增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬景區(qū)信息系統(tǒng)

蘇會衛(wèi)，李佳楠，許霞（.桂林旅游學(xué)院旅游與休閑管理系，廣西桂林54004；.貴州財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽55005）

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增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬景區(qū)信息系統(tǒng)

蘇會衛(wèi)1，李佳楠2，許霞1
（1.桂林旅游學(xué)院旅游與休閑管理系，廣西桂林541004；2.貴州財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025）

摘要：針對傳統(tǒng)旅游模式智能化問題，設(shè)計并實現(xiàn)基于增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實境空間系統(tǒng)，利用增強現(xiàn)實技術(shù)，將二維設(shè)計操作移植到三維環(huán)境中形成三維交互建模，實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境定位實體場景和人機交互體驗.結(jié)果表明：該系統(tǒng)為用戶創(chuàng)造了新的旅游體驗方式與平臺，也驗證了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬景區(qū)信息系統(tǒng)的可行性，改進了增強現(xiàn)實技術(shù)中存在的技術(shù)瓶頸.

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；虛擬景區(qū)；三維建模；用戶體驗

旅游業(yè)被確定為我國國民經(jīng)濟中的朝陽產(chǎn)業(yè)，是國家戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè).日本東京街頭的ibutterfly虛擬游覽項目［1］、美國的迪斯尼樂園，以及手機上的增強現(xiàn)實程序都出現(xiàn)各種立體的動畫人物，并可進行互動［2］.圓明園采用增強現(xiàn)實技術(shù)（augmented reality technique，簡稱AR）完成建筑物的虛擬重建，用戶在園中戴上特殊三維眼鏡能夠觀覽到當年皇家園林原貌［3］.在景點入口處，游客通過使用移動終端可以下載基于增強現(xiàn)實技術(shù)的景區(qū)虛擬信息系統(tǒng)，系統(tǒng)帶有景區(qū)導(dǎo)航功能.在景區(qū)特定的區(qū)域設(shè)置大幅圖形標記或小型二維碼識別標簽，游客可以通過掃描標簽自動激活虛擬導(dǎo)游講解系統(tǒng)，觸發(fā)文物三維360°展示功能［4］.游客還能直接和增強現(xiàn)實景區(qū)系統(tǒng)的虛擬人物或物體等進行方便有效的交互，并能與其他游客進行基于景區(qū)SNS（social networking services）的智能化聯(lián)系［5］，讓游客置身于數(shù)字化環(huán)境中，真實場景與虛擬信息相得益彰，刺激創(chuàng)新型旅游增長點.我國在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，集中在配準技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用，學(xué)術(shù)層次有待拓展、涉及領(lǐng)域相對局限，未實現(xiàn)流程標準化.AR技術(shù)仍未系統(tǒng)地基于游客旅游角度開發(fā)便于操作的、能虛擬場景順暢交流的信息系統(tǒng)，只有個別景區(qū)的應(yīng)用性研究.從專利申請的情況看，全球共有108個［6］，其中，我國僅有北京理工大學(xué)開發(fā)出相關(guān)系統(tǒng)［7］.本文研究了改進型增強現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了基于云計算三維素材的大數(shù)據(jù)量存儲和高速傳輸，實現(xiàn)了增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬景區(qū)信息系統(tǒng).

1　增強現(xiàn)實理論

增強現(xiàn)實技術(shù)是一種通過計算機技術(shù)實時地將不同的3D虛擬對象整合到真實的三維空間中的技術(shù)，加強用戶在真實的環(huán)境中感受虛擬世界中的信息［8］.增強現(xiàn)實是虛擬環(huán)境（virtual environments，VE）的一種變化.增強現(xiàn)實技術(shù)能夠通過將虛擬物體與真實物體相互疊加，令用戶不僅能夠體驗到虛擬環(huán)境，而且能夠感受并看到真實的環(huán)境.這種交互式方式使得虛擬世界和真實世界的聯(lián)系更加緊密，用戶的體驗也更加滿足.

增強現(xiàn)實讓人們能以普通方式運用自己所熟悉的日常對象，而不是鍵盤輸入、凝神屏幕.醫(yī)生可以觀察添加的醫(yī)藥圖像，兒童可以為壘高（LEGO）玩具編程，建筑工程師可以運用普通的紙面工程畫和遠方同事交流.增強現(xiàn)實不是讓人們沉浸在人工創(chuàng)造的虛擬世界中，而是通過以豐富的數(shù)碼信息與交流能力來增強物理世界中的對象.

1.1 技術(shù)支持

增強現(xiàn)實體現(xiàn)在它將虛擬世界與真實世界緊密相連，支撐VR的技術(shù)有以下3種.

1）計算機圖形圖像技術(shù)（computer graphics technology）.在真實世界中，該項技術(shù)能夠讓使用增強現(xiàn)實的用戶借助透明的護目鏡看到投影，并疊加于真實物體上的虛擬對象，令用戶感受到物理世界之外的景象.

2）空間定位技術(shù)（space positioning technology）［9］.空間定位技術(shù)通過三維環(huán)境注冊系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬物體跟隨用戶的身體移動，改變相應(yīng)的位置，增強用戶的體驗效果.

3）人文智能（humanistic intelligence）［10］.人文智能是一種反饋回路中人和處理設(shè)備的信號處理框架，將自然賦予人的能力與處理設(shè)備交織在一起.人們可以利用人文智能獲取自己的生活見識，并與他人進行更有效的交流.

1.2 技術(shù)問題

1）增強現(xiàn)實需要的3D素材缺乏，沒有一個統(tǒng)一的素材云平臺［11］.

2）定位標記的微小抖動就會影響到增強現(xiàn)實的三維坐標和實物坐標融合.3）用戶與虛擬物體的手勢交互的靈敏度不高，有待改進.

1.3 技術(shù)創(chuàng)新

1）采用對人眼透明的水印基礎(chǔ)場景上添加現(xiàn)實物體定標.

2）根據(jù)讀者所在環(huán)境的光照情況，系統(tǒng)分析采集的實物圖像灰度分布，自動調(diào)整三維素材色彩，達到虛實光照一致性.

3）系統(tǒng)支持虛實碰撞檢測的手勢交互及手機觸摸交互［12］.增強觸摸的連貫性、真實性，能帶來很好的用戶使用體驗.1.4 應(yīng)用拓展

1）在傳統(tǒng)的旅游項目引進虛擬體驗技術(shù)［13］，以全新的3D立體展示方式為觀光模式注入新生活力.突破性應(yīng)用形態(tài)的涌現(xiàn)創(chuàng)造全新的用戶觀賞體驗.

2）新的數(shù)字講解方式，用戶與虛擬景區(qū)進行主動交流而非被動信息接受.增強現(xiàn)實技術(shù)可以預(yù)先設(shè)計一些場景人物進行虛擬投影，游客可以通過虛擬設(shè)備觸發(fā)系統(tǒng)［14］和虛擬人物進行對話.

3）用增強現(xiàn)實技術(shù)可很好地對少數(shù)民族文化遺產(chǎn)進行保護.把少數(shù)民族文化遺產(chǎn)于旅游業(yè)發(fā)展聯(lián)系起來，在一定程度上“活化”傳統(tǒng)文化.

2　技術(shù)方法及實現(xiàn)

系統(tǒng)利用識別圖像匹配技術(shù)獲得注冊信息，使其成為適用于旅游景點的增強現(xiàn)實系統(tǒng).系統(tǒng)將移動終端作為圖像顯示和獲取設(shè)備，將攝像頭拍攝到的圖像與事先存儲的識別圖在移動終端中進行匹配分析運算，獲取輸入圖像注冊信息.據(jù)此，對事先已經(jīng)渲染過的虛擬三維模型進行信息的調(diào)用.將其與移動終端的視頻輸入設(shè)備獲取真實的畫面進行疊加，最后，將完成虛擬與現(xiàn)實融合的增強畫面顯示于移動終端的屏幕上.這一方法允許用戶在任何環(huán)境下進行操作，從而不受諸如天氣、地理位置等外界因素的影響.系統(tǒng)將移動終端作為圖像采集與顯示設(shè)備，其便攜的特點促成了系統(tǒng)導(dǎo)航功能的誕生.

2.1 建立三維旅游素材服務(wù)平臺

對紙面印刷二維碼的快速識別，讀取三維素材標記等數(shù)據(jù)，查找或下載對應(yīng)的素材到移動終端.

1）采用python腳本語言［15］，可以實現(xiàn)服務(wù)器的快速開發(fā)，具有高速和高并發(fā)的優(yōu)秀特性.同時采用3DMax制作三維素材［16］，并將它們通過服務(wù)器后臺批量導(dǎo)入素材庫，自動產(chǎn)生標記，導(dǎo)出二維碼提供印刷，為終端獲取信息提供支持.

2）在掌握二維碼邊緣的圖形特殊性的情況下，采用特征識別的方法［17］，在設(shè)備的拍攝畫面中完整獲取二維碼圖像，并將二維碼圖像以外的內(nèi)容清空.

3）對圖像進行二值化處理，得到黑白的畫面，再結(jié)合Unger提出的平滑算法去除圖像上的雜散的點［18］，對圖像進行降噪，得到比較清晰的二維碼.

4）對處理后的圖像再次進行特征識別，主要為了獲取二維碼的偏轉(zhuǎn)角度，并對圖像進行旋轉(zhuǎn)，獲得了較為精確的二維碼圖像.

5）對二維碼進行譯碼，獲取其中包含的信息.

2.2 三維注冊

以虛實融合的方式，使用實時跟蹤攝像機，完成三維虛擬環(huán)境定位，實體場景中的注冊位置是AR中一個關(guān)鍵三維注冊技術(shù).采用改進的三角點Mark識別法［19］，主要利用Mark圖像信息，結(jié)合攝像頭參數(shù)采用透視投影成像原理來獲得變換矩陣信息，從而進行三維坐標在二維實物坐標上的注冊.然而，顯式的Mark圖像將會對雜志內(nèi)容產(chǎn)生較大程度上的影響，借鑒以圖像為載體的數(shù)字水印技術(shù)，將“看不見的”Mark圖像信息加入到雜志圖像上，終端通過規(guī)定的規(guī)則對圖像進行處理識別出Mark圖像.2.3 素材亮度值和陰影的添加

基于Mark識別法完成精確注冊，確定虛擬場景和真實環(huán)境相互的陰影、遮擋與光照的一致性效果.為了使設(shè)備生成的虛擬場景更加真實地與周圍環(huán)境融合，需要對嵌入的虛擬場景進行真實感渲染.2.4 手勢交互和人機交互體驗

為了使真實場景中的虛擬信息更加自然地交互，擬采用手勢識別交互和碰撞檢測的結(jié)合技術(shù)增強用戶的體驗.對人手進行三維建模，選取27維的一只人手，將其分解成15個6維的指節(jié)，別具匠心地“拆零”人手，進而，依照指節(jié)與指節(jié)的綁定關(guān)系，“組裝”匹配人手，即達成對人手每根手指的精準追蹤.為確保動態(tài)手勢識別和人手跟蹤能在低維的層級潛變量空間順利開展，采用基于三維人手運動的層級潛變量空間研究，增強手勢跟蹤和識別精確度.建立手勢數(shù)據(jù)庫記錄系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的手勢模型，通過對人手手勢的正確識別，并結(jié)合碰撞檢測技術(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)的三維動畫效果增強用戶的體驗.

2.4 原始內(nèi)容圖像的處理

首先，確定將要添加Mark圖像的的區(qū)域，分析區(qū)域圖像獲取亮度分步信息.然后，添加Mark圖像的區(qū)域內(nèi)多對特征點（以中心對稱），將每對點中一個亮度值加一，另一個減一，不影響整個圖像平均亮度.最后，將處理后的圖像存儲印刷到紙面，用于提供Mark標示.

設(shè)備識別是分析處理圖像，獲得亮度分布，再根據(jù)上面二維碼中記錄的特殊規(guī)則定位出Mark圖像的位置，獲取Mark圖像.在識別出Mark圖像后，獲取特征圖的4個頂點，計算變換矩陣h，擬合初始特征模板.

假設(shè)所有頂點均被定位，則遵從初始算法，開展識別跟蹤.假設(shè)小于兩個頂點被定位，那么識別不成功；若是3個頂點被定位，則特征圖形只可見一部分，另需計算特征圖形坐標系與顯示器屏幕坐標系和攝像機坐標系之間的變換關(guān)系，以下是詳細步驟：

1）選擇羅伯特.哈拉利克提出的算法［20］，獲得3個點在顯示器坐標系中的坐標，并計算3個頂點位于攝像機坐標系中對應(yīng)點的坐標，獲取4組大致的對應(yīng)點坐標集合.

2）依此對4組可能的解計算對應(yīng)的投影變換矩陣，特征圖形坐標系與顯示器屏幕坐標系的變換關(guān)系公式為式（1）中：矩陣C為攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣，攝像機定標后為已知參數(shù)；矩陣T為待求的變換矩陣.

借助平面幾何原理，構(gòu)建3個定位點組成平面坐標系.顯示器屏幕坐標系與特征圖形坐標系的變換矩陣為T1，T1可以表示為

同理，可以求得攝像機坐標系與特征圖形坐標系的變換矩陣T＝T2T1－1.

3）應(yīng)用最小二乘法，求解4組可能的解，計算出的4個變換矩陣，還原4組特征圖形頂點的坐標.采納精確度最高的矩陣，形成目前圖像對應(yīng)的變換矩陣.依據(jù)圖像分析，獲取最小的圖像頂點與恢復(fù)的頂點之間的距離的平方和.

3　開發(fā)實例

對于原始算法，使用Matlab等建模工具進行模擬仿真.對于軟件原型，最初可以通過打印在紙質(zhì)上的二維碼，通過電腦攝像頭進行試驗；后期可對有圖形標記的印刷品，通過蘋果手機、Android手機等設(shè)備進行實驗和測試.

測試人員模擬游客游覽，使用安卓平板電腦，運行恐龍公園景區(qū)增強現(xiàn)實移動APK程序.使用攝像頭對準恐龍二維圖形標記進行掃描，如圖1所示.系統(tǒng)自動定位到圖形標記，并現(xiàn)實虛擬的三維恐龍模型，疊加到真實的攝像頭場景中.單移動設(shè)備平移或旋轉(zhuǎn)時，三維恐龍會跟隨圖形標記一起旋轉(zhuǎn)，燈光和顏色會調(diào)整到最佳狀態(tài)，如圖2所示.三維模型在展示的同時能嵌入音樂或語言解說，對恐龍的種類、特性、生活場景等進行詳細介紹.游客還能通過平板電腦的觸摸屏選中恐龍模型，放大、縮小、360°旋轉(zhuǎn)模型，閱讀介紹文字，添加標注等，實現(xiàn)與增強現(xiàn)實場景的交互，大大提高游覽的樂趣，豐富游客的信息獲取量.

圖1　制作二維圖形標記Fig.1　Make 2Dgraphics Mark

圖2　立體恐龍投影Fig.2　Stereo projection of dinosaurs

在景區(qū)內(nèi)的特色服裝拍攝區(qū)，游客通?；虼┥仙贁?shù)名族服裝、歷史朝代服裝或動漫主題服裝等進行拍攝.通過開發(fā)的增強現(xiàn)實系統(tǒng)的服裝試穿模塊，游客可以使用移動終端攝像頭進行自拍，使用觸摸式交互組件.各種景區(qū)主題相關(guān)的3D素材都會存儲在系統(tǒng)云端服務(wù)器，游客可以從海量的素材中選擇自己喜歡的帽子、衣服、道具等進行拍攝，增加了旅游的樂趣，給顧客帶來全新的體驗.

4　結(jié)束語

從虛擬景區(qū)的角度出發(fā)，改進了增強現(xiàn)實技術(shù)中的標記定位技術(shù)、圖形現(xiàn)實算法以及虛擬交互模塊，重點探討虛擬物體與實景空間合成的一致性問題.游客置身于數(shù)字化環(huán)境中，真實場景與虛擬信息交相輝映，增強現(xiàn)實系統(tǒng)可很好地對文化遺產(chǎn)進行保護.另外，社交網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SNS也被融入到系統(tǒng)中，增強游客和導(dǎo)游之間的互動是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用研究領(lǐng)域中一種新的嘗試.結(jié)果表明：增強現(xiàn)實技術(shù)將民族文化遺產(chǎn)與旅游業(yè)發(fā)展聯(lián)系起來，在一定程度上“活化”傳統(tǒng)文化，并在在航天、軍事、建筑規(guī)劃等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.未來將進一步研究虛擬與真實物體之間的遮擋、碰撞，以及虛擬物體的光照、陰影等問題，使得虛實進行更好地結(jié)合.

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（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：吳逢鐵）

Virtual Scenic Spot Information System Research Based on Augmented Reality Technique

SU Hui－wei1，LI Jia－nan2，XU Xia1
（1.College of Tourism and Recreation Management，Guilin Institute of Tourism，Guilin 541004，China；2.School of Management Science，Guizhou University of Finance and Economics，Guiyang 550025，China）

Abstract：In view of the traditional tourism mode intelligence problem，design and implement of virtual reality space system based on augmented reality technique.Migrating 2Ddesign operation into 3Denvironment to form 3Dinteractive modeling by augmented reality technology，and realize 3Dvirtual environment to locate entity scene and human－computer interactive experience.Results show that the system creates a new way of tourism experience and platform for user，and also verify the feasibility of the virtual scene spot information system based on augmented reality technology.

Keywords：augmented reality；virtual scenic spot；3Dmodeling；user experience；user experience

通信作者：蘇會衛(wèi)（1980－），男，副教授，主要從事計算機應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的研究.E－mail：76908345＠qq.com.

中圖分類號：TP 391

文獻標志碼：A

文章編號：1000－5013（2015）04－0432－05

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0432

收稿日期：2015－06－15

基金項目：廣西教育廳科研項目（TB2014481）；廣西桂林旅游高等?？茖W(xué)校重點項目（2013ZD02）；廣西桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（20140302－3，GXRCGD201402）