CN102647511A - 基于智能手机的三维博物馆交互系统及其交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于智能手机的三维博物馆交互系统及其交互方法，该系统涉及移动终端开发技术，无线网络传输技术，手机端采用Android平台，系统的各个模块设计合理严谨。该系统把智能手机融入到了三维场景交互过程中，突破了与三维虚拟系统交互过程中存在的交互细节繁琐，交互设备代价昂贵等问题。尤其是系统中把手机完全虚拟成博物馆的文物实体，用对手机的各种操作来虚拟对文物的布展，与现实完全吻合，给用户以极强的沉浸感与真实感。

Description

基于智能手机的三维博物馆交互系统及其交互方法

技术领域

 本发明涉及一种沉浸式虚拟三维场景交互系统，属于虚拟现实的计算机高新技术领域；本发明中涉及的基于智能手机的交互平台，属于移动智能终端开发的高新技术应用领域；本发明中涉及的手机与支持虚拟环境的计算机通讯部分属于无线网络传输技术应用领域；本发明中涉及的博物馆的布展部分属于美学范畴和文化领域。

背景技术

专业的博物馆作为一个展示文化资讯，传达人文理念的平台其展览设计与陈列布展是一件十分复杂的工程，在传统的博物馆布展设计过程中，因为现实博物馆跟文物的物理特性（例如文物易碎，包装精细、复杂等）因素使得博物馆布展设计显得十分的繁琐，而在计算机迅速发展的今天，在虚拟现实领域，虚拟数字博物馆突破了这一瓶颈。也从而使得如何提高虚拟场景的交互性，如何提高沉浸性，如何增加用户的体验感成为一大研究热点。目前虚拟场景多采用传统的鼠标键盘的交互方式，而智能手机作为现代生活中人们所极为熟悉的一种移动终端，具备操作简易性，功能强大性等特点，将其融入到三维虚拟场景的交互当中不失为一种新的尝试。

目前虚拟场景的新型交互方式各有优缺点，波兰的波兹南大学和英国的苏塞克斯大学的合作研究中提出了一种光学跟踪的场景交互的方法，通过多台高分辨率的摄像机同时去捕捉一个带有特殊标记的卡片，当特殊的标记被识别后，便可以用卡片的运动来驱动虚拟环境中物体运动。此种交互方式存在操作较为繁琐的缺点，场景中需要摄像机来配合工作，存在环境可移植性差的问题，而且设备费用较高，而这些缺点几乎存在于各种三维场景交互模式当中。

   考虑到当前智能手机处理器计算能力的大幅提升，我们提出将智能手机与其他无线通讯终端设备联合使用以进行三维场景交互设计。智能手机为广大三维虚拟场景设计者带来了全新的交互模式，它的融入也能使此类三维虚拟现实系统的应用更加普及、方便。更能因其仿真场景设计的完全自如性激发出设计者更多的灵感。随着这种技术的成熟与完备，虚拟3D（三维）场景设计必然成为各种场景设计的一种必然趋势。 

发明内容

本发明的目的就是为了解决三维场景交互各种问题，提供一种操作简易，费用代价低廉，可移植性强的虚拟场景的设计布展方式，来确保虚拟场景布展过程中技术的可靠性，设计的严肃性，布展的科学性与艺术性，使用户获得良好的体验。

本发明提出一种由无线通讯终端设备（智能触屏手机）和计算机支持的虚拟现实环境相结合来进行动态的3D（三维）场景设计的方法。该系统只需智能触屏手机与负载虚拟环境的电子计算机处于同一无线局域网络即可，应用起来极为方便。在三维虚拟博物馆的交互过程中，手机可以完全虚拟成博物馆里的某个文物，于是用户对手机的旋转等操作可以完全虚拟成对三维博物馆里文物的操作，仿佛文物就在用户的手中，增强了真实感。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于智能手机的三维博物馆交互方法，该方法的实现步骤如下： 

步骤1：首先智能手机与博物馆进行连接；

步骤2：当用户对智能手机进行旋转或者平移或者抖动时，智能手机的倾斜方向与智能手机加速度会有变化，程序会自动通过智能手机的传感器获得这些数据； 

步骤3：智能手机把从智能手机内的各种传感器获取的智能手机状态数据进行分析，以此来判断用户的操作命令；

步骤4：智能手机通过调用智能手机中自带的各种传感器的编程接口，来获取智能手机状态的数据，每隔一段时间，就会刷新一次数据，它的各个参数会相应的发生变化；

步骤5：通过对相邻两次获得的数据进行分析比较，来判断智能手机的动作与状态；

步骤6：手机通过网络通讯端口将数据发送到无线局域网络，最终数据传送给电子计算机；

步骤7：电子计算机端通过指定的网络通讯端口接收数据，电子计算机通过数据分析得到三维场景的变换（例如相邻两次获得的手机各个轴的加速度数据值差值较大便说明用户抖动了手机，此操作对应三维博物馆布展过程中的复位操作），实现博物馆的场景布展。

所述步骤1中智能手机与博物馆进行连接的过程如下：博物馆一直处在监听状态，负载虚拟博物馆的计算机在无线局域网中形成一个组播域，手机终端在请求建立与博物馆的连接时在该组播域中发送自己的验证信息与自身的IP地址，博物馆收到信息后进行验证，通过后发送给智能手机确认信息以及自身的IP地址，到此手机跟博物馆的连接正式建立。

所述智能手机的应用程序获得传感器数据的过程如下所述：

用户在对手机进行操作的时候，手机的硬件传感器获得的各种原始数据会被手机的操作系统感知，在手机的应用程序中定义的传感器管理类可以得到抽象的传感器对象,抽象的传感器对象便可以与手机的操作系统进行通讯得到手机的传感器数据。

基于智能手机的三维博物馆交互系统，该系统包括依次连接的手机数据获取模块、手机数据发送模块、手机数据的接收模块、手机数据的分析模块和三维场景变换模块；所述手机数据获取模块、手机数据发送模块在手机端实现，其余模块均在计算机端实现。其逻辑关系如图1所示。

该系统智能手机采用移动操作系统，网络环境采用无线宽带路由器形成的无线局域网或者其他无线网络设备形的成AP热点。

    所述的智能手机要具有无线传输功能，并与无线宽带路由器相连，所述负载虚拟博物馆的计算机应同样处于该无线路由器形成的局域网段中，保证手机的数据通过无线局域网，能够传达到三维博物馆主机。

    智能手机端利用各种传感器的编程接口来实时准确的判断手机的状态，以断定用户的所进行的操作。

    本系统使用无线网络Socket传输技术,把用户的操作信号传输给博物馆端，博物馆端对信号进行分析然后对自身进行相应操作。

本发明的有益效果：使用本发明可以极大的方便博物馆的工作人员对博物馆进行布展，发明中采用手机这种简易的交互设备使布展过程极具方便性与沉浸感。布展人员可以预先使用手机在三维场景中模拟出满意的布展效果，按照虚拟环境中布展的空间位置关系来对现实中的博物馆进行布展，以达到一次性布展成功的效果。尤其方便了对于一些珍贵的具有易碎性文物的布展，减少了为达到满意的布展效果而进行多次布展过程中损坏文物的可能性。

附图说明

图1是本系统各模块的逻辑示意图；

图2是本系统流程框架的示意图；

图3是手机与博物馆的连接验证过程的示意图；

图4是手机在获取自身运动数据时的逻辑轴；

图5是手机获得传感器数据参数的内部实现机制；

图6是手机进行博物馆文物布展的一个示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明涉及移动终端平台的开发，无线局域网传送技术。本发明最终实现了用户使用智能手机灵活自如的在虚拟博物馆内进行布展。系统的总体框架如图2所示，具体各部分实现原理会在下面详细论述。

本系统手机与博物馆的连接时采用了无线局域网的组播技术。博物馆一直处在监听状态 ，具体的实现技术便是负载虚拟博物馆的计算机在无线局域网中形成一个组播域，手机终端在请求建立与博物馆的连接时在该组播域中发送自己的验证信息与自身的IP地址，博物馆收到信息后进行验证，通过后发送给智能手机确认信息以及自身的IP地址，到此手机跟博物馆的连接正式建立。建立连接过程的示意图 如图3所示

    用户通过手机来进行想要实现的操作，当用户对手机进行旋转或者平移或者抖动时，手机物理x轴y轴z轴的倾斜方向与手机加速度等参数都会有变化，程序会通过自动从手机传感器中获得这些数据。手机的各个轴的示意图如图4所示 ，手机应用程序获得传感器数据的内部机制如图5所示。

手机端把从手机内的各种传感器获取的手机状态数据进行分析，以此来判断用户的操作命令。手机通过调用手机中自带的各种传感器的编程接口，来获取手机状态的数据，每隔一段时间m（此处的时间间隔是由手机本身设定的），就会刷新一次数据，它的各个参数就会有变化。通过进行新数据与旧数据相比较，来判断手机的动作与状态。例如沿各个轴手机的加速度出现较大的波动，便说明用户抖动了手机。手机通过网络通讯端口将数据发送到无线局域网络，最终数据传送给电子计算机。电子计算机端通过指定的网络通讯端口接收数据。电子计算机通过数据分析得到三维场景的变换（例如：移动、缩放、旋转模型，在场景中漫游等）。使用手机移动文物的示意图如图6所示。

总的来说，本发明涉及一种联合触摸屏智能手机和电子计算机来进行虚拟的三维空间场景设计布展的系统。本发明综合运用了移动终端开发技术，无线网络传输技术，把智能手机融入到了三维场景交互中去，尤其在三维虚拟博物馆的设计布展过程中提高了系统的交互性与沉浸感，开拓了用移动终端来进行虚拟博物馆设计布展的崭新理念。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.基于智能手机的三维博物馆交互方法，其特征是，该方法的实现步骤如下： 

步骤1：首先智能手机与博物馆进行连接；

步骤2：当用户对智能手机进行旋转或者平移或者抖动时，智能手机的倾斜方向与智能手机加速度会有变化，程序会自动通过智能手机的传感器获得这些数据； 

步骤3：智能手机把从智能手机内的各种传感器获取的智能手机状态数据进行分析，以此来判断用户的操作命令；

步骤4：智能手机通过调用智能手机中自带的各种传感器的编程接口，来获取智能手机状态的数据，每隔一段时间，就会刷新一次数据，它的各个参数会相应的发生变化；

步骤5：通过对相邻两次获得的数据进行分析比较，来判断智能手机的动作与状态；

步骤6：手机通过网络通讯端口将数据发送到无线局域网络，最终数据传送给电子计算机；

步骤7：电子计算机端通过指定的网络通讯端口接收数据，电子计算机通过数据分析得到三维场景的变换，实现博物馆的场景布展。

2.如权利要求1所述的基于智能手机的三维博物馆交互方法，其特征是，所述步骤1中智能手机与博物馆进行连接的过程如下：博物馆一直处在监听状态，负载虚拟博物馆的计算机在无线局域网中形成一个组播域，手机终端在请求建立与博物馆的连接时在该组播域中发送自己的验证信息与自身的IP地址，博物馆收到信息后进行验证，通过后发送给智能手机确认信息以及自身的IP地址，到此手机跟博物馆的连接正式建立。

3.如权利要求1所述的基于智能手机的三维博物馆交互方法，其特征是，所述智能手机的应用程序获得传感器数据的过程如下所述：

用户在对手机进行操作的时候，手机的硬件传感器获得的各种原始数据会被手机的操作系统感知，在手机的应用程序中定义的传感器管理类可以得到抽象的传感器对象,抽象的传感器对象便可以与手机的操作系统进行通讯得到手机的传感器数据。

4.基于智能手机的三维博物馆交互系统，其特征是，该系统包括依次连接的手机数据获取模块、手机数据发送模块、手机数据的接收模块、手机数据的分析模块和三维场景变换模块；所述手机数据获取模块、手机数据发送模块在手机端实现，其余模块均在计算机端实现。

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