数字化考古导览平台的设计与实现

马隆隆 杨 虎 王 迪 李明悦

(郑州大学地球科学与技术学院, 河南 郑州 450001)

0 引言

考古遗址是体现中华民族和中华文明起源与发展的物化载体,是建设文化强国的重要战略资源[1]。尽管考古文化一直在积极发展,但是针对考古遗址的保护方面仍存在着一些问题:人为破坏、动植物破坏以及风化雨水侵蚀等都会对环境产生一定程度的影响[2-3]。除此之外,由于一些考古遗址所处地理位置较为偏僻,对于游客而言十分不便,同时出于对考古遗址中出土文物的保护,大多数文物会转至博物馆进行保存,因此游客到考古遗址进行游览的内容相对比较有限。移动地理信息系统(geographic information system,GIS)是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端条件下,提供移动性的、分布式的、随遇性的移动地理信息服务的GIS[4]。增强现实技术是将计算机渲染生成的虚拟场景与真实世界中的场景无缝融合起来的一种技术,它通过视频显示设备将虚实融合的场景呈现给用户,使人们与计算机之间的交互更加的自然[5]。

针对考古导览系统的设计,目前国内外多集中在两方面:一方面是使用可穿戴的AR设备来帮助用户在考古地的三维场景中进行游览,例如基于移动可穿戴计算机和先进的可视化和多模态交互技术设计的系统,并且借助增强现实(augmented reality,AR)设备来帮助用户在虚拟的考古遗址场景中进行游览[6]；另一方面是针对考古遗址的信息管理系统,这类系统主要是针对考古遗址的地理位置、出土文物等信息进行综合管理,例如,以地理信息空间服务为框架所搭建的Web端的考古信息系统以及借助于GIS系统实现的考古勘探信息系统[7-10]。总体而言,当前的考古导览系统虽然能够实现考古遗址的信息管理以及虚拟场景游览服务,但是未能很好地将两者结合起来,同时提供的虚拟场景游览服务也多是借助于AR设备来实现的,这很难普及到广大的民众中去。

基于以上情况,本文设计并开发了“数字化考古导览平台”,该平台发挥了移动端的便捷优势,并结合移动GIS技术、增强现实技术等关键技术来实现考古地三维场景的“沉浸式”浏览、文物及考古场景的三维模型展示、考古地和博物馆等平面图层及其信息数据的可视化、室内外一体导航等功能,在移动端上建立二三维数字化展示平台,做到了考古地相关信息管理服务与虚拟场景浏览服务的有机结合。

1 架构设计

本文所设计的数字化考古导览平台是基于安卓平台进行开发的,通过借助AR技术模拟真实的考古地遗址环境,使得用户可以在移动设备上游览到近乎真实的考古地遗迹,同时还可帮助用户了解到与考古地遗址相关的文物以及博物馆信息,为用户提供考古信息一体化服务。该平台的总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

系统支持层是整个平台的软硬件设施基础,包括服务器、GIS软件、移动端设备以及数据库平台等。

数据模型层是整个平台的信息资源,主要包括各类数据库,用来存放平台运行所需的数据,地图数据库是基于移动地理数据库建立,主要存放平台运行所需的地图底图以及博物馆矢量平面图等,三维模型数据库以及基本信息数据库都是基于MySQL数据库平台建立的,三维模型数据库中存储的是考古地三维模型和文物三维模型的相关数据,基本信息数据库中存放的是登录平台所需的用户信息以及在平台上的社区交流的相关动态信息。

中间框架层是整个平台的技术支撑,平台基于各种开发包以及开源库进行搭建以及功能的实现,是应用实现层的基础。

应用实现层借助于以上层级的支持,使得用户可以通过移动设备来进行考古游览,包括三维展示平台功能、二维展示功能以及一些常规功能来提高用户的游览体验。

2 系统关键技术

2.1 基于GIS技术的可交互式二三维展示平台

数字化考古导览平台在移动端上基于GIS技术建立可交互式的二三维数字化展示平台,其具体技术实现路线如图2所示。

(1)二维展示平台。借助于ArcGIS以及移动地理数据库进行二维图层的绘制、编辑以及存储。

(2)三维展示平台。借助于3DMax以及ArcGISPro进行三维模型的建模、CGCS2000坐标系转换[11]等操作,实现三维场景的部署以及展示。

图2 二三维展示平台实现流程

2.2 室内路线规划算法

数字化考古导览平台为用户提供了浏览博物馆时的室内路线规划服务,可以为用户规划一条到其指定的文物展览位置的最短路径。其算法具体实现流程如图3所示。

图3 室内规划算法实现流程

(1)将博物馆室内图层栅格化[12]。以栅格化后的图层的两条互相垂直的边作为平面直角坐标系的x轴和y轴,将图层中的无障碍区间用坐标(x,y)来表示,对于障碍物所在的栅格不予表示。

(2)将用户所在位置设置为起始节点,将用户点击要浏览的文物位置设置为目标节点。

(3)根据传统A*算法[13]得到一条避开障碍物的初步路径规划结果。

(4)根据改进A*算法[14]中的冗余拐点剔除策略对上一步中得到的初步路径进行优化,得到最优路径,将路径显示在博物馆图层上即完成路径规划。

2.3 考古场景内AR游览技术

在移动端加载考古地三维场景后,用户可以手持移动端运行,从而考古地场景也会产生相应的视角变换以及场景切换,并且用户可以点击在场景中的该考古地出土的文物来查看其信息,达到AR游览考古地的效果,其具体实现如下:

(1)视角监听。当用户进行AR游览时,通过手机的方向传感器来监听用户是否进行了视角变换。手机的方向传感器监测的数据分别为方位角、俯仰角和翻滚角[15]。当监听到用户转动手机后,可以通过方向传感器获取转动的角度值,考古地的虚拟场景与现实的视角变换有一个固定的差值,将获取的现实视角变换数值进行一定的角度旋转即可得到在考古地虚拟场景中应该旋转的角度值,从而达到相应的视角变换效果。

(2)移动监听。通过手机的全球定位系统(global positioning system,GPS)传感器来获取用户在WGS84坐标系下的定位参数,计算出坐标变换量,得到用户在现实中的移动距离,根据三维场景与现实场景距离映射关系,并依据相应比例尺推算出在考古地三维场景中应该移动的距离。

3 系统实现

数字化考古导览平台在系统功能上实现了考古地三维场景的AR游览、博物馆以及考古地图层展示、博物馆室内导航、热点推荐等。

3.1 考古地三维场景AR游览

在移动端加载显示考古地三维场景模型,并将视角切换至考古遗址内部,当用户手持移动端在现实世界中进行行进或者转向等操作时,移动端中的考古地场景也会产生相应的视角变化。并且用户还可以点击考古地中的文物模型进而查看文物的信息。

3.2 二维图层展示

在移动端的首页界面地图中加载考古地以及博物馆的图层,用户可以对图层进行缩放,图层随比例尺的变换而出现不同的可视化,打开扩展按钮可以进行点击,还可以进行图层切换、重置地图偏转角、重置地图中心及缩放比、定位等操作。

3.3 博物馆室内导航

在移动端加载博物馆的室内地图,用户可以通过选择室内的特征物或者文物使其高亮显示,同时还会为用户规划一条在室内抵达文物位置最近的游览路线功能供用户查看。

3.4 热点推荐

借助于爬虫技术为用户推送一些有关考古地、博物馆以及文物的热点新闻,并且为用户提供交流的平台。

4 结束语

现今,公众逐渐认识到考古的重要性,越来越多的民众了解考古。本文设计的数字化考古导览平台为公众提供了一个走进考古,认识考古的平台,加大了对考古的宣传,让更多的人可以看到我们的中华历史,具有很大的宣传价值。

但该系统还有许多细节有待完善,目前系统的考古遗址内AR游览的定位精度由于受到用户所处环境的GPS信号影响,故存在一定误差,所以这是之后需要解决的问题之一。同时系统中的考古遗址信息以及相应的文物和博物馆等信息还不够丰富,所以之后还需要添加大量的考古遗址信息。