數字化考古導覽平臺的設計與實現

馬隆隆 楊 虎 王 迪 李明悅

(鄭州大學地球科學與技術學院, 河南 鄭州 450001)

0 引言

考古遺址是體現中華民族和中華文明起源與發展的物化載體,是建設文化強國的重要戰略資源[1]。盡管考古文化一直在積極發展,但是針對考古遺址的保護方面仍存在著一些問題:人為破壞、動植物破壞以及風化雨水侵蝕等都會對環境產生一定程度的影響[2-3]。除此之外,由于一些考古遺址所處地理位置較為偏僻,對于游客而言十分不便,同時出于對考古遺址中出土文物的保護,大多數文物會轉至博物館進行保存,因此游客到考古遺址進行游覽的內容相對比較有限。移動地理信息系統(geographic information system,GIS)是建立在移動計算環境、有限處理能力的移動終端條件下,提供移動性的、分布式的、隨遇性的移動地理信息服務的GIS[4]。增強現實技術是將計算機渲染生成的虛擬場景與真實世界中的場景無縫融合起來的一種技術,它通過視頻顯示設備將虛實融合的場景呈現給用戶,使人們與計算機之間的交互更加的自然[5]。

針對考古導覽系統的設計,目前國內外多集中在兩方面:一方面是使用可穿戴的AR設備來幫助用戶在考古地的三維場景中進行游覽,例如基于移動可穿戴計算機和先進的可視化和多模態交互技術設計的系統,并且借助增強現實(augmented reality,AR)設備來幫助用戶在虛擬的考古遺址場景中進行游覽[6]；另一方面是針對考古遺址的信息管理系統,這類系統主要是針對考古遺址的地理位置、出土文物等信息進行綜合管理,例如,以地理信息空間服務為框架所搭建的Web端的考古信息系統以及借助于GIS系統實現的考古勘探信息系統[7-10]?？傮w而言,當前的考古導覽系統雖然能夠實現考古遺址的信息管理以及虛擬場景游覽服務,但是未能很好地將兩者結合起來,同時提供的虛擬場景游覽服務也多是借助于AR設備來實現的,這很難普及到廣大的民眾中去。

基于以上情況,本文設計并開發了“數字化考古導覽平臺”,該平臺發揮了移動端的便捷優勢,并結合移動GIS技術、增強現實技術等關鍵技術來實現考古地三維場景的“沉浸式”瀏覽、文物及考古場景的三維模型展示、考古地和博物館等平面圖層及其信息數據的可視化、室內外一體導航等功能,在移動端上建立二三維數字化展示平臺,做到了考古地相關信息管理服務與虛擬場景瀏覽服務的有機結合。

1 架構設計

本文所設計的數字化考古導覽平臺是基于安卓平臺進行開發的,通過借助AR技術模擬真實的考古地遺址環境,使得用戶可以在移動設備上游覽到近乎真實的考古地遺跡,同時還可幫助用戶了解到與考古地遺址相關的文物以及博物館信息,為用戶提供考古信息一體化服務。該平臺的總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

系統支持層是整個平臺的軟硬件設施基礎,包括服務器、GIS軟件、移動端設備以及數據庫平臺等。

數據模型層是整個平臺的信息資源,主要包括各類數據庫,用來存放平臺運行所需的數據,地圖數據庫是基于移動地理數據庫建立,主要存放平臺運行所需的地圖底圖以及博物館矢量平面圖等,三維模型數據庫以及基本信息數據庫都是基于MySQL數據庫平臺建立的,三維模型數據庫中存儲的是考古地三維模型和文物三維模型的相關數據,基本信息數據庫中存放的是登錄平臺所需的用戶信息以及在平臺上的社區交流的相關動態信息。

中間框架層是整個平臺的技術支撐,平臺基于各種開發包以及開源庫進行搭建以及功能的實現,是應用實現層的基礎。

應用實現層借助于以上層級的支持,使得用戶可以通過移動設備來進行考古游覽,包括三維展示平臺功能、二維展示功能以及一些常規功能來提高用戶的游覽體驗。

2 系統關鍵技術

2.1 基于GIS技術的可交互式二三維展示平臺

數字化考古導覽平臺在移動端上基于GIS技術建立可交互式的二三維數字化展示平臺,其具體技術實現路線如圖2所示。

(1)二維展示平臺。借助于ArcGIS以及移動地理數據庫進行二維圖層的繪制、編輯以及存儲。

(2)三維展示平臺。借助于3DMax以及ArcGISPro進行三維模型的建模、CGCS2000坐標系轉換[11]等操作,實現三維場景的部署以及展示。

圖2 二三維展示平臺實現流程

2.2 室內路線規劃算法

數字化考古導覽平臺為用戶提供了瀏覽博物館時的室內路線規劃服務,可以為用戶規劃一條到其指定的文物展覽位置的最短路徑。其算法具體實現流程如圖3所示。

圖3 室內規劃算法實現流程

(1)將博物館室內圖層柵格化[12]。以柵格化后的圖層的兩條互相垂直的邊作為平面直角坐標系的x軸和y軸,將圖層中的無障礙區間用坐標(x,y)來表示,對于障礙物所在的柵格不予表示。

(2)將用戶所在位置設置為起始節點,將用戶點擊要瀏覽的文物位置設置為目標節點。

(3)根據傳統A*算法[13]得到一條避開障礙物的初步路徑規劃結果。

(4)根據改進A*算法[14]中的冗余拐點剔除策略對上一步中得到的初步路徑進行優化,得到最優路徑,將路徑顯示在博物館圖層上即完成路徑規劃。

2.3 考古場景內AR游覽技術

在移動端加載考古地三維場景后,用戶可以手持移動端運行,從而考古地場景也會產生相應的視角變換以及場景切換,并且用戶可以點擊在場景中的該考古地出土的文物來查看其信息,達到AR游覽考古地的效果,其具體實現如下:

(1)視角監聽。當用戶進行AR游覽時,通過手機的方向傳感器來監聽用戶是否進行了視角變換。手機的方向傳感器監測的數據分別為方位角、俯仰角和翻滾角[15]。當監聽到用戶轉動手機后,可以通過方向傳感器獲取轉動的角度值,考古地的虛擬場景與現實的視角變換有一個固定的差值,將獲取的現實視角變換數值進行一定的角度旋轉即可得到在考古地虛擬場景中應該旋轉的角度值,從而達到相應的視角變換效果。

(2)移動監聽。通過手機的全球定位系統(global positioning system,GPS)傳感器來獲取用戶在WGS84坐標系下的定位參數,計算出坐標變換量,得到用戶在現實中的移動距離,根據三維場景與現實場景距離映射關系,并依據相應比例尺推算出在考古地三維場景中應該移動的距離。

3 系統實現

數字化考古導覽平臺在系統功能上實現了考古地三維場景的AR游覽、博物館以及考古地圖層展示、博物館室內導航、熱點推薦等。

3.1 考古地三維場景AR游覽

在移動端加載顯示考古地三維場景模型,并將視角切換至考古遺址內部,當用戶手持移動端在現實世界中進行行進或者轉向等操作時,移動端中的考古地場景也會產生相應的視角變化。并且用戶還可以點擊考古地中的文物模型進而查看文物的信息。

3.2 二維圖層展示

在移動端的首頁界面地圖中加載考古地以及博物館的圖層,用戶可以對圖層進行縮放,圖層隨比例尺的變換而出現不同的可視化,打開擴展按鈕可以進行點擊,還可以進行圖層切換、重置地圖偏轉角、重置地圖中心及縮放比、定位等操作。

3.3 博物館室內導航

在移動端加載博物館的室內地圖,用戶可以通過選擇室內的特征物或者文物使其高亮顯示,同時還會為用戶規劃一條在室內抵達文物位置最近的游覽路線功能供用戶查看。

3.4 熱點推薦

借助于爬蟲技術為用戶推送一些有關考古地、博物館以及文物的熱點新聞,并且為用戶提供交流的平臺。

4 結束語

現今,公眾逐漸認識到考古的重要性,越來越多的民眾了解考古。本文設計的數字化考古導覽平臺為公眾提供了一個走進考古,認識考古的平臺,加大了對考古的宣傳,讓更多的人可以看到我們的中華歷史,具有很大的宣傳價值。

但該系統還有許多細節有待完善,目前系統的考古遺址內AR游覽的定位精度由于受到用戶所處環境的GPS信號影響,故存在一定誤差,所以這是之后需要解決的問題之一。同時系統中的考古遺址信息以及相應的文物和博物館等信息還不夠豐富,所以之后還需要添加大量的考古遺址信息。