第 1 章 緒論

計算機技術的蓬勃發(fā)展，信息化時代的來臨，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)在數字博物館、管理數字化以及豐富多彩的服務項目，然而這種與時俱進的改變，卻并沒有改變目前博物館建設的窘境。展覽方式枯燥無味以及與展品缺乏互動體驗，以上這些問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，許多展品背后蘊藏著有趣或者發(fā)人深思的故事，卻沒有能夠達到它應有的教育意義。這導致游客沒有能夠獲得深層次的信息，參觀質量低。如何改變這種強調以物為主的博物館運作方式，僅僅展示收藏奇珍異寶。應該順應時代的求，需要博物館多元的發(fā)展，除了具有社會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。這樣才能讓游客感受不同以往那種靜態(tài)展示方式，動態(tài)互動的展示更能引起游客的共鳴與興趣。因此博物館需在人機交互方面做出改變，才能為大眾提供很多的教育信息進而體現(xiàn)博物館具有的教育意義。
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第 2 章 移動增強現(xiàn)實相關原理

2.1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)框架

由圖 2.1 可知圖像采集模塊用來為增強現(xiàn)實系統(tǒng)提供圖像，主要是由攝像機捕獲的真實場景[32]。由于攝像機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。之后通過識別跟蹤模塊處理圖像中的人工標記或自然特性，經過三維注冊模塊計算真實物體的位姿[33]及在世界坐標系中真實物體的位置和朝向。然后根據虛實融合過程中已經事先籌備的虛擬信息庫內尋找需要的信息用于增強真實場景，進而融合虛擬三維信息和真實場景。最終由終端顯示模塊將混合信息顯示在屏幕上，，由此達到增強現(xiàn)實效果。

2.2 三維注冊技術

三維注冊的目的在于將虛擬物體定位在真實場景中，由于需要定位虛擬物體的位置，而跟蹤注冊就是實現(xiàn)這一過程的重要步驟，因此這技術是增強現(xiàn)實系統(tǒng)構建的基礎技術，也是能夠影響增強現(xiàn)實系統(tǒng)整體性能的關鍵技術。所以跟蹤注冊技術一直以來都受到廣泛的關注和研究的重中之重，同樣也是主要的技術瓶頸。一個增強現(xiàn)實系統(tǒng)性能的指標很大程度上取決于跟蹤注冊精度而且還能影響其實用性。目前根據增強現(xiàn)實系統(tǒng)采用的跟蹤注冊方法的不同以及應用設備場景的區(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、基于視覺的跟蹤注冊和混合跟蹤注冊。就目前而言增強現(xiàn)實領域內將注冊技術作為首要研究方向，而基于計算機視覺的跟蹤注冊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行計算獲取跟蹤物體的基本信息，進而取得攝像機所在物理環(huán)境內的三維信息。如果僅僅根據跟蹤模塊提供的信息作為輸入信息的注冊方式整體屬于一種開環(huán)控制，系統(tǒng)無法實時根據虛擬物體和真實環(huán)境間的融合效果進行反饋處理，因此取得的效果無法達到無縫連接進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

第 3 章 基于標識的移動增強現(xiàn)實技術研究 ........... 20 

3.1 基于標識跟蹤注冊技術過程 ............... 20 
3.2 標識的設計 ............ 21 
3.3 標識的特征提取與編碼識別 .............. 22
第 4 章 博物館游覽系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ............ 37 
4.1 系統(tǒng)目標和環(huán)境 ....... 37 
4.2 系統(tǒng)框架設計 ................ 37 
4.3 系統(tǒng)設計實現(xiàn) ............... 38
4.4  本章小結 ......................... 46 
第 5 章 結論 ...................... 47

第 4 章 博物館游覽系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 

4.1 系統(tǒng)目標和環(huán)境 

針對目前博物館建設中存在的問題，如單純的利用展品說明牌不能很好的傳達更多信息并受到牌子大小的限制，有的僅僅提及名稱沒有更多的信息，無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行引導。本文設計并且實現(xiàn)基于移動 AR 的博物館游覽系統(tǒng)，通過本文改進的識別算法能夠準確的識別出不同位置姿態(tài)的說明牌上的標識點，還能為游客提供位置信息。 本文實驗系統(tǒng)使用手機的基本配置參數如表 4.1 所示。

4.2 系統(tǒng)框架設計 

本系統(tǒng)考慮到目前博物館中手機網絡信號差的因素，沒有采用傳統(tǒng)的 C/S 架構，而是將 C/S 架構中客戶端和服務器端進行整合在脫機模式下完成。通過手機攝像頭捕獲標識點，對視頻流進行識別然后通過模板庫進行匹配，匹配完成后進行虛實融合，最終顯示在手機屏幕上。綜上所述系統(tǒng)中移動增強現(xiàn)實的整體流程設計如圖4.1 所示。圖4.1 可知，首先進行系統(tǒng)預處理模塊，建立好虛擬三維模型，預先拍攝關鍵幀圖像，提取特征點，計算描述符并存入數據庫。然后根據匹配算法生成虛實結合圖像，系統(tǒng)工作時，在攝像機獲取的當前幀圖像上提取特征點，計算描述符，對特定幀和目前幀圖片匹配特征，獲得匹配的點對；利用攝像頭模型參數估計當前攝像機的位置角度信息，應用 RANSAC 魯棒性方法去除錯誤匹配點對。使用篩選后的匹配點對和攝像機模型參數，根據 2D/3D 對應關系，再次計算出攝像機的姿態(tài)信息并進行更新。利用攝像頭的位置和角度信息，將虛擬三維模型與當前幀相互融合。最后以虛實結合方式輸出到智能終端手機屏幕上，之后展示虛實融合后的效果。
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第 5 章 結論 

本文結合增強現(xiàn)實技術和目前博物館建設，設計了一套移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)并對其中使用的算法和模塊進行整合和實現(xiàn)預期目標。研究意義是將增強現(xiàn)實技術和移動設備平臺相結合并應用于博物館游覽中，和傳統(tǒng)的增強現(xiàn)實相比，具有便攜和易于交互特性，提高增強現(xiàn)實應用的普及程度。除此之外，根據博物館復雜環(huán)境對算法進行改進并通過模擬環(huán)境進行測試，驗證系統(tǒng)在模擬環(huán)境中具有較強實時性。首先，通過對于增強現(xiàn)實技術在移動設備平臺上的研究，鑒于移動設備的計算性能和存儲能力，以及增強現(xiàn)實系統(tǒng)中跟蹤注冊算法的準確性和實時性。采用人工標識點作為跟蹤注冊的目標，完成了人工標識的提取步驟和匹配方式，并且能夠滿足系統(tǒng)實時性的需求。其次，根據博物館中實際環(huán)境，對基于人工標識跟蹤注冊算法進行了改進，進一步優(yōu)化標識點的提取和匹配方法。模擬實驗結果表示，人工標識跟蹤注冊算法確保了在博物館中應用的可行性和實用性。最后，基于人工標識技術研究以及三維模型的選擇制作和顯示，設計并實現(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題。

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參考文獻（略）

本文編號：66411