第 1 章 緒論

計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，信息化時(shí)代的來(lái)臨，使博物館各方面都發(fā)生了不同以往的改變。這種變化體現(xiàn)在數(shù)字博物館、管理數(shù)字化以及豐富多彩的服務(wù)項(xiàng)目，然而這種與時(shí)俱進(jìn)的改變，卻并沒(méi)有改變目前博物館建設(shè)的窘境。展覽方式枯燥無(wú)味以及與展品缺乏互動(dòng)體驗(yàn)，以上這些問(wèn)題都是以信息傳遞為中心的傳播單一造成的�，F(xiàn)在博物館的展品收藏雖然很多，許多展品背后蘊(yùn)藏著有趣或者發(fā)人深思的故事，卻沒(méi)有能夠達(dá)到它應(yīng)有的教育意義。這導(dǎo)致游客沒(méi)有能夠獲得深層次的信息，參觀質(zhì)量低。如何改變這種強(qiáng)調(diào)以物為主的博物館運(yùn)作方式，僅僅展示收藏奇珍異寶。應(yīng)該順應(yīng)時(shí)代的求，需要博物館多元的發(fā)展，除了具有社會(huì)教育與文化觀光這些博物館基本職能外，需要改變成以人為主的瀏覽趨勢(shì)。這樣才能讓游客感受不同以往那種靜態(tài)展示方式，動(dòng)態(tài)互動(dòng)的展示更能引起游客的共鳴與興趣。因此博物館需在人機(jī)交互方面做出改變，才能為大眾提供很多的教育信息進(jìn)而體現(xiàn)博物館具有的教育意義。
.......

第 2 章 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)原理

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架

由圖 2.1 可知圖像采集模塊用來(lái)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供圖像，主要是由攝像機(jī)捕獲的真實(shí)場(chǎng)景[32]。由于攝像機(jī)采集的圖像是不同色彩空間格式，所以在圖像采集后需要統(tǒng)一格式，為后續(xù)處理提供方便。之后通過(guò)識(shí)別跟蹤模塊處理圖像中的人工標(biāo)記或自然特性，經(jīng)過(guò)三維注冊(cè)模塊計(jì)算真實(shí)物體的位姿[33]及在世界坐標(biāo)系中真實(shí)物體的位置和朝向。然后根據(jù)虛實(shí)融合過(guò)程中已經(jīng)事先籌備的虛擬信息庫(kù)內(nèi)尋找需要的信息用于增強(qiáng)真實(shí)場(chǎng)景，進(jìn)而融合虛擬三維信息和真實(shí)場(chǎng)景。最終由終端顯示模塊將混合信息顯示在屏幕上，，由此達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。

2.2 三維注冊(cè)技術(shù)

三維注冊(cè)的目的在于將虛擬物體定位在真實(shí)場(chǎng)景中，由于需要定位虛擬物體的位置，而跟蹤注冊(cè)就是實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的重要步驟，因此這技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)技術(shù)，也是能夠影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵技術(shù)。所以跟蹤注冊(cè)技術(shù)一直以來(lái)都受到廣泛的關(guān)注和研究的重中之重，同樣也是主要的技術(shù)瓶頸。一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)性能的指標(biāo)很大程度上取決于跟蹤注冊(cè)精度而且還能影響其實(shí)用性。目前根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的跟蹤注冊(cè)方法的不同以及應(yīng)用設(shè)備場(chǎng)景的區(qū)別，分為三種不同的方式如基于跟蹤器跟蹤用戶頭部的方位、基于視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)和混合跟蹤注冊(cè)。就目前而言增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域內(nèi)將注冊(cè)技術(shù)作為首要研究方向，而基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)受到大部分研究人員的青睞，它主要是利用一幅或多幅視頻圖像進(jìn)行計(jì)算獲取跟蹤物體的基本信息，進(jìn)而取得攝像機(jī)所在物理環(huán)境內(nèi)的三維信息。如果僅僅根據(jù)跟蹤模塊提供的信息作為輸入信息的注冊(cè)方式整體屬于一種開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)根據(jù)虛擬物體和真實(shí)環(huán)境間的融合效果進(jìn)行反饋處理，因此取得的效果無(wú)法達(dá)到無(wú)縫連接進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

第 3 章 基于標(biāo)識(shí)的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究 ........... 20 

3.1 基于標(biāo)識(shí)跟蹤注冊(cè)技術(shù)過(guò)程 ............... 20 
3.2 標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì) ............ 21 
3.3 標(biāo)識(shí)的特征提取與編碼識(shí)別 .............. 22
第 4 章 博物館游覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ............ 37 
4.1 系統(tǒng)目標(biāo)和環(huán)境 ....... 37 
4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) ................ 37 
4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ............... 38
4.4  本章小結(jié) ......................... 46 
第 5 章 結(jié)論 ...................... 47

第 4 章 博物館游覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

4.1 系統(tǒng)目標(biāo)和環(huán)境 

針對(duì)目前博物館建設(shè)中存在的問(wèn)題，如單純的利用展品說(shuō)明牌不能很好的傳達(dá)更多信息并受到牌子大小的限制，有的僅僅提及名稱沒(méi)有更多的信息，無(wú)法充分展示展品的魅力，還有博物館占地面積巨大，游客沉浸其中需要位置信息進(jìn)行引導(dǎo)。本文設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng) AR 的博物館游覽系統(tǒng)，通過(guò)本文改進(jìn)的識(shí)別算法能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出不同位置姿態(tài)的說(shuō)明牌上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，還能為游客提供位置信息。 本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用手機(jī)的基本配置參數(shù)如表 4.1 所示。

4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 

本系統(tǒng)考慮到目前博物館中手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差的因素，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的 C/S 架構(gòu)，而是將 C/S 架構(gòu)中客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行整合在脫機(jī)模式下完成。通過(guò)手機(jī)攝像頭捕獲標(biāo)識(shí)點(diǎn)，對(duì)視頻流進(jìn)行識(shí)別然后通過(guò)模板庫(kù)進(jìn)行匹配，匹配完成后進(jìn)行虛實(shí)融合，最終顯示在手機(jī)屏幕上。綜上所述系統(tǒng)中移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的整體流程設(shè)計(jì)如圖4.1 所示。圖4.1 可知，首先進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)處理模塊，建立好虛擬三維模型，預(yù)先拍攝關(guān)鍵幀圖像，提取特征點(diǎn)，計(jì)算描述符并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。然后根據(jù)匹配算法生成虛實(shí)結(jié)合圖像，系統(tǒng)工作時(shí)，在攝像機(jī)獲取的當(dāng)前幀圖像上提取特征點(diǎn)，計(jì)算描述符，對(duì)特定幀和目前幀圖片匹配特征，獲得匹配的點(diǎn)對(duì)；利用攝像頭模型參數(shù)估計(jì)當(dāng)前攝像機(jī)的位置角度信息，應(yīng)用 RANSAC 魯棒性方法去除錯(cuò)誤匹配點(diǎn)對(duì)。使用篩選后的匹配點(diǎn)對(duì)和攝像機(jī)模型參數(shù)，根據(jù) 2D/3D 對(duì)應(yīng)關(guān)系，再次計(jì)算出攝像機(jī)的姿態(tài)信息并進(jìn)行更新。利用攝像頭的位置和角度信息，將虛擬三維模型與當(dāng)前幀相互融合。最后以虛實(shí)結(jié)合方式輸出到智能終端手機(jī)屏幕上，之后展示虛實(shí)融合后的效果。
.........

第 5 章 結(jié)論 

本文結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和目前博物館建設(shè)，設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并對(duì)其中使用的算法和模塊進(jìn)行整合和實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。研究意義是將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)相結(jié)合并應(yīng)用于博物館游覽中，和傳統(tǒng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相比，具有便攜和易于交互特性，提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的普及程度。除此之外，根據(jù)博物館復(fù)雜環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)并通過(guò)模擬環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)在模擬環(huán)境中具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性。首先，通過(guò)對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)上的研究，鑒于移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算性能和存儲(chǔ)能力，以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中跟蹤注冊(cè)算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。采用人工標(biāo)識(shí)點(diǎn)作為跟蹤注冊(cè)的目標(biāo)，完成了人工標(biāo)識(shí)的提取步驟和匹配方式，并且能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需求。其次，根據(jù)博物館中實(shí)際環(huán)境，對(duì)基于人工標(biāo)識(shí)跟蹤注冊(cè)算法進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)識(shí)點(diǎn)的提取和匹配方法。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，人工標(biāo)識(shí)跟蹤注冊(cè)算法確保了在博物館中應(yīng)用的可行性和實(shí)用性。最后，基于人工標(biāo)識(shí)技術(shù)研究以及三維模型的選擇制作和顯示，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套博物館旅游系統(tǒng)的 APP 軟件，解決目前博物館中展覽方式單一、交互能力差等一些問(wèn)題。

.........

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：66411