数字博物馆及其关键技术.pdf

2007年09月20072007年年0909月月数字博物馆及其关键技术数字博物馆及其关键技术虚拟现实技术国家重点实验室 沈旭昆虚拟现实技术国家重点实验室 沈旭昆1 1 1 1、数字博物馆概述、数字博物馆概述、数字博物馆概述、数字博物馆概述?英文Museum出于希腊语Mouseion，原意为A Seat of the Muses据1971年出版的《牛津英文大字典》解释，这一词的意 思是“缪斯的所在地”公元前283年埃及的托勒密苏托王 (Ptolemy Soter)在亚历山大建立的“亚历山大博物馆”(The Hellenistic museum of Alexandria)被称为世界上最早的博物 馆英文Museum出于希腊语Mouseion，原意为A Seat of the Muses据1971年出版的《牛津英文大字典》解释，这一词的意 思是“缪斯的所在地”公元前283年埃及的托勒密苏托王 (Ptolemy Soter)在亚历山大建立的“亚历山大博物馆”(The Hellenistic museum of Alexandria)被称为世界上最早的博物 馆国际博物馆协会(International Council of Museums，简称 ICOM)在继承1974 年哥本哈根定义和1989年海牙定义的基础上， 于2001年7月6日经西班牙巴塞罗纳第20次国际博协代表大会修改 通过的国际博协章程第二条给出了博物馆的如下定义：国际博物馆协会(International Council of Museums，简称 ICOM)在继承1974 年哥本哈根定义和1989年海牙定义的基础上， 于2001年7月6日经西班牙巴塞罗纳第20次国际博协代表大会修改 通过的国际博协章程第二条给出了博物馆的如下定义：?]博物馆是一个以研究、教育、欣赏为目的而征集、保护、研 究、传播和展出人类及人类环境的物证的、为社会及其发展服务 的、向大众开放的、非营利的永久性(固定性)机构。

在定义的补 充说明中，将保存生活风俗遗产(Living Heritage)和数字创造 行为(Digital Creative Activity)等有形和无形遗产资源的文 化中心和实体首次纳入到博物馆的范畴内]博物馆是一个以研究、教育、欣赏为目的而征集、保护、研 究、传播和展出人类及人类环境的物证的、为社会及其发展服务 的、向大众开放的、非营利的永久性(固定性)机构在定义的补 充说明中，将保存生活风俗遗产(Living Heritage)和数字创造 行为(Digital Creative Activity)等有形和无形遗产资源的文 化中心和实体首次纳入到博物馆的范畴内数字博物馆基本概念数字博物馆基本概念数字博物馆基本概念数字博物馆基本概念数字博物馆(Digital Museum)是以数字形式对自然遗 产和文化遗产的各方面信息进行采集和管理，实现自然遗 产和文化遗产的信息保存，既可以在实体博物馆内，也可 以通过互联网为用户提供数字化的展示、教育和研究等多 种服务的信息系统，是博物馆学、传播学和计算机科学等 相关学科相结合的信息服务系统 数字博物馆作为一种新型的博物馆，已成为实体博物 馆的一种重要辅助展现形态，它一定程度上减少了实体博 物馆所必须的建筑、陈列、参观时间等条件的束缚，突破 了时间与空间的限制，最终达到使得任何人在任何时间、 任何地点都能够获取所需要的自然、文化遗产信息的目 标。

数字博物馆(Digital Museum)是以数字形式对自然遗 产和文化遗产的各方面信息进行采集和管理，实现自然遗 产和文化遗产的信息保存，既可以在实体博物馆内，也可 以通过互联网为用户提供数字化的展示、教育和研究等多 种服务的信息系统，是博物馆学、传播学和计算机科学等 相关学科相结合的信息服务系统 数字博物馆作为一种新型的博物馆，已成为实体博物 馆的一种重要辅助展现形态，它一定程度上减少了实体博 物馆所必须的建筑、陈列、参观时间等条件的束缚，突破 了时间与空间的限制，最终达到使得任何人在任何时间、 任何地点都能够获取所需要的自然、文化遗产信息的目 标数字博物馆特点(1) 存储数字化 (2) 获取网络化 (3) 资源共享化 (4) 展示多元化(1) 存储数字化 (2) 获取网络化 (3) 资源共享化 (4) 展示多元化数字博物馆国内外建设现状数字博物馆国内外建设现状数字博物馆国内外建设现状数字博物馆国内外建设现状? 美国国会图书馆“American Memory”计划美国国会图书馆“American Memory”计划 ? 加拿大“魁北克CHIN专案计划”加拿大“魁北克CHIN专案计划” ? 欧洲“The VR-LEARNERS project和“eMaxCon”欧洲“The VR-LEARNERS project和“eMaxCon” ? 埃及政府和IBM合作的“永远的埃及”埃及政府和IBM合作的“永远的埃及” ? 日本“全球数字博物馆计划”日本“全球数字博物馆计划” ? 中国台湾中央研究院 “数位典藏计划中国台湾中央研究院 “数位典藏计划 ? 斯坦福大学“The Digital Michelangelo Project”斯坦福大学“The Digital Michelangelo Project” ? 意大利米兰工业学院的罗马大剧院重建项目意大利米兰工业学院的罗马大剧院重建项目 ? 中国故宫博物院的数字故宫计划中国故宫博物院的数字故宫计划 ? 中国大学数字博物馆计划中国大学数字博物馆计划“The Digital Michelangelo Project”“The Digital Michelangelo Project”先去除不合理的扫描数据，进行数 据拼接，生成一个无缝的网格，然 后进行模型修复，最后将拍摄的彩 色数据映射到三维网格上，构造出 逼真的三维模型。

遇到的最大的挑战是三维模型的数 据量庞大，以0.3mm精度扫描的大卫 雕像，见图1，其多边形数为20亿， 图象7000幅，数据量达32GB先去除不合理的扫描数据，进行数 据拼接，生成一个无缝的网格，然 后进行模型修复，最后将拍摄的彩 色数据映射到三维网格上，构造出 逼真的三维模型 遇到的最大的挑战是三维模型的数 据量庞大，以0.3mm精度扫描的大卫 雕像，见图1，其多边形数为20亿， 图象7000幅，数据量达32GB網址: http://www.npm.gov.tw, http://npm.museum http://taiwan.national.palace.museum國立故宮博物院全球資訊網國立故宮博物院全球資訊網含:中、英、日、法、德、韓、西班牙及俄文等多國語言數位博物館數位博物館數位博物館數位博物館主題網頁主題網頁主題網頁主題網頁佛經附圖佛經附圖AAM MUSE Awards 2004, Silver, 【【Collection Database or Reference】】書畫大觀園書畫大觀園本光碟藉著虛擬人物阿達王子遊歷大觀園中各主題館， 在園中學習與遊戲交錯的過程，獲得中國書畫的知識， 並體會收藏傳統書畫面臨的挑戰與經驗。

1)展示：从2D到3D，从单视点到多视点(1)展示：从2D到3D，从单视点到多视点(2) 运动：虚拟人运动(2) 运动：虚拟人运动(3) 交互方式：主动参与(3) 交互方式：主动参与(4) 数据安全：珍贵3D文物数据保护(4) 数据安全：珍贵3D文物数据保护数字资源管理数字资源管理发布展示发布展示Portal / Directory网络网络文物数字化流程图文物数字化流程图影像、三维资料取得影像、三维资料取得“虚拟奥运博物馆虚拟奥运博物馆”总体建设内容总体建设内容资源共享 (规范、语言资源共享 (规范、语言）博物馆 （网络）博物馆 （网络）开放博物馆（公共场所）开放博物馆（公共场所）离线博物馆（中国古代体育）离线博物馆（中国古代体育）数字博物馆面临的关键技术问题数字博物馆面临的关键技术问题数字博物馆面临的关键技术问题数字博物馆面临的关键技术问题1、文物的高效逼真三维建模 2、三维模型及场景的实时绘制文物的高效逼真三维建模 2、三维模型及场景的实时绘制 ? 基于桌面设备的三维复杂场景实时绘制基于桌面设备的三维复杂场景实时绘制 ? 基于Internet的三维模型编码、传输和绘制基于Internet的三维模型编码、传输和绘制 3、图像的修复问题 4、数据保护问题 5、人体运动问题3、图像的修复问题 4、数据保护问题 5、人体运动问题1、文物的高效逼真三维建模文物的高效逼真三维建模?手工建模手工建模?基于图像的建模基于图像的建模?基于三维数据的建模基于三维数据的建模历史考证历史考证——礼射三维场景复原图1礼射三维场景复原图1主宾三耦乐队众宾主人礼射出场人物礼射出场人物上射与下射司射基于图像的建模与绘制技术基于图像的建模与绘制技术拍摄图像序列特征提取及 多幅图像配准重构三 维模型 浮雕纹 理映射拍摄图像序列特征提取及 多幅图像配准重构三 维模型 浮雕纹 理映射基于三维扫描数据构造逼真3D模型技术基于三维扫描数据构造逼真3D模型技术西安秦跪射俑西安秦跪射俑深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————工作流程工作流程工作流程工作流程确定边界点确定边界点两两配准两两配准多视点配准多视点配准深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————确定边界点确定边界点确定边界点确定边界点边界点噪声较大，而且无法求得精确的特征，所以应首先确定出来。

所谓边界点就是，如果一个点的某一邻域中的点服从不均匀分布，那 么该点就是边界点在点P的半径r球形邻域 中，使用主元分析法(PCA)求 得法向量n，然后将邻域内所 有点投影到切平面σ，使用 χ边界点噪声较大，而且无法求得精确的特征，所以应首先确定出来所谓边界点就是，如果一个点的某一邻域中的点服从不均匀分布，那 么该点就是边界点在点P的半径r球形邻域 中，使用主元分析法(PCA)求 得法向量n，然后将邻域内所 有点投影到切平面σ，使用 χ2 2检验法其是否服从均匀分 布，如果不服从，是边界点， 否则，不是边界点检验法其是否服从均匀分 布，如果不服从，是边界点， 否则，不是边界点Pnσσr深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————确定边界点确定边界点确定边界点确定边界点深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————两两配准两两配准两两配准两两配准两两粗略配准两两粗略配准1. 对每个点计算主曲率作为特征对每个点计算主曲率作为特征2. 选取参考点选取参考点3. 搜索对应点并计算粗略配准变换矩阵搜索对应点并计算粗略配准变换矩阵深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————两两配准两两配准两两配准两两配准两两粗略配准两两粗略配准1. 对每个点计算主曲率作为特征对每个点计算主曲率作为特征在每点邻域内拟合局部曲面，计算主曲率作为特征。

在每点邻域内拟合局部曲面，计算主曲率作为特征2. 选取参考点选取参考点用用OCTree划分空间，均匀选取参考点划分空间，均匀选取参考点3. 搜索对应点并计算粗略配准变换矩阵搜索对应点并计算粗略配准变换矩阵利用曲率特征匹配对应点，计算粗略配准变换矩阵利用曲率特征匹配对应点，计算粗略配准变换矩阵深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构深度图像的配准与表面重构 ————两两配准两两配准两两配准两两配准两两精确配准－采用两两精确配准－采用ICP迭代算法迭代算法1. 选取参考点：使用选取参考点：使用OCTree均匀选取参考点均匀选取参考点2. 设定距离阈值：设定距离阈值为。