虚拟信息与真实物理环境的融合、控制增强现实的显示。对于计算平台的选择主要考虑以下几个方面的因素：计算能力、多媒体和图形处理能力、内存和存储空间、操作系统、此外还有功耗、扩展和接口的可用性、提供的技术支持以及价格等内容。(2)跟踪配准技术。跟踪配准技术是移动增强现实系统的核心技术，其性能高低直接决定了真实环境与虚拟内容是否能够进行准确的匹配。跟踪配准技术的目的是将目标虚拟信息与观察到的真实场景进行融合，将虚拟信息添加于与真实场景对应的位置以保证提示信息被准确接收，具体做法为：先根据真实环境（标志点等）确定观察者与虚拟物体间的位置关系，然后在图形渲染流水线中将虚拟物体准确的设置于观察者的视场范围内。目前常用的跟踪配准技术主要有三类：基于硬件跟踪器的跟踪配准技术、基于计算机视觉的跟踪配准技术和基于无线网络的跟踪配准技术。1）基于硬件跟踪器的配准技术通过跟踪设备中的发射源及其对应的感知器获取目标物体的位置和朝向。代表性的跟踪方法有：惯性导航系统（INS）、三维电子罗盘和全球定位系统（GPS）等。2）基于计算机视觉的跟踪配准技术通过对摄像机图形进行分析，采用模式识别或其他相关算法检测出目标物体，同时计算出摄像机与目标物体的相对姿态，摄像机通常需要预先标定，得出其内外参数用户计算并渲染虚拟物体的位置。根据其识别内容，通常分为两种方法：基于标志点的跟踪配准方法和基于自然特征点的跟踪配准方法。3）基于无线网络的跟踪配准技术通过对无线电波的幅度、相位、传输时间等参数，根据专用算法来计算目标物体的位置。在实际使用过程中，由于单一的匹配算法存在各种不足与限制，通常需要将多种方式相结合才可达到移动增强现实系统对于精度的要求。

显示技术与交互技术。

显示技术作为增强显示系统中的视觉展示部分，常用的显示技术包含头盔式显示技术、手持显示技术、空间显示技术三种。增强现实中常用的交互技术主要分三类：基于硬件设备的交互技术、基于模式识别的交互技术和基于软件的交互技术。1）基于硬件设备的交互技术。此类交互技术主要依靠键盘、鼠标、数据手套等硬件设备实现用户和虚拟场景之间的交互。用户可以通过鼠标选定图像中的某些内容，然后对此内容进行移动或其他操作。2）基于模式识别的交互技术。模式识别技术作为计算机视觉的基础技术之一，主要对图像中的内容进行分类与识别。表情识别、语音识别和文字识别等技术在增强现实系统中较为常用。3）基于软件的交互技术。主要通过菜单、特制工具和特殊标记等方式在增强现实系统中展现。(4)无线网络技术。通过无线通信技术，可大大扩展移动增强现实技术的使用范围，提高移动增强现实的性能。无线网络包括无线局域网络（WLAN）和无线个人区域网络（WPAN）几种类型，根据移动增强现实系统的使用的方式可以最合适的无线网络。(5)数据存储与访问技术。用户在使用移动增强现实系统过程中，系统需要提供与用户所处环境相关的信息、用户当前所处的上下文环境等内容。通过数据库以及基于上下文的服务技术，可以解决数据的访问、管理等问题。

移动导览数字资源智能管理系统

（1）数字资源内容管理管理整体展品素材的采编发，素材的类型可包括文字、图片、音频、视频；管理员可在此系统界面录入展品的说明信息、使用注意事项、科学原理，周边信息，馆内地图等；支持直接进行音频讲解的录制（普通话、维语等）；生成手机端的调查问卷。
（2）导览线路管理管理科技馆面向用户提供的不同的导览路线，设置导览路线包含的展品内容。例如1小时的精华参观路线导览、2小时的全程深度体验导览等。
（3）掌上新疆科技馆管理管理移动应用客户端应用的更新、应用布局及设置等。
（4）用户管理管理“掌上新疆科技馆”移动应用客户端用户信息，可对其进行分组及统计，以及到馆用户的体验路径、看过的展品统计等，从而作为优化导览线路、展品陈设和服务效果的分析展示。
（5）二维码及NFC信息生成管理员在后台可根据展品编号以及位置信息自动生成对应的二维码及NFC标签信息。
（6）定位信息管理可将位置信息与展品编号或二维码、NFC标签相关联，前台用户使用手机扫描二维码或NFC后即可获取所在位置。
（7）其他除以上功能外，系统还可对用户推送到馆前的开闭馆时间、路线、讲座活动、特展信息的通知提醒；用户到馆中签到后的参观注意事项等通知提醒；用户离馆后的调查问卷等通知提醒等。