CN115019016A - 一种博物馆增强现实的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种博物馆增强现实的实现方法，包括以下步骤，S1文物三维建模，S2博物馆/展厅空间三维建模，S3特征点识别数据集制作，S4数字内容制作，S5增强现实应用开发，S6增强现实应用发布。本发明通过构建文物三维模型、博物馆/展厅空间三维模型，基于增强现实软件开发工具包，实现了文物实体的全方位精准识别和博物馆/展厅空间的全范围精准识别，极大降低了环境、光线和角度对识别的影响，既解决了展厅内复杂文物和相似文物的识别问题，也解决了室内大空间识别问题；结合博物馆需求，开发博物馆语音讲解、虚拟导览、室内导航等增强现实应用，将虚拟内容与文物、空间实现无缝融合，有助于为观众提供更深层的交互体验。

Description

一种博物馆增强现实的实现方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实与增强现实领域，特别涉及一种博物馆增强现实的实现方法。
背景技术
随着《关于推进博物馆改革发展的指导意见》的发布，创新数字文化产品和服务，构建线上线下相融合的博物馆传播体系已提升为国家战略，博物馆与增强现实(AugmentedReality，以下简称AR)、虚拟现实(VR)的技术融合已成为数字文化产品最为重要的创新手段之一。
现阶段博物馆AR应用主要以图片识别为主，即用户通过手机等设备扫描提前制作好的二维码或二维平面图片来呈现文物模型等内容，少部分采用基于地理位置的LBS定位方式。图片识别技术只能实现有限角度的识别，无法应用至复杂场景，且标志物识别准确率较低、受光照、遮挡影响大、易于导致跟踪失败等。近些年又出现了对象识别(Objecttarget)、物体识别(Modeltarget)、空间识别(Area target)等识别技术，识别的前提需要有被识别对象、物体、空间的高精度三维模型，由于涉及专业众多且识别成本较高，目前该技术主要应用于高新行业及高精制造业。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种博物馆增强现实的实现方法，既解决了图片识别准确度不佳的问题，又解决了物体识别、空间识别成本较高的问题，为增强现实技术在博物馆的落地提供了新的途径。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种博物馆增强现实的实现方法，包括以下步骤：
S1、制作文物模型数据集：将文物正向放置在固定载物台上，或保持文物展览状态；在文物周围布置辅助定位装置；使用相机固定焦距对文物进行多角度环绕拍摄，保证文物表面均被拍摄；将数据导入影像建模处理软件进行文物三维建模。
S2、制作博物馆空间数据集：准备好博物馆空间或展厅环境；使用三维激光扫描仪对博物馆空间或展厅进行全范围扫描，扫描间隔为2.5-5米；将数据导入空间建模软件进行空间三维建模。
S3、制作特征点识别数据集：将文物三维模型导入模型特征点处理软件，处理得到文物模型特征点识别数据集；将空间三维模型导入空间特征点处理软件，处理得到空间特征点识别数据集。
S4、虚拟内容制作：进行文物或博物馆环境相关的数字化内容创意与制作。
S5、AR应用开发：使用Unity 3d开发平台，部署AR相关软件开发工具包及开发环境，将文物模型、空间模型与数字化内容绑定，并结合博物馆需求进行相关功能开发、测试。
S6、AR应用发布：将AR应用程序打包发布至移动端应用商店，供用户下载使用。
所述S1中文物可放置在专业摄影环境中进行拍摄，也可以处于在展状态进行拍摄。
所述S1中辅助定位装置为包含了空间坐标信息的二维码贴纸，且二维码贴纸不少于三个。
所述S1中影像建模处理软件为Bentley公司的ContextCapture软件。
所述S1中影像建模处理软件可实现自动化建模，模型包括完整的几何模型和纹理贴图，建模成果可输出为通用的三维数据格式。
所述S2中博物馆空间或展厅环境准备过程中应保持光线充足，与展出状态保持一致，所有通道门保持打开状态，空间内不得出现移动人员或移动物体。
所述S2中三维激光扫描仪为Matterport公司的MatterportPro2三维扫描仪。
所述S2中空间扫描应保持连续，间隔2.5-5米，扫描应覆盖全部空间，相邻楼层使用步行楼梯进行连接，楼梯上扫描间距为3-5个台阶。
所述S2中单个空间扫描最大面积为10000平方米，超过10000平方米可将其拆分为多个空间进行扫描。
所述S2中空间建模软件为Matterport公司配套的云计算软件，空间三维数据上传至Matterport云服务器。
所述S3中模型特征点处理软件为PTC公司Model Target Generator软件，处理结果为unitypackage数据集，其中包含了文物的点云及多角度图像信息。
所述S3中空间特征点处理软件为PTC公司Area Target Generator软件，处理结果为unitypackage数据集，其中包含了空间点云及多角度图像信息。
所述S4中内容创作可围绕文物阐释与空间延申，内容不限于文物本体信息、二维影像、三维模型、音频、视频、动画、用户界面(UI)设计等。
所述S5中AR应用开发相关的软件开发工具包为PTC公司的VuforiaEngineAR引擎，用来实现文物模型识别以及空间识别。
所述S5中AR应用开发结合S3所述特征点识别数据集可实现展厅、展柜、文物的多角度、高精度识别与定位，在此基础上可实现语音讲解、虚拟导览、AR导航等功能。语音讲解可为用户播放摄像头所摄文物的讲解信息；虚拟导览由三维虚拟人物引领用户按照指定路线浏览博物馆展品、展线；AR导航为用户提供室内导航快速找到目标展品或目标区域。功能开发可根据博物馆自身需求，不限于上述功能。
所述S5中AR应用开发包括Unity 3d平台虚拟环境搭建、VuforiaEngineAR引擎载入、特征点识别数据集导入、脚本制作、动画制作、AR特效、AR应用平台开发、交互功能实现与代码编程、系统测试与参数调整等。
所述S6中AR应用支持Android和IOS移动端打包与发布。
本发明的有益效果：实现了文物的360度全方位识别与绑定，极大的降低了环境、光线的影响，玻璃展柜中文物亦可准确识别；实现了博物馆空间/展厅的空间识别与绑定，进而实现了空间内文物的识别，解决了复杂文物、微小文物、相似文物的识别难题；在此基础上开发的AR交互内容，将实现虚拟内容和物理世界无缝融合，让交互体验更加稳定流畅；大大降低了文物建模和空间建模成本，有利于博物馆AR应用的普及。
附图说明
图1为本发明的文物三维建模方法的流程示意图。
图2为本发明的博物馆空间三维扫描的工作流程示意图。
图3为本发明的文物特征点识别数据集处理流程示意图。
图4为本发明的博物馆空间特征点识别数据集处理流程示意图。
图5为本发明的博物馆增强现实应用开发流程示意图。
图6“错金银云纹青铜犀尊”三维模型示意图。
图7“复兴之路”展厅三维模型示意图。
图8“错金银云纹青铜犀尊”高级引导视图制作示意图。
图9“复兴之路”展厅三维模型空间特征点识别制作示意图。
图10“复兴之路”展厅数字内容制作示意图。
图11“错金银云纹青铜犀尊”AR应用(文物扫描功能)现场使用示意图。
图12“复兴之路”展厅AR应用(AR语音导览)现场使用示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1-6所示，本发明的博物馆增强现实的实现方法，包括以下步骤：
S1、制作文物模型数据集：将文物妥善放置在固定载物台上，或保持文物展览状态；在文物周围布置辅助定位装置；使用相机固定焦距对文物进行多角度环绕拍摄，保证文物表面均被拍摄；将数据保存后导入影像建模处理软件进行文物三维建模。
S2、制作博物馆空间数据集：准备好博物馆空间或展厅环境；使用三维激光扫描仪对博物馆空间或展厅进行全范围扫描，扫描间隔为2.5-5米；将数据导入空间建模软件进行空间三维建模。
S3、制作特征点识别数据集：将文物三维模型导入模型特征点处理软件，经过模型配准、参数设置、视图设置、多角度特征识别训练处理得到文物模型特征点识别数据集；将空间三维模型导入空间特征点处理软件，处理得到空间特征点识别数据集。
S4、虚拟内容制作：进行文物或博物馆环境相关的数字化内容创意与制作。
S5、AR应用开发：使用Unity 3d开发平台，部署AR相关软件开发工具包及开发环境，将文物模型、空间模型与数字化内容绑定，并结合博物馆需求进行相关功能开发、测试。
S6、AR应用发布：将AR应用程序打包发布至移动端应用商店，供用户下载使用。
所述S1中文物可放置在专业摄影环境中进行拍摄，也可以处于展柜中拍摄。
所述S1中辅助定位装置为包含了空间坐标信息的二维码贴纸，且二维码贴纸不少于三个，可将贴纸贴于展柜或文物载物台周围。
所述S1中影像建模处理软件为Bentley公司的ContextCapture软件。
所述S1中影像建模处理软件可实现自动化建模，模型包括完整的几何模型和纹理贴图，建模成果可输出为通用的三维数据格式。
所述S2中博物馆空间或展厅环境准备过程中应保持光线充足，与展出状态保持一致，所有通道门保持打开状态，空间内不得出现移动人员或移动物体。
所述S2中三维激光扫描仪为Matterport公司的MatterportPro2三维扫描仪。
所述S2中空间扫描应保持连续，间隔2.5-5米，扫描应覆盖全部空间，相邻楼层使用步行楼梯进行连接，楼梯上扫描间距为3-5个台阶。
所述S2中单个空间扫描最大面积为10000平方米，超过10000平方米可将其拆分为多个空间进行扫描，不影响空间识别精度。
所述S2中空间建模软件为Matterport公司配套的云计算软件，空间三维数据上传至Matterport云服务器，最终得到空间三维模型。
所述S3中模型特征点处理软件为PTC公司Model Target Generator软件，处理结果为unitypackage数据集，其中包含了文物的点云及多角度图像信息。
所述S3中空间特征点处理软件为PTC公司Area Target Generator软件，处理结果为unitypackage数据集，其中包含了空间点云及多角度图像信息。
所述S4中内容创作可围绕文物阐释与空间延申，内容不限于文物本体信息、二维影像、三维模型、音频、视频、动画、用户界面(UI)设计等。
所述S5中AR应用开发结合S3所述特征点识别数据集可实现展厅、展柜、文物的多角度、高精度识别与定位，在此基础上可实现语音讲解、虚拟导览、AR导航等功能。语音讲解可为用户播放摄像头所摄文物的讲解信息；虚拟导览由三维虚拟人物引领用户按照指定路线浏览博物馆展品、展线；AR导航为用户提供室内导航快速找到目标展品或目标区域。功能开发可根据博物馆自身需求，不限于上述功能。
所述S5中AR应用开发相关的软件开发工具包为PTC公司的VuforiaEngineAR引擎，用来实现文物模型识别以及空间识别。
所述S5中AR应用开发包括Unity 3d平台虚拟环境搭建、VuforiaEngineAR引擎载入、特征点识别数据集导入、脚本制作、动画制作、AR特效、AR应用平台开发、交互功能实现与代码编程、系统测试与参数调整等。
所述S6中AR应用支持Android和IOS移动端打包与发布。
下面，对本发明进行详细说明：
S1、制作文物模型数据集：将文物妥善放置在固定载物台上，或保持文物展览状态；将带有三维坐标信息的二维码贴纸放于文物周围；使用相机固定焦距对文物进行多角度环绕拍摄，保证文物表面均被拍摄；将数据保存后导入Bentley公司的ContextCapture软件进行文物三维建模，文物三维模型保存为FBX文件。
S2、制作博物馆空间数据集：准备好博物馆空间或展厅环境，保持展厅充足，所有通道处于打开状态；使用Matterport公司的Pro2三维激光扫描仪对博物馆空间或展厅进行全范围连续扫描，扫描间隔为2.5-5米，保证扫描没有死角，在重点藏品和主要展线上增加扫描密度；扫描结束后将数据上传至Matterport云计算服务器中进行云端处理，24小时内可处理完毕。
S3、制作特征点识别数据集：将文物三维模型导入PTC公司的Model TargetGenerator软件，经过模型配准、参数设置、视图设置、多角度特征识别训练处理后得到文物模型特征点识别数据集，为unitypackage文件格式；使用PTC公司Area Target Generator软件进行空间特征点识别数据集的转换，打开软件后输入Matterport开发密钥，然后输入11位的空间代码，软件将自动将三维空间模型下载至本地并将点云数据和全景数据转为空间特征点识别数据集，文件为unitypackage文件格式。
S4、虚拟内容制作：进行文物或博物馆环境相关的数字化内容创意与制作，可围绕文物本体、考古挖掘、流传经历、展览、研究等角度收集整理制作文物数字化内容，不限于文字、图片、音频、视频、动画等。
S5、AR应用开发：应用将基于Unity 3d和PTC公司的VuforiaEngineAR引擎进行开发，开发主要流程如图5所示，具体开发工作包括特征点识别数据集导入、脚本制作、动画制作、特效制作、UI制作、交互功能实现与代码编程、系统测试与参数调整等。AR应用可实现展厅、展柜、文物的多角度、高精度识别与定位，在此基础上可实现语音讲解、虚拟导览、AR导航等交互功能。语音讲解可为用户播放摄像头所摄文物的讲解信息；虚拟导览由三维虚拟人物引领用户按照指定路线浏览博物馆展品、展线；AR导航为用户提供室内导航快速找到目标展品或目标区域。功能开发亦可根据博物馆自身需求，不限于上述功能。
S6、AR应用发布：将AR应用程序打包发布至Android和IOS移动端应用商店，供用户下载至手机等移动终端使用。
根据上述方法，S1、文物三维建模：在中国国家博物馆“古代中国”展厅中对“错金银云纹犀尊”进行环绕拍摄，经过数据处理得到该文物三维模型，如图6所示。
S2、展厅三维建模：对中国国家博物馆“复兴之路”展览进行三维空间扫描，经过数据处理得到该展厅的三维模型，如图7所示。
S3、提取特征点数据集：将“错金银云纹青铜犀尊”的三维模型载入Model TargetGenerator软件，设置模型轴向为Y轴向上，模型单位为分米，颜色为自动，模型类型为3DScan，模型运动提示为静态，并新增模型高级引导视图如图8所示，输出文物模型特征点识别数据集；将“复兴之路”展览数据导入Area Target Generator软件，转为空间特征点识别数据集，如图9所示。
S4，虚拟内容制作，本案例针对“错金银云纹青铜犀尊”的图片、介绍视频进行了收集整理，对“复兴之路”展览中的序厅文化墙、虎门销烟、八一南昌起义等场景进行了粒子特效制作，如图10所示。
S5、AR应用开发：本案例对文物“错金银云纹青铜犀尊”进行了扫描识别与语音讲解的功能开发，效果如图11所示；对“复兴之路”展览进行了AR特效和AR导览的功能开发，效果如图12所示。
S6、AR应用发布：将AR应用程序打包发布至Android和IOS移动端应用商店，观众可通过展厅现场扫描二维码下载AR应用。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1制作文物模型数据集：将文物正向放置在固定载物台上，或保持文物展览状态；在文物周围布置辅助定位装置；使用相机固定焦距对文物进行多角度环绕拍摄，保证文物表面均被拍摄；将数据保存并导入影像建模处理软件进行文物三维建模；
S2制作博物馆空间数据集：准备好博物馆空间或展厅环境；使用三维激光扫描仪对博物馆/展厅环境进行全方位扫描，仪器扫描间隔为2.5-5米；将数据导入空间建模软件进行博物馆/展厅空间三维建模；
S3制作特征点识别数据集：将文物三维模型导入模型特征点处理软件，处理得到文物模型特征点识别数据集；将空间三维模型导入空间特征点处理软件，处理得到空间特征点识别数据集；
S4数字化内容制作：进行文物或博物馆环境相关的数字化内容创意与制作；
S5增强现实应用开发：使用Unity 3d开发平台，部署增强现实相关软件开发工具包及开发环境，导入特征点识别数据集，将文物模型、博物馆空间模型与数字化内容绑定，并结合博物馆需求进行相关功能开发、测试；
S6增强现实应用发布：将增强现实应用程序打包发布至Android和IOS移动端应用商店，供用户下载使用。
2.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S1中文物三维建模方法适用于在展文物，在展览环境下进行无接触拍摄。
3.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S1中文物三维建模方法通过辅助定位装置实现控制点自动标定，实现文物原尺寸建模。
4.根据权利要求2或3所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S1中影像建模处理软件为Bentley公司的ContextCapture软件。
5.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S2中三维激光扫描仪为Matterport公司的MatterportPro2三维扫描仪；空间博物馆/展厅三维建模软件为Matterport公司的Matterport云计算软件。
6.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S2中空间博物馆/展厅空间扫描最大支持面积为10000平方米，超过10000平方米将其拆分为多个空间进行扫描。
7.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S3中模型特征点处理软件为PTC公司Model Target Generator软件；空间特征点处理软件为PTC公司AreaTarget Generator软件。
8.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S5中增强现实软件开发工具包为PTC公司的VuforiaEngineAR引擎。
9.根据权利要求1所述博物馆增强现实的实现方法，其特征在于，所述S5中AR应用开发结合S3所述特征点识别数据集实现展厅、展柜、文物的多角度、高精度识别与定位，在此基础上可实现语音讲解、虚拟导览、室内导航功能；语音讲解为用户播放摄像头所摄文物的讲解信息；虚拟导览由三维虚拟人物引领用户按照指定路线浏览博物馆展品、展线；室内导航为用户提供室内导航快速找到目标展品或目标区域。
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