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)更新無法與前臺(tái)展示同步及數(shù)據(jù)一致性難以保障的問題，本文以湖南省地質(zhì)博物館為例，采用Pano2vr提供的二次開發(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

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0034-03

0 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，它決定了不同視覺角度下藏品在展館中的位置。這種空間相對(duì)依賴關(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、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)系包含了藏品在展館中的節(jié)點(diǎn)位置。

為了提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)性能，盡量消除各屬性之間的相互依賴關(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)圖像在線處理的工作區(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（pageYi∈[0，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程中其相關(guān)數(shù)據(jù)的完整和一致。

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：一類是文本組成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)；一類是以圖像、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)庫與文件庫集成的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。藏品動(dòng)態(tài)更新過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

采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(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_NAME，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)庫操縱語言對(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

相對(duì)于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不方便直接通過數(shù)據(jù)庫的二維邏輯表進(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，編碼和解碼的過程占用CPU空間，易造成線程阻塞；第三，無法對(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)庫存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的路徑來維護(hù)藏品數(shù)據(jù)的一致性，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中記錄非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的路徑信息，在文件庫存放這些數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫與文件庫間通過路徑字段關(guān)聯(lián)。當(dāng)新增或修改非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過插入或更新編輯數(shù)據(jù)庫中的屬性字段，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

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，F(xiàn)OV））；

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，F(xiàn)OV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)庫存儲(chǔ)。

XML作為描述數(shù)據(jù)的元語言，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、名稱等信息，通過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，顯示更新通過位置移動(dòng)和幾何變換將場(chǎng)景、展柜、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XML元數(shù)據(jù)庫，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)庫的節(jié)點(diǎn)信息和XML文件庫中的藏品位置屬性vertex進(jìn)行同步更新。

數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)信息更新步驟如下：

（1）通過XML文件獲取當(dāng)前展館的英文名和節(jié)點(diǎn)編號(hào)；（2）利用數(shù)據(jù)庫查詢語言查找與步驟（1）中英文名相同的展館編號(hào)；（3）通過數(shù)據(jù)庫操縱語言UPDATE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（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法等。目前，面向HTML5 Canvas的JavaScript庫已經(jīng)基本滿足了在線處理圖形圖像的要求，相對(duì)于其它常用的JavaScript Canvas庫，F(xiàn)abric.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)所在的邊為基線拉伸或縮??；

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)所在直線和2、6點(diǎn)所在直線翻轉(zhuǎn)。

以藏品編號(hào)為MP-511的祖母綠為例，通過操作圖像控制點(diǎn)，圖像的顯示更新過程如圖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寬顯示。

3 結(jié)語

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)庫與在線圖像處理技術(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)雜的三維建模過程；為非專業(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。

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