基于圖像繪制的虛擬博物館藏品動(dòng)態(tài)更新技術(shù)初探

1、    基于圖像繪制的虛擬博物館藏品動(dòng)態(tài)更新技術(shù)初探    廖珊 蔡杏琳 韓盈盈 吳塹虹摘 要：針對(duì)虛擬博物館藏品動(dòng)態(tài)更新無(wú)法與前臺(tái)展示同步及數(shù)據(jù)一致性難以保障的問(wèn)題，本文以湖南省地質(zhì)博物館為例，采用pano2vr提供的二次開(kāi)發(fā)接口，研究了展館與藏品之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，制定了數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、文件存儲(chǔ)和xml元數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，研究了在web環(huán)境下的動(dòng)態(tài)更新藏品的圖像處理和數(shù)據(jù)一致性保障技術(shù)，提出了數(shù)據(jù)庫(kù)與圖像幾何變換相融合的解決思路，探討了基于圖像繪制的虛擬博物館藏品動(dòng)態(tài)更新的實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：藏品；動(dòng)態(tài)更新；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；圖像處理中圖分類(lèi)號(hào)：tp391 文

2、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0034-030 引言目前，展館與藏品的虛擬展示依舊是虛擬博物館建設(shè)的重心，但虛擬博物館的建設(shè)多由專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，在建設(shè)完成后虛擬博物館如何與實(shí)體博物館場(chǎng)景和藏品的任何變化同步常會(huì)因缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員而難以進(jìn)行。因此探討實(shí)體與虛擬的之間的信息互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二者信息互動(dòng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)體博物館和虛擬博物館數(shù)據(jù)和顯示的一致和同步性的基礎(chǔ)。本文以湖南省地質(zhì)博物館為例，結(jié)合pano2vr api的xml解譯接口，根據(jù)博物館館/藏之間的關(guān)系，對(duì)虛擬博物館的藏品動(dòng)態(tài)更新進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出符合全景博物館的藏品動(dòng)態(tài)更新技術(shù)。1 館/藏關(guān)聯(lián)關(guān)系虛擬博物館藏品的動(dòng)態(tài)更新

3、與實(shí)體博物館藏品的信息更新或位置移動(dòng)有關(guān)。藏品與博物館展館之間是依賴(lài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種關(guān)系主要表現(xiàn)在二者空間相對(duì)關(guān)系，它決定了不同視覺(jué)角度下藏品在展館中的位置。這種空間相對(duì)依賴(lài)關(guān)系模型是動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)web端的虛擬聯(lián)動(dòng)響應(yīng)來(lái)的關(guān)鍵。1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在信息世界中，實(shí)體內(nèi)部和實(shí)體之間都是有聯(lián)系的，實(shí)體內(nèi)部聯(lián)系是實(shí)體屬性之間的聯(lián)系；實(shí)體間的聯(lián)系是指不同實(shí)體集間的關(guān)聯(lián)，虛擬地質(zhì)博物館和藏品是最重要的兩個(gè)實(shí)體集。展館實(shí)體包含展館id、展館名、展館描述等屬性信息，藏品實(shí)體有展品id、展品名、出產(chǎn)地、長(zhǎng)、寬、高、價(jià)格、描述、圖片路徑、模型路徑、音頻路徑、視頻路徑等信息，展館與藏品以1：n的陳列關(guān)系關(guān)聯(lián)，陳列關(guān)系包

4、含了藏品在展館中的節(jié)點(diǎn)位置。為了提高數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)性能，盡量消除各屬性之間的相互依賴(lài)關(guān)系，提前為藏品或展館信息更新預(yù)留空間，藏品和展館數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如表1-表3所示。1.2 空間位置關(guān)系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涵蓋了展館和藏品實(shí)體的屬性信息和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的路徑信息，但卻缺乏對(duì)館/藏的空間精確位置信息的描述，由于藏品動(dòng)態(tài)更新除了屬性數(shù)據(jù)更新外，更重要的是同步顯示虛擬博物館中3d藏品在展館中位置變化。通過(guò)球狀投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得虛擬博物館場(chǎng)景二維靜態(tài)全景圖，藏品實(shí)體動(dòng)態(tài)更新是對(duì)藏品位置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)展館/藏品的空間位置關(guān)系的重新定義和顯示。全景圖囊括了以視點(diǎn)為中心的三維空間中所有實(shí)體的映射圖像，藏品數(shù)據(jù)更新時(shí)，根據(jù)圖像在線(xiàn)處理

5、的工作區(qū)是與全景圖范圍相同的瀏覽器可視區(qū)域建立其二維坐標(biāo)系，定義坐標(biāo)原點(diǎn)為可視區(qū)域的左上角，x軸為水平方向，y軸為垂直方向。任意一件藏品的位置都能以四邊形的4個(gè)頂點(diǎn)（xi，yi）表示，其中i=1，2，3，4，則藏品坐標(biāo)可表示為：（xi，yi）=（pagexi，pageyi）；以pano2vr坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，在二維靜態(tài)圖中定義直角坐標(biāo)系。其中，pan表示像機(jī)平搖量，等同于x軸，取值范圍是0，360°；tilt表示相機(jī)俯仰角，等同于y軸，取值范圍是-90°，90°，fov表示相機(jī)視角，等同于z軸，取值范圍是0，120°，默認(rèn)值是70°，pano2vr

6、坐標(biāo)系統(tǒng)下表示藏品范圍的任一點(diǎn)坐標(biāo)為：（xi，yi，zi）=（pani，tilti，fovi）；三維藏品動(dòng)態(tài)更新時(shí)，通過(guò)全景圖關(guān)聯(lián)屏幕坐標(biāo)和pano2vr坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)二維坐標(biāo)向三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，其計(jì)算公式如（1）、（2）：pani= （1）tilti=90-*90（pageyi0，h） （2）（pagexi，pageyi）表示第i個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)于瀏覽器展示區(qū)域左上角的偏移量，w和h分別代表全景圖的寬度和高度。2 館/藏更新技術(shù)博物館藏品的動(dòng)態(tài)更新包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間位置兩部分，該過(guò)程中保障藏品異構(gòu)數(shù)據(jù)的一致性和完整性是非常重要的，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和圖像處理技術(shù)相融合存儲(chǔ)的方式保證藏品更新過(guò)程中其相關(guān)數(shù)據(jù)的完

7、整和一致。2.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)虛擬博物館的數(shù)據(jù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是文本組成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)；一類(lèi)是以圖像、多媒體、文件等組成的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)與文件庫(kù)集成的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。藏品動(dòng)態(tài)更新過(guò)程中位置信息是展館和藏品的紐帶，二者間的配置是正確顯示二者關(guān)鍵信息，藏品動(dòng)態(tài)更新所涉及的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、位置和配置信息，對(duì)其的存儲(chǔ)采用圖1所示的方案。2.1.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)藏品的基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和文件路徑的方式保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)包括了藏品屬性和各展館和藏品關(guān)系的存儲(chǔ)。展館和藏品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)關(guān)系模型分別為：exhibite（exh_id，exh_nam

8、e，origin，exh_ info，pic_path，model_path，audio_path，video_path，）exhall（exhall_id，exhall_name，exhall _info，exhall_floor，）展館與藏品以1：n的陳列關(guān)系關(guān)聯(lián)，陳列關(guān)系中包含了藏品在展館中的節(jié)點(diǎn)位置（大致方位），根據(jù)陳列關(guān)系建立二者間的關(guān)系模型：display（exh_id，exhall_id，pano_id）；動(dòng)態(tài)更新藏品時(shí)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)表中的屬性和路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行增（insert）、刪（delete）、改（update）、查（select）操作。更新藏品的基礎(chǔ)屬性信息時(shí)，以

9、藏品關(guān)系表的exh_id和exhall_id與陳列關(guān)系表display 相關(guān)聯(lián)，查詢(xún)或修改藏品的基本信息、路徑信息和陳列節(jié)點(diǎn)信息等，從而更新藏品的屬性和粗略位置信息等。2.1.2 文件數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不方便直接通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的二維邏輯表進(jìn)行存儲(chǔ)，卻可以采用二進(jìn)制的形式存入。但這種方案存在以下不足：第一，二進(jìn)制流轉(zhuǎn)換速度受文件大小和網(wǎng)絡(luò)通信速度影響，存儲(chǔ)和加載速度不穩(wěn)定性；第二，編碼和解碼的過(guò)程占用cpu空間，易造成線(xiàn)程阻塞；第三，無(wú)法對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行二進(jìn)制流轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。針對(duì)二進(jìn)制流存儲(chǔ)的不足，采用文件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的路徑來(lái)維護(hù)藏品數(shù)據(jù)的一致

10、性，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的路徑信息，在文件庫(kù)存放這些數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)與文件庫(kù)間通過(guò)路徑字段關(guān)聯(lián)。當(dāng)新增或修改非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過(guò)插入或更新編輯數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性字段，然后根據(jù)路徑字段檢索文件目錄，若目標(biāo)目錄下文件存在則重寫(xiě)文件內(nèi)容，若不存在則創(chuàng)建目錄并將文件拷貝到該目錄下。2.1.3 xml數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)位置的定義往往按照從粗略到精細(xì)、從大到小的順序逐步定位的原理，按照“展館場(chǎng)景實(shí)體三維坐標(biāo)”的順序?qū)μ摂M博物館中的展館和藏品實(shí)體位置進(jìn)行描述。展館、場(chǎng)景、視角、節(jié)點(diǎn)及藏品之間彼此關(guān)聯(lián)，一個(gè)展館包含多個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)場(chǎng)景中有且僅有一個(gè)默認(rèn)視角和一個(gè)漫游節(jié)點(diǎn)，但可以陳列多個(gè)藏品。結(jié)合位置定義，規(guī)定

11、展館中某實(shí)體精確位置的表達(dá)模型為：（exhall_id，pano_id，（entity_id，pan，tilt，fov）；其中，exhall_id指展館編號(hào)；pano_id是場(chǎng)景編號(hào)；entity_id是實(shí)體編號(hào)；pan，tilt，fov分別代表攝像機(jī)平搖、俯仰、視場(chǎng)角。由上述表達(dá)模型可知，存儲(chǔ)位置信息分為兩部分：一是粗略位置，由展館id、場(chǎng)景id和實(shí)體id組成；二是精確位置，由攝像機(jī)的三要素確定。對(duì)于粗略位置信息，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，如表1-表3所示。實(shí)體的精確位置由幾組坐標(biāo)對(duì)（pani，tilti，fovi）表示，不適宜采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，配置信息是以鍵值對(duì)描述的信息參數(shù)，亦不適合采用關(guān)系數(shù)據(jù)

12、庫(kù)存儲(chǔ)。xml作為描述數(shù)據(jù)的元語(yǔ)言，可以根據(jù)自己的目的靈活定義標(biāo)記。本文設(shè)計(jì)的館/藏xml元數(shù)據(jù)庫(kù)以node為層級(jí)，層次化展館節(jié)點(diǎn)、默認(rèn)視角、熱點(diǎn)、熱區(qū)及藏品的坐標(biāo)位置、名稱(chēng)等信息，通過(guò)pano2vr api提供的xml接口，精確解析出藏品的精確位置和展館的參數(shù)信息，供虛擬博物館動(dòng)態(tài)調(diào)取展示。2.2 館/藏信息更新藏品的更新涉及顯示信息及位置數(shù)據(jù)的變動(dòng)，顯示信息的變動(dòng)實(shí)際是藏品相對(duì)于場(chǎng)景的相對(duì)位置的變動(dòng)；位置數(shù)據(jù)的變動(dòng)是指基礎(chǔ)位置和精確位置的變動(dòng)。因此，將虛擬博物館中藏品三維數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新歸納為基于藏品數(shù)據(jù)的位置信息更新和圖像顯示更新。從圖形學(xué)的角度，顯示更新通過(guò)位置移動(dòng)和幾何變換將場(chǎng)景、展柜

13、、藏品圖像進(jìn)行重組與融合；從幾何學(xué)的角度，數(shù)據(jù)更新是通過(guò)數(shù)字化藏品獲取并記錄不規(guī)則圖形的坐標(biāo)位置。2.2.1 位置信息更新藏品的位置包括基礎(chǔ)位置和精確位置，因此，藏品三維數(shù)據(jù)在位置信息方面的更新指的是對(duì)基礎(chǔ)位置和精確位置的更新。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)記錄了藏品位于展館的節(jié)點(diǎn)位置，即基礎(chǔ)位置，但卻未記錄其精確坐標(biāo)，通過(guò)xml元數(shù)據(jù)庫(kù)，以node節(jié)點(diǎn)定義藏品位置的vertex標(biāo)簽，并以（pani，tilti，fovi）坐標(biāo)記錄藏品位于展館的節(jié)點(diǎn)精確位置。因此動(dòng)態(tài)更新藏品位置信息就是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的節(jié)點(diǎn)信息和xml文件庫(kù)中的藏品位置屬性vertex進(jìn)行同步更新。數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)信息更新步驟如下：（1）通過(guò)xml文件獲取當(dāng)前

14、展館的英文名和節(jié)點(diǎn)編號(hào)；（2）利用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)語(yǔ)言查找與步驟（1）中英文名相同的展館編號(hào)；（3）通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言u(píng)pdate更新陳列表中符合當(dāng)前藏品編號(hào)記錄中的展館編號(hào)和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。其中，更新數(shù)據(jù)記錄的sql語(yǔ)句如下：update display_relation set pano_id=$pano，exhall_id=（select exhall_id from exhall_baseinfo where en_name=$hall）where exh_id=$exh；xml元數(shù)據(jù)記錄的館/藏精確位置以4組坐標(biāo)對(duì)表示，四點(diǎn)相連形成閉合四邊形，代表了藏品熱區(qū)的區(qū)域范圍，更新藏品的精確位置就是重寫(xiě)

15、（數(shù)字化）xml文件中的4組坐標(biāo)對(duì)，其步驟如下：step 1：讀取xml文件內(nèi)容；step 2：輸入更新的藏品編號(hào)，判斷在xml子節(jié)點(diǎn)中是否已經(jīng)存在該藏品的熱區(qū)。若存在則利用展柜刪除xml文件中藏品的原有節(jié)點(diǎn)信息，繼續(xù)step 2；反之，依次添加4個(gè)角點(diǎn)；step 3：根據(jù)公式1-1和1-2將4個(gè)角點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)值；step 4：利用藏品名、藏品編號(hào)及三維坐標(biāo)信息等創(chuàng)建藏品熱區(qū)節(jié)點(diǎn)，追加到xml文檔中的熱區(qū)位置；step 5：保存更新后的xml文檔內(nèi)容。2.2.2 圖像顯示更新圖像顯示更新涉及了大量的圖形圖像處理算法，包括圖像的平移、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等幾何算法、圖形的繪制及圖像的融合算

16、法等。目前，面向html5 canvas的javascript庫(kù)已經(jīng)基本滿(mǎn)足了在線(xiàn)處理圖形圖像的要求，相對(duì)于其它常用的javascript canvas庫(kù)，fabric.js具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、模型對(duì)象化、快速輸出等優(yōu)勢(shì)，選取其作為虛擬博物館圖像顯示更新的工具。在fabric.js插件中，將加載的所有圖層看做對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都由一個(gè)最小矩形包圍盒控制，每個(gè)包圍盒上分布著9個(gè)控制點(diǎn)，結(jié)合鼠標(biāo)和鍵盤(pán)按鍵控制實(shí)現(xiàn)對(duì)象的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、錯(cuò)切、翻轉(zhuǎn)等變換。平移：在非控制點(diǎn)范圍拖動(dòng)鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的平移；旋轉(zhuǎn)：順時(shí)針或逆時(shí)針拉動(dòng)控制點(diǎn)9，可使對(duì)象按順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；等比例縮放：鼠標(biāo)拖動(dòng)1、3、5、7控

17、制點(diǎn)，對(duì)象分別以5、7、1、3控制點(diǎn)為中心等比例縮放；非等比例縮放：鼠標(biāo)拖動(dòng)2、4、6、8控制點(diǎn)，對(duì)象分別以當(dāng)前點(diǎn)所在的邊為基線(xiàn)拉伸或縮小；錯(cuò)切：鼠標(biāo)拖動(dòng)2、4、6、8控制點(diǎn)的同時(shí)按下shift鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的錯(cuò)切；翻轉(zhuǎn)：鼠標(biāo)拖動(dòng)2、4、6、8控制點(diǎn)的同時(shí)按下alt鍵，對(duì)象分別以4、8點(diǎn)所在直線(xiàn)和2、6點(diǎn)所在直線(xiàn)翻轉(zhuǎn)。以藏品編號(hào)為mp-511的祖母綠為例，通過(guò)操作圖像控制點(diǎn)，圖像的顯示更新過(guò)程如圖2所示，其中，更新前的藏品、全景圖及展柜均以預(yù)處理后圖像的固有長(zhǎng)寬顯示。3 結(jié)語(yǔ)館/藏之間的映射關(guān)系與藏品的存儲(chǔ)和更新數(shù)據(jù)類(lèi)別的對(duì)應(yīng)，是保證藏品信息數(shù)據(jù)一致性的基礎(chǔ)；web環(huán)境下，采用數(shù)據(jù)庫(kù)與在線(xiàn)圖像處理技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)虛擬地質(zhì)博物館藏品的動(dòng)態(tài)更新。本次研究解除了藏品與展柜的依賴(lài)關(guān)系，減低了藏品與展柜的耦合度，避免了復(fù)雜的三維建模過(guò)程；為非專(zhuān)業(yè)的管理人員提供了較為簡(jiǎn)單的更新接口。此外，采用基于圖像的繪制更新方法，最大化地避免了藏品動(dòng)態(tài)變化時(shí)場(chǎng)景的重復(fù)建設(shè)工作，為當(dāng)前虛擬博物館的藏品動(dòng)態(tài)更新研究提供了新思路。參考文獻(xiàn)1 朱旦晨，宋桂嶺.基于unreal3的虛擬博物館系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)j.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010（12）：48-52.2 李忻悅.博物館藏品信息化的探索d.南京師范大學(xué)，2014.3 張小朋.博物館信息化建設(shè)的初步