原创《基于全景技术的虚拟地质博物馆系统设计以湖南省地质博物馆为例》
本文是关于博物馆方面毕业论文提纲范文与地质博物馆和全景技术和系统设计有关研究生毕业论文范文。
摘 要：针对目前虚拟地质博物馆三维展示效果失真、加载速度慢、交互体验差等缺点,以湖南省地质博物馆为例,采用室内全景技术研究了以少量图片代替大数据量建模的三维展示方式,探讨了基于全景技术构建虚拟仿真地质博物馆系统的总体设计与实现.
关键词：全景技术；Pano2vr；三维建模；地质博物馆
中图分类号：TP391.98；P5-28；G268文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.01.089
随着虚拟现实技术的快速发展,通过互联网技术将现实世界中的物体以虚拟立体形式展示并提供流畅的仿真交互操作已成为一种趋势[1-2].目前越来越多的博物馆从事虚拟现实领域研究,期望探索出符合自身特点的虚拟展现技术.当前技术以建模和全景为主,在一定程度上解决了传统博物馆开放时间、场地等限制性问题,极大程度地满足了用户对仿真式博物馆的基本需求[3].具有代表性的有：河南省博物馆、南京博物馆、敦煌博物院等.采用建模技术的博物馆展示,在一定程度上满足了用户对“真三维”的体验需求,但这种体验建立在大量精细模型的基础之上,增加了数据通信负担,影响用户交互体验.此外,三维模型和属性信息的关联程度低,用户无法通过相关信息进行快速查询定位.
三维全景技术是目前全球范围内已趋近成熟的一种视觉技术,其核心是利用基于图像绘制的静态2D图代替需要构建的3D模型场景.虽然并不是真正意义上的“三维”,但因其画质高、场景逼真、便于制作等特点受到广泛关注.基于全景的博物馆建设采用图像拼接和融合实现720°的环绕视角,真实还原场景和藏品的三维信息,给人以身临其境之感[4].结合博物馆现状及全景优势,笔者提出以三维全景技术构建湖南省虚拟地质博物馆,通过全景搭建三维场景,采用逐帧动画思想模拟三维藏品,利用编程语言实现二三维信息互联,使用户通过浏览器就可完成对博物馆的参观、浏览和在线交流.
1系统建设平台
1）全景数据采集工具.全景数据采集实质上是指场景拍摄的过程,即以某一点为中心进行水平360°和垂直180°拍摄[5].用于全景浏览的大视角场景可以直接采用专业装置,如全景相机或鱼眼镜头相机,但由于拍摄仪器造价昂贵,不易普及.由于虚拟地质博物馆在室内建设,存在视角局限,用普通相机能够更好地控制照片的度和平衡度,但这种方法对拍摄要求高,通常要借助三脚架和云台.与前者相比,普通相机费用低,易操作,故该系统采用普通相机获取全景素材.
2）全景制作软件.全景制作包括图片拼接和融合[6].全景拼接是将多幅相接且具有重复区域的图像进行无缝缝合,从而得到大视角全景图像的技术,目前该技术已相对成熟,随之发展起来的拼接软件完全满足虚拟地质博物馆建设需要.常用拼接软件有PT-GUI,PanoramaStudio,Photoshop等.其中PanoramaStudio操作简单、功能齐全,能够根据图片特征自动进行预处理、特征点配准、融合以及边界平滑等,是一款较为适用的轻量级软件.
3）系统建设平台.单个全景图片只是单视点的2D静态图,并不能称之为真正的虚拟现实实景,因此,必须对多个全景图进行合理的空间编辑和组织[7].这种空间编辑和组织实质上是根据视角方向显示并渲染预先存储全景图的一部分,从而实现在固定节点旋转、缩放以及节点漫游等实时交互效果.在常用的全景建设平台中,Pano2vr具有简单轻量、功能齐全、便于开发等特点,可以将全景展示文件通过HTML5,FLASH,QUICKTIME等格式嵌入网页,快速实现简单漫游.因此笔者选用Pano2vr,在实现初步建设后,利用网站脚本语言对博物馆展示、教育、管理等功能进行拓展.
2系统总体设计
一是系统架构图（见图1）.二是系统实施流程.博物馆的实施按照软件开发基本实施流程进行（见图2）.在了解博物馆地质特色和用户需求后,将三维数据采集工作分为场景拍摄和展品图片收集,待图像处理完后直接录入三维模型库.属性资料主要来自展品、展馆和内部人员的基本信息,根据数据库规定的属性字段整理后录入属性数据库.系统设计与开发包括三维虚拟系统和后台管理系统.三维仿真系统利用Pano2vrAPI进行二次开发.后台管理系统利用数据库技术和图像处理技术管理基础数据和图像数据.三是数据采集与处理.数据采集包括对展馆全景、展品模型、图像、音频、视频及文字等数据的采集.湖南省地质博物馆分为地质环境厅、资源厅、地球厅、古生物厅、矿物厅、矿物晶体厅.展品根据其地质特性、形成年代、蕴含成分进行划分布设.在采集图像数据时,按照展馆内部结构设计节点位置和漫游路线,依据节点布置三脚架、云台、相机等全景拍摄工具,在当前节点的全景采集工作结束后,随即录入节点视角范围内展品图像数据,以保证数据的正确性和完整性.数据采集后,后期处理主要包括：筛选和整理属性信息；调整图像的色彩度与明亮度；剪辑处理音频视频文件；拼接三维模型图片.
3数据库设计
博物馆系统数据格式复杂,为保持数据一致性,采用数据库存储属性信息,即文字信息和图片、文档路径；采用文件存储异构数据,即图片、视频、音频、文档.结合湖南省地质博物馆展馆、展品及人员之间的关系,共设计12张数据表,其中基本信息表10张,存储用户、展厅、展品、文件、留言等基本信息；关系表2张,以外键关联,保持展品与展厅、类型之间关系.以展品为例,展品基本信息表（见表1）以EXH_ID为主键,存储与展品相关的全部信息.通过EXH_ID关联展品-展厅关系表（见第91页表2）,能够快速提取展品位置、展馆模型和相关属性数据,实现展品与展馆的互响应.
4湖南省虚拟地质博物馆仿真系统实例
1）用户登陆验证.传统博物馆建设仅用于展
示,用户角色定义较为模糊,无法拦截存在身份问
题的用户对系统的恶意操作.而该系统根据用户身份划分等级,规定不同身份的用户操作.内部用户享有系统提供的所有操作；公众用户则具有除回复留言之外的权限；为避免XSS等安全问题,为未完成注册的匿名用户仅提供场景漫游与展品展示.
2）漫游方式选择.结合用户对地学知识的掌握程度、参观心理和习惯,系统提供两种漫游方式,即选择性漫游和自主性漫游.前者为具有一定地学背景知识的用户提供了快速参观的可能,用户在输入约束条件后就能快速定位感兴趣展品.后者根据部分用户按照展馆逐个参观的心理而提出,用户在参观过程中就可以根据兴趣自主查看展品.
3）场景漫游展示.全景技术以720°全景方式展示展馆信息,用户通过鼠标控制场景漫游.根据系统提供的路径,模拟用户在仿真场景中的行走.漫游过程中,用户通过拖拽鼠标实现全景浏览.当用户对某展品感兴趣时,滚动鼠标滑轮放大视角,展品将清晰地展现在视野内.
4）展品动态展示.场景中的展品以静态图片的方式陈列在展馆中.而静态图片动态展示需要利用查询定位和鼠标交互来实现.查询定位通过文字约束动态调用数据库信息实现跨展馆浏览,视角跳转到目标位置后,就可以利用索引图片操纵鼠标对展品属性信息、三维信息及视频音频进行查看.
5）在线互动.在线互动包括留言和聊天.留言模块为内部用户与公众用户的单向交流提供平台,以评论和反馈为主.聊天模块是内部用户与公众用户之间双向交流的通道,用于交流地质知识.
6）教育学习平台.除展示教育外,该系统还专门提供仿真博物馆文件资料库,供用户下载学习.用户可根据需要自主下载包括地貌形成、岩石沉积、展品成分及仿真博物馆建设等文件资料,深入了解地质科学及虚拟博物馆建设[7].
5结束语
虚拟地质博物馆是集展示、教育和管理为一体,以普及地质相关科学为宗旨的互联网教育系统.依照用户需求对博物馆建设进行总体设计,在互联网环境下采用三维全景技术进行仿真模拟,减少了模型数据量,同时缓解了网络传输压力.利用相机拍摄场景真实照片,还原了展馆原貌,同时增强了仿真效果.三维模型以图片代替,减少了数据加载时间,同时缩短用户等待时间,极大地满足用户体验需求.此外,系统还增加了以聊天互动、云资料库等方式的延伸功能,满足了用户求知,强化了博物馆的科普教育功能.
参考文献：
[1]张秋莲,李涵.360度全景展示在虚拟博物馆中的应用探
索[J].中国国家博物馆馆刊,2011(9):154-156.
[2]杨建杰,胡进.基于全景技术的博物馆网络虚拟展示实现
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[3]伍亚婕.试论博物馆陈列中的互动体验展示[D].上海:复
旦大学,2008.
[4]王桐,王亮,马楠.基于全景图的虚拟现实技术在数字博物
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[5]冯建平,吴丽华.基于全景图像的三维全景漫游系统的构
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[6]苏宇.基于特征点的图像拼接技术研究[D].西安:西安电
子科技大学,2008.
[7]王晨晨.虚拟现实技术及其在图书馆的应用[J].图书馆学
研究,2011(20):34-37.（责任编辑邸开宇）
博物馆论文参考资料：
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