本發(fā)明屬于地圖學(xué)、敘事學(xué)、歷史gis、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的，具體涉及一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的歷史地圖敘事方法。

背景技術(shù)：

1、地圖作為一種空間可視化語(yǔ)言，是呈現(xiàn)地理信息和傳播空間知識(shí)的核心工具，在重建歷史空間和傳播歷史記憶方面發(fā)揮著重要作用。歷史地理信息系統(tǒng)（historical?gis，簡(jiǎn)稱hgis）可以將傳統(tǒng)輿圖（古舊地圖）和歷史地理資料遷移到具有統(tǒng)一時(shí)空地理坐標(biāo)的地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施（geospatial?information?infrastructure）上，以數(shù)字地圖的形式再現(xiàn)逝去的歷史場(chǎng)景，是再現(xiàn)歷史時(shí)空、傳承歷史記憶的數(shù)字平臺(tái)。盡管如此，現(xiàn)階段hgis對(duì)地圖的復(fù)現(xiàn)，多數(shù)還是用于歷史信息的空間化和空間分析層面，并沒(méi)有涉及到普適性的地圖生產(chǎn)和文化遺產(chǎn)傳播中。現(xiàn)階段的地圖呈現(xiàn)技術(shù)如敘事地圖、泛地圖、場(chǎng)景學(xué)，也都并未針對(duì)性考慮歷史地圖下的敘事，缺乏有效的方法來(lái)對(duì)歷史地圖中的歷史進(jìn)行敘事表達(dá)。

2、augmented?reality（ar）是一種虛實(shí)融合的數(shù)字技術(shù)，是將數(shù)字內(nèi)容疊加到真實(shí)環(huán)境中的物理對(duì)象（如紙質(zhì)地圖）或位置上。ar技術(shù)具有真實(shí)與虛擬相結(jié)合、線上與線下資源融合，實(shí)時(shí)交互、并以3d形式注冊(cè)的特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)包括圖像識(shí)別、平面識(shí)別、slam等方法?；趫D像識(shí)別，在地圖上制作ar內(nèi)容，可以有效提高地圖的表現(xiàn)維度，擴(kuò)展地圖的呈現(xiàn)和應(yīng)用邊界。

3、ar地圖背景技術(shù)目前主要涉及以下幾個(gè)方面。首先在地圖構(gòu)建與數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，地圖數(shù)據(jù)采集與處理需要結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和匹配等操作，為ar地圖的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。但需要解決對(duì)不同來(lái)源和格式的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的問(wèn)題，以完整、準(zhǔn)確建構(gòu)ar地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。

4、其次，地理信息增強(qiáng)與可視化涉及的最主要技術(shù)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)疊加技術(shù)，基于位置和方向傳感器數(shù)據(jù)，將虛擬地理信息元素（如標(biāo)注、圖標(biāo)、三維模型等）精準(zhǔn)疊加在現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)位置上，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的增強(qiáng)和豐富。ar提供了全新的地理空間數(shù)據(jù)可視化方法，即在實(shí)景中融入虛擬信息的方式，如現(xiàn)有技術(shù)中的可定位視屏對(duì)象的ar表達(dá)框架、投影式增強(qiáng)地圖系統(tǒng)和ar可視化系統(tǒng)的研究框架。但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化的核心問(wèn)題是可視化對(duì)象與現(xiàn)實(shí)世界的融合效果和抽象信息的合理性，目前的研究仍然從可視化的角度追求逼真的效果和多樣化的表達(dá)，抽象信息合理性的研究相對(duì)較少，因此ar可視化缺乏目的性和針對(duì)性。

5、當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的地圖敘事結(jié)合了虛擬信息和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，但其技術(shù)實(shí)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用依然面臨諸多挑戰(zhàn)。比如在用戶體驗(yàn)方面可能存在信息過(guò)載（過(guò)多虛擬標(biāo)簽遮擋視線）、交互不自然（手勢(shì)/語(yǔ)音識(shí)別延遲）、長(zhǎng)時(shí)間使用引發(fā)眩暈感等等，同時(shí)不同用戶對(duì)ar界面復(fù)雜度的接受度和理解差異大?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)（ar）的歷史地圖敘事是結(jié)合空間數(shù)據(jù)與故事敘事的可視化工具的進(jìn)一步發(fā)展，核心目標(biāo)是通過(guò)地圖引導(dǎo)用戶沉浸式體驗(yàn)特定敘事邏輯，但如何將線性或非線性的故事情節(jié)與地理空間信息自然結(jié)合、平衡信息密度與敘事節(jié)奏、整合多媒體內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)資源加載延遲或格式?jīng)_突以及多文化背景下的敘事普適性等問(wèn)題難以兼顧。此外，現(xiàn)階段ar地圖在大眾中還并未普及，功能也僅僅局限在路線導(dǎo)航方面，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)針對(duì)歷史敘事的ar地圖產(chǎn)品，同時(shí)也缺乏一種普適性的技術(shù)路線來(lái)基于ar進(jìn)行歷史地圖敘事。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)背景技術(shù)中提及的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（ar）的歷史地圖敘事方法，將hgis技術(shù)應(yīng)用到普適性的地圖生產(chǎn)中，并加入ar技術(shù)，通過(guò)該方法，為制作ar地圖提供普適性的框架，降低歷史地圖敘事的制作門檻，打通制圖者和地圖用戶的溝通門檻。

2、技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的歷史地圖敘事方法，包括以下步驟：

4、s1：獲取原始數(shù)據(jù)；

5、s2：對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行hgis數(shù)字化處理；

6、s3：對(duì)s2處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；

7、s4：基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建歷史敘事平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地圖敘事，具體為：

8、s41：基于地理數(shù)據(jù)庫(kù)和地理環(huán)境復(fù)現(xiàn)規(guī)劃場(chǎng)景；

9、s42：基于專題地理數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體素材庫(kù)和圖像識(shí)別在規(guī)劃的場(chǎng)景中進(jìn)行內(nèi)容呈現(xiàn)；

10、s43：基于手勢(shì)識(shí)別和內(nèi)容呈現(xiàn)進(jìn)行交互設(shè)置與體驗(yàn)；

11、s44：基于發(fā)生改動(dòng)的素材和交互設(shè)置與體驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)容管理和更新，從而進(jìn)行地圖敘事。

12、作為優(yōu)選，在s1中，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集，包括歷史地圖、歷史文獻(xiàn)資料和多媒體數(shù)據(jù)。

13、作為優(yōu)選，在s2中，對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行hgis數(shù)字化處理的具體過(guò)程為：

14、s21：對(duì)歷史地圖進(jìn)行hgis數(shù)字化處理，具體包括：

15、地圖預(yù)處理、地圖配準(zhǔn)、古今校驗(yàn)、地圖矢量化和屬性賦值；

16、s22：對(duì)歷史文獻(xiàn)資料進(jìn)行hgis數(shù)字化處理，具體包括：

17、文本數(shù)字化、關(guān)鍵詞提取、地理信息空間化和屬性關(guān)聯(lián)；

18、s23：對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行hgis數(shù)字化處理，具體包括：

19、數(shù)據(jù)收集、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮。

20、作為優(yōu)選，在s3中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：對(duì)經(jīng)過(guò)s2處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存的具體內(nèi)容為：

21、將經(jīng)過(guò)hgis數(shù)字化處理后的歷史地圖輸入到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中；將經(jīng)過(guò)hgis數(shù)字化處理后的歷史文獻(xiàn)資料輸入到專題地理數(shù)據(jù)庫(kù)中，將經(jīng)過(guò)hgis數(shù)字化處理后的多媒體數(shù)據(jù)輸入到多媒體素材庫(kù)中。

22、作為優(yōu)選，在s42中，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)，加載目標(biāo)圖像和特征模板，采用opencv的orb算法進(jìn)行特征提取，針對(duì)特征進(jìn)行暴力匹配，加載3d模型并進(jìn)行定位，將模型和圖像的中心綁定。

23、作為優(yōu)選，在s42中，orb算法進(jìn)行特征提取包括：

24、在空間位置上，通過(guò)fast算法檢測(cè)圖像中的角點(diǎn)；

25、在方向?qū)傩陨?，使用?qiáng)度質(zhì)心法計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)主方向，通過(guò)幾何矩公式計(jì)算特征點(diǎn)鄰域質(zhì)心，連接特征點(diǎn)與質(zhì)心形成主方向，幾何矩公式計(jì)算如下：

26、，

27、其中，i(x,y)表示圖像在點(diǎn)(x,y)的像素灰度值，質(zhì)心坐標(biāo)為，表示幾何矩；、表示對(duì)像素坐標(biāo)x和y的冪運(yùn)算，p和q為指幾何矩的階數(shù)；表示質(zhì)心相對(duì)于特征點(diǎn)的方位角；表示一階矩在x方向的分量，表示一階矩在y方向的分量；表示零階矩，表示四象限反正切函數(shù)；

28、在尺度信息上，通過(guò)圖像金字塔實(shí)現(xiàn)多尺度檢測(cè)。

29、作為優(yōu)選，在空間位置上，通過(guò)fast算法檢測(cè)圖像中的角點(diǎn)的具體內(nèi)容為：

30、選擇候選像素點(diǎn)：遍歷圖像中每個(gè)像素，檢查其是否為焦點(diǎn)候選；以像素為中心，取半徑為3像素共16個(gè)等距圓周像素點(diǎn)，定義其鄰域范圍；

31、快速預(yù)篩選：設(shè)定亮度差異閾值，檢查圓周編號(hào)為1、5、9、13的四個(gè)點(diǎn)，若其中有3個(gè)以上點(diǎn)亮度滿足亮度值差異的絕對(duì)值大于閾值，則該像素可能是角點(diǎn)，進(jìn)入下一步，否則直接跳過(guò)；

32、連續(xù)像素檢測(cè)：在圓周的16個(gè)點(diǎn)中尋找一段連續(xù)的n個(gè)點(diǎn)，滿足比中心亮或暗的條件之一，判定該像素為角點(diǎn)；

33、非極大值抑制：消除密集區(qū)域的重復(fù)角點(diǎn)，保留最顯著的角點(diǎn)。

34、作為優(yōu)選，在s42中，基于orb特征的暴力匹配規(guī)則，其核心匹配規(guī)則為全量比對(duì)原則，匹配流程具體為：

35、距離度量：使用改進(jìn)漢明距離，通過(guò)異或運(yùn)算計(jì)算二進(jìn)制描述子的差異位數(shù)；

36、最近鄰準(zhǔn)則：對(duì)查詢集中的每個(gè)描述子，遍歷訓(xùn)練集所有描述子，選擇距離最小的匹配對(duì)作為候選；

37、閾值過(guò)濾：通過(guò)設(shè)定最大距離閾值或采用最近鄰比率法排除模糊匹配；

38、交叉驗(yàn)證：保留互為最近鄰的匹配對(duì)。

39、作為優(yōu)選，在s42中，根據(jù)模型坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解相機(jī)位姿；

40、通過(guò)模型與場(chǎng)景中心綁定將3d模型頂點(diǎn)坐標(biāo)縮放到與場(chǎng)景匹配的尺度，確保投影后模型與圖像對(duì)齊；隨后，將模型中心點(diǎn)綁定到圖像中心，通過(guò)平移變換調(diào)整模型位置，具體計(jì)算公式為：

41、，

42、其中，k表示相機(jī)內(nèi)參，?表示圖像中心坐標(biāo)；?表示調(diào)整后的平移向量；t表示平移向量；project()表示投影函數(shù)；r表示旋轉(zhuǎn)矩陣，?表示投影后的模型中心點(diǎn)。

43、作為優(yōu)選，在s43中，首先對(duì)手勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步清理和轉(zhuǎn)換，利用手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，獲取屏幕手勢(shì)觸點(diǎn)，判斷是否和交互物體相交，若是，則按照預(yù)定邏輯觸發(fā)相應(yīng)的事件或動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)處理，通過(guò)視覺(jué)效果、聲音的方式向用戶提供操作成功的反饋，其中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有：

44、相交檢測(cè)循環(huán)：通過(guò)嵌套循環(huán)實(shí)現(xiàn)所有觸點(diǎn)與ui元素的遍歷檢測(cè)；

45、沖突處理邏輯：當(dāng)多個(gè)觸點(diǎn)與元素交互時(shí)，通過(guò)優(yōu)先級(jí)策略篩選唯一有效交互；

46、手勢(shì)類型匹配：基于方向、速度和軌跡特征，映射到預(yù)定義手勢(shì)類型；

47、反饋機(jī)制：視覺(jué)高亮與聲音提示同步觸發(fā)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

48、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

49、（1）首次將多媒體數(shù)據(jù)（視頻、音頻、網(wǎng)頁(yè)、文本等）和數(shù)字地圖以可交互形式嵌入到ar環(huán)境中，以供歷史敘事，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地圖主要應(yīng)用于地理數(shù)據(jù)可視化和空間分析的不足。

50、（2）在本發(fā)明中，結(jié)合ar技術(shù)，探索新型的歷史地圖敘事方法，并對(duì)ar平臺(tái)的環(huán)境設(shè)置、圖像識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別邏輯進(jìn)行了封裝和適配，本發(fā)明的技術(shù)方案相對(duì)于現(xiàn)階段基于網(wǎng)站端的二維方案具有更強(qiáng)的敘事性和傳播性。

51、（3）本發(fā)明為歷史地圖敘事提供了可遷移的技術(shù)平臺(tái)和地圖敘事模板，同時(shí)支持制圖者和使用者之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，降低了ar地圖編繪和歷史記憶傳播的技術(shù)門檻，提高了產(chǎn)品更新迭代的速度。

52、（4）本發(fā)明基于orb算法實(shí)現(xiàn)的特征提取和匹配，可以在實(shí)際產(chǎn)品場(chǎng)景下達(dá)到80%以上的精確匹配和識(shí)別（vuforia平臺(tái)下的得分），在用戶移動(dòng)和不同手勢(shì)下均實(shí)現(xiàn)了模型精確定位，在實(shí)際應(yīng)用中流暢無(wú)卡頓。