博物館全景智能導覽系統設計與實現

朱中一

（中國共產黨第一次全國代表大會會址紀念館，上海 200021）

數字博物館的出現為用戶提供了及時、真實以及可互動的體驗。實體博物館和數字博物館之間存在很大的差異，數字博物館在展示和體驗方面是1個基于感官網絡的博物館，其虛擬現實，強化了現實體驗以及對其他技術的應用，豐富了介紹博物館和提供信息的形式，為提供高質量和輕松的文化生活開辟了道路[1]。不能到現場的觀眾可以通過互聯網傳播的信息打破實體博物館在時間和空間上的限制，擴大了博物館公共服務的職能范圍，拓寬了它的深度和持續時間。在教育研究方面，數字博物館建立了新的信息組織，促進了博物館與研究、教育領域的合作，為學生提供了對博物館進行真實體驗的機會和相關虛擬平臺。在信息交流和傳播方面，觀眾可以“分享”博物館，還可以通過手機終端實時上傳照片并在評論區與他人互動；而且博物館的展覽活動等信息也可以傳送到用戶的手機上。在博物館衍生產品領域，該系統可以讓觀眾在線上對文化產品進行設計、制作、推廣和交易，為觀眾提供了豐富、便捷以及個性化的博物館文化產品，從而滿足了觀眾的需要，還可以將“博物館帶回家”[2]。

1 系統需求分析

在傳統博物館中，圖片文字式以及導游介紹式是最常見的2種導覽方式。傳統的圖片文字導覽通常是在展品旁邊立1個比較顯眼的標志，該標志描述了展品的歷史、用途和其產生的年代等各種信息；還可以在展品旁邊添加視頻播放器，循環播放與展品相關的視頻和音頻內容。導游介紹式導覽是由博物館的專業人員，按照預設路線帶領觀眾參觀博物館，并為觀眾介紹展品的相關知識，觀眾可以隨時向博物館的專業人員提問，從而及時獲得更多與展品相關的信息。傳統博物館主要通過文字、音像等多媒體手段為觀眾服務；然而，像文字、音頻以及視頻這類多媒體工具，它們的內容是預先錄制的、固定的，缺乏趣味性且不能與觀眾互動，也就不能引導觀眾更深入地了解展品的內涵，該模式沒有互動，完全是單向的，會使觀眾產生厭惡，不能引起觀眾探究的興趣，也不能及時解答觀眾的問題。相比之下，雖然導游介紹式導覽在向觀眾介紹展品時會避免出現觀眾不感興趣的問題，但該形式的導覽可能需要大量費用，對大量專業人員的需求也會增加博物館的經濟負擔[3]。

基于安卓（Android）的博物館全景智能導覽系統能夠讓參觀博物館的觀眾隨時了解展品的各種信息；當博物館的某些展品有損壞時，還可以通過一定的技術復原展品，從而給觀眾更好的體驗。在大型博物館中，由于博物館的場館較大，各展區的位置較為分散，該系統可以向觀眾提供展品的位置信息，并且還具備導航功能。在建設該系統時，由于Android系統主要應用于移動終端，因此要充分考慮移動終端的特性，即考慮移動終端在計算能力和儲存能力上存在的局限性[4]。

1.1 全景信息采集

全景拍攝采用專業相機拍攝整個場景的圖像信息，并使用專業軟件組合圖片，成品也需要在專用播放器上進行播放，也就是將平面圖像和計算機圖像轉換成360 °的全景圖像。

該系統能夠使用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中以360 °全景圖像和視頻的形式輸出。

1.2 開發環境和繪圖技術

OpenGL圖形庫實際上是圖形和硬件之間的接口，它包括超過100種的圖形處理功能，為開發人員提供了直觀的編程環境，并極大地簡化了3D圖形程序的編譯過程。這不僅節省了開發人員的時間，而且還提高了軟件開發的效益。

MFC的精髓是1個包括很多微軟公司都對其有明確定義的對象庫，雖然該程序在功能上有所不同，但是從性質上來說，它可以分為用戶設計界面、文件操作、多媒體使用以及數據庫等。這是微軟提供MFC庫的最重要的原因，該庫有超過100個程序開發過程中最常用的對象。在編程中，如果類庫中的1個對象可以具備所需要的功能，那么開發人員只需要調用現有的對象，其他對象就可以自動調整，節省了開發人員的時間。

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個廣角攝像頭，與分頻顯示不同，廣角攝像頭不是簡單地將圖像疊加起來，而是在 150 °～ 180 °對圖像進行處理和顯示，在對圖像進行處理后，中間是物體，將圖像放在周邊，從而直觀地進行360 °的實景展示。經過圖像處理單元一系列智能算法的處理后，最終形成1個有1幅四周全景俯視圖并可以在屏幕上顯示的應用，該應用可以直觀地呈現出物體所處的位置及其周邊情況，它可以真實快速地表現0°～360 °的全部圖像信息，從而給觀眾帶來身臨其境的感覺[5]。

1.3.2 坐標方向定位

坐標方向定位顯示的是360 °全景圖像，讓觀眾有進入三維空間的感覺?？梢詮膱鼍暗母鱾€方向對360 °模型中的所有景觀進行瀏覽，讓觀眾有身處真實場景的感覺。在制作過程中，要制作基于真實照片的三維真實圖像，盡可能地保持場景的真實性。

1.3.3 發布信息

發布信息作為解決數據可視化的方案，它主要在發布數據時對信息、歡迎詞、業務流程、會議通知和其他信息進行可視化處理。可以顯示的內容包括文本、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終端和移動終端[6]。

1.4 移動設備性能

鑒于移動設備在計算性能和儲存性能等方面的限制，有必要對該系統的總框架、數據存儲和系統與用戶的友好互動等問題進行全面審查。

1.4.1 系統總體框架

系統采用客戶端/服務器（C/S）的方法。C/S方法的優點是在處理大量數據時，它與移動終端完全分離，通過服務器或工作站來進行計算，并將計算結果發送至終端。該方法的響應程度很大程度上取決于通過無線網絡傳送數據的速度（帶寬），盡管在傳輸速度上會有延遲，但是與芯片的計算速度相比，移動終端的處理能力遠不如服務器的處理能力，因此還是會考慮把復雜、大量的數據計算放在服務器端，將簡單的計算安排在移動終端，這樣就可以提高實時效率，也可以給觀眾更完美的體驗。

1.4.2 數據儲存

在服務器上進行數據存儲可以解決博物館的大量文物數據存儲的問題，例如音頻、照片以及視頻模型等大型文件，同時還可以為后臺同步數據服務提供便利。

1.4.3 計算效率

一般來說，移動終端的處理能力有限，將傳統的圖像記錄算法移到移動終端將增加對它的限制，并削弱了移動終端的處理能力。此外，具有不同處理器特性的移動裝置各不相同，它們的計算能力也各不相同，這也會導致計算效率存在巨大差異。因此，該系統將圖像識別功能提供給服務器（這需要很長的時間來記錄圖像），確保了在實時移動時能夠根據其不同的特性來調整圖像。

1.4.4 定位的精度

由于傳統手機在室內的定位精度低，無法滿足觀眾在博物館定位的需求；因此，該系統通過視覺提高了現實定位技術的精度，觀眾可以通過智能手機定位到當前所處的位置，解決了在展廳內移動終端定位不準確的問題。

2 智能導覽系統設計

2.1 系統總體設計

從整體上看，系統大致分為3個層次，分別是后臺數據庫支撐模塊、中間控制模塊以及最后展示模塊。中間控制模塊對內通過數據連接技術對數據進行封裝，并實現了從數據庫中讀取數據的功能；對外實現數據處理的功能并將處理結果返回給觀眾。

2.2 網絡設計

網絡拓撲結構是指由傳輸介質與各種設備互連的物理布局。網絡有1個中央節點，其他節點（工作站和服務器）直接連接到中央節點。該結構集中在中心節點上，稱為集中式網絡。它具有結構簡單、易于管理、控制簡單、網絡延遲時間小、傳輸錯誤率低以及可以輕松地構建網絡等特點。用各種精心設計的圖標表示各種網絡對象，并且該圖標常以不同的顏色來表示相應設備的不同狀態。實景展示系統網絡拓撲圖如圖1所示。

2.3 功能設計

圖1 網絡拓撲圖

在功能設計上主要運用捕捉控制圖像的采集和用數據格式來控制相機設置的方式，例如自動曝光、分辨率和幀率；配置GPIO觸發或閃光燈設置，調整JPEG壓縮設置，從而滿足數據吞吐量的要求并采集同步的圖像。配套專用三腳架和真空吸盤，該設置安裝和拆卸簡單方便，而且具有標準化、簡潔的接口設計，可以連接筆記本電腦進行操作和數據存儲，極大地方便了用戶的使用，其主要步驟如下：1）聲明1個結構體Spot，包括坐標的相關信息，方便后期對信息進行調用。也可以使用面向對象的技術，除了具有類庫對象的特性和功能以外，還可以讓派生對象根據自己的特點、方法和需要添加1個需求。2） 初始化坐標。分別對系統中需要實景展示的畫面進行定位，也就是坐標方向定位，全景顯示讓人產生立體化的感覺，可以在場景中的各個方向瀏覽模型中所有景觀的全景，從而讓觀眾有更真實的體驗。初始化代碼如下。3） 開始創建窗口。初始可視角度和窗口大小的值，以便后期在窗口對圖片進行展示，并通過API將功能整合到自定義應用中。4） 進行圖形渲染。自定義應用開發的全面APIC++和C#示例源代碼。在功能設置上采用捕捉控制圖像采集和用數據格式控制相機設置的方式，例如自動曝光、分辨率和幀率，而且配置GPIO觸發或閃光燈設置，調整JPEG壓縮設置，從而滿足手機終端數據吞吐量的要求并采集同步的圖像和GPS數據。5） 每個系統都有1個功能豐富的軟件開發工具包（SDK），該工具包可以管理圖像采集、制作全景圖像以及設置相機，它包括程序、用于在C/C++編程環境中快速啟動項目的源代碼、相機設備驅動程序以及應用程序編程接口（API）軟件庫。6） GPS數據通過硬件加速圖像糾正、處理和拼接管道以及執行圖像處理，例如預置顏色轉換、曝光補償、白平衡、伽瑪校正、色調映射使用全景、圓頂或立方圖渲染輸出以及將處理后的圖像導出為各種靜態圖像或視頻文件（包括H.264、H.265、VP9、WMV、FLV以及AVI等格式的視頻文件）。7） 設置實景模擬移動的場景。8） 根據系統要求，當實際場景發生變化時，需要對數據庫中的原有資源進行更新。展品表是用來保存、添加展品的各項屬性信息，包括展品的編號、名稱、介紹、圖片以及位置，展品數據庫見表1。

表1 博物館展品數據庫表

2.4 拓展輔助功能

雖然輔助功能不是博物館Android全景智能導覽系統的主要功能，但是它對提高該系統與觀眾的關聯度至關重要。開發的輔助功能模塊是基于Android博物館全景智能導覽系統應用的重要拓展，包括服務信息、文化創意產品銷售以及網絡社區等。

2.4.1 服務信息

可以將博物館展覽活動的信息、觀眾的參觀指南、網上咨詢和其他服務轉移到Android全景智能導覽系統，從而滿足觀眾的各種需求。

2.4.2 文化創意產品銷售

文化創意產品銷售是以收藏和展品內容為基礎而開發的視聽影音材料、游戲和紀念品等，可以通過Android全景智能導覽系統平臺進行銷售。

2.4.3 互聯網社區

互聯網社區即結合社交網絡和博物館，建立網絡社區或論壇形式的Android全景智能導覽系統，該系統支持社交信息的傳播和交流，在區域建立和維持適當的信息系統，包括及時發布和交流訪問內容、生活內容等信息，有助于提高Android全景智能導覽系統的關聯性，還可以擴大Android全景智能導覽系統的范圍和影響。目前，國內的博物館大多都建立了1個Android全景智能導覽系統，其中包括各種輔助功能，例如服務咨詢、參觀服務等；但是，對其他功能的開發還不夠充分，特別是在商業服務方面。提升Android全景智能導覽系統的性能和技術水平，就可以對圖片進行處理并讓圖片在移動終端上顯示。實際上，開發Android全景智能導覽系統的商業價值對應用程序和用戶來說，特別是對系統的可持續發展，都有著十分重要的作用。在以后的博物館Android全景智能導覽系統的發展過程中，博物館可以結合自身特色，開發出專門的文創產品、娛樂游戲等，從而進一步豐富該系統的功能。

3 結語

計算機網絡技術正不斷滲透在日常生活中。該文主要是對博物館全景智能導覽系統的設計與實現進行研究，其目的是為了節省觀眾的時間，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；同時還可以從各個方位參觀博物館，讓觀眾有身臨其境的體驗。除此之外，該系統還可以為觀眾提供許多關于展品更詳細的信息，從而增強觀眾的體驗感。