基于Unity3D的仙都鼎湖峰景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王梅亮 盧韜全

摘要：隨著大眾旅游時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的人選擇自助旅游，傳統(tǒng)的旅游方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足游客對(duì)旅游活動(dòng)多元化、個(gè)性化和靈活性的需要。該文利用VR和AR交互技術(shù)以及傾斜攝影三維重建等建模技術(shù)，以仙都鼎湖峰景區(qū)為例，研究和開(kāi)發(fā)在旅游景區(qū)內(nèi)可以自助導(dǎo)覽的智能導(dǎo)游系統(tǒng)，讓游客通過(guò)電腦或手機(jī)等智能終端，就可以身臨其境般游覽旅游景區(qū)的美麗風(fēng)景，還可以為游客以圖文并茂或虛擬再現(xiàn)的方式介紹景點(diǎn)知識(shí)及有關(guān)民間傳說(shuō)故事等，滿(mǎn)足游客自主性、個(gè)性化旅游的需求。

關(guān)鍵詞：Unity3D;AR交互技術(shù);智慧旅游;景區(qū)智能導(dǎo)游

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）10-0060-03

1背景

近年來(lái)隨著互聯(lián)網(wǎng)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電腦和智能手機(jī)的普及和大眾旅游時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的人選擇自助旅游，人們對(duì)旅游業(yè)發(fā)展的要求不斷提高，智慧旅游是大勢(shì)所趨。利用當(dāng)前最新的虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，一方面讓游覽者利用互聯(lián)網(wǎng)在電腦或智能手機(jī)等終端就可以身臨其境般得感受旅游景區(qū)美麗風(fēng)景，從而激發(fā)他們?nèi)ヂ糜尉皡^(qū)游覽的熱情;其次，當(dāng)游覽者親身來(lái)到景區(qū)旅游時(shí)，可以利用智能手機(jī)等便攜工具通過(guò)智能導(dǎo)游系統(tǒng)，與景區(qū)中的景物進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)為游覽者介紹景點(diǎn)特色、文物古跡等有關(guān)知識(shí)以及講解有關(guān)民間傳說(shuō)和故事等智能導(dǎo)游功能，提高游覽者的旅游興趣和積極性，提升旅游信息服務(wù)、改善游客旅游體驗(yàn)，從而吸引更多的游客來(lái)此旅游，提高景區(qū)的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益。另外，還可以通過(guò)對(duì)重點(diǎn)文物三維數(shù)字化建模和歷史文獻(xiàn)資料數(shù)字媒體的建設(shè)，達(dá)到文物資料數(shù)字化保護(hù)的功能;對(duì)于一些景區(qū)中由于歷史的原因已經(jīng)毀滅的文物古跡，可以通過(guò)智慧旅游系統(tǒng)虛擬再現(xiàn)，從而完善和豐富景區(qū)的旅游資源，提高景區(qū)的知名度，增強(qiáng)旅游景區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2國(guó)內(nèi)外研究研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在國(guó)外，從20世紀(jì)90年代初如麻省理工學(xué)院等便開(kāi)始了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游業(yè)的理論、技術(shù)和應(yīng)用研究。R.Cheong學(xué)者認(rèn)為虛擬旅游可能會(huì)取代現(xiàn)實(shí)旅游和旅行，成為一種新興的旅游產(chǎn)品;在技術(shù)方面國(guó)外主要在三維模型的創(chuàng)建、衛(wèi)星遙感影像的處理、虛擬現(xiàn)實(shí)和GIS相結(jié)合等方面的技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。

在國(guó)內(nèi)，雖然“智慧旅游”被國(guó)家旅游局寫(xiě)入了“十二五旅游發(fā)展規(guī)劃”當(dāng)中。但目前主要是通過(guò)360度全景圖片來(lái)實(shí)現(xiàn)3D效果的各種景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)。研究的內(nèi)容主要集中在對(duì)旅游景點(diǎn)虛擬、文物再現(xiàn)、遺址重建等方面，比如虛擬校園、虛擬城市、產(chǎn)品展示等，交互方面主要還是實(shí)現(xiàn)三維漫游，其他交互方面的研究較少。但這種用通過(guò)360度全景圖片拼合之后用專(zhuān)門(mén)的播放軟件在設(shè)備上顯示風(fēng)景的方式并不是真正的3D技術(shù)，實(shí)質(zhì)還是二維的，真實(shí)感和沉浸感都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由此可見(jiàn)，雖然當(dāng)前我國(guó)政府各部門(mén)和旅游企業(yè)都十分重視開(kāi)展智慧旅游技術(shù)的研究和相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，但對(duì)智慧旅游的研究在廣度和深度上都還有待提高。

3景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容

本系統(tǒng)的研究主要是利用三維建模技術(shù)對(duì)仙都旅游景區(qū)的最主要部分鼎湖峰景區(qū)的三維場(chǎng)景和重要的景點(diǎn)物體進(jìn)行建模，然后將這些三維場(chǎng)景和景點(diǎn)物體經(jīng)過(guò)貼圖、渲染或烘焙等處理后導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D等VR/AR制作引擎中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，完成一個(gè)場(chǎng)景逼真，人機(jī)交互良好，具有虛擬與現(xiàn)實(shí)融合交互功能的旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)游和實(shí)景輔助導(dǎo)游功能，一方面游覽者可以在電腦或手機(jī)等智能終端上通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行虛擬游覽景區(qū)：在走進(jìn)景區(qū)前可以獲得景點(diǎn)概況的介紹;進(jìn)入景區(qū)后可以按照路線(xiàn)圖控制游客角色在虛擬三維景區(qū)場(chǎng)景中身臨其境般游覽美麗的風(fēng)景;在虛擬游覽過(guò)程中，當(dāng)游覽者對(duì)文物古跡或重要的景點(diǎn)感興趣，可以通過(guò)單擊鼠標(biāo)或觸屏等交互方式，彈出文字或視頻等方式詳細(xì)介紹文物古跡的有關(guān)知識(shí)，以及有關(guān)民間傳說(shuō)和故事等。另外，游客如果是到景區(qū)實(shí)地旅游，還可以利用智能手機(jī)等便攜終端，通過(guò)該系統(tǒng)掃描景區(qū)中的特定景物或標(biāo)示牌，就可以在智能終端屏幕上出現(xiàn)相關(guān)景點(diǎn)的虛擬物體、人物或動(dòng)畫(huà)視頻等，以虛實(shí)結(jié)合或虛擬再現(xiàn)等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方式為游客講解有關(guān)民間傳說(shuō)和故事。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)

4.1旅游景區(qū)大型三維場(chǎng)景和主要景觀三維模型的創(chuàng)建

由于仙都鼎湖峰景區(qū)是集自然景觀和歷史人文景觀于一體的風(fēng)景區(qū)，其中不僅有被譽(yù)為“天下第一峰”的鼎湖峰;還有歷史悠久、規(guī)模宏大的黃帝祠宇，相傳這里是軒轅黃帝的三大行宮之一，在鼎湖峰峰巔置鼎煉丹，后馭龍升天。所以該景區(qū)的場(chǎng)景比較復(fù)雜，不但有大量奇形怪狀的巖石和山體樹(shù)木構(gòu)成的自然景觀，而且還有數(shù)量較多的亭臺(tái)樓閣。為了盡可能真實(shí)地體現(xiàn)風(fēng)景區(qū)的原貌，減少大型場(chǎng)景的建模工作量，我們嘗試采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的各個(gè)角度的多組圖片，然后經(jīng)過(guò)三維重建的方法，得到鼎湖峰景區(qū)核心的三維場(chǎng)景模型。最終完成的無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維重建的鼎湖峰景區(qū)場(chǎng)景模型如圖1所示。

但是目前上述經(jīng)過(guò)三維重建而成的鼎湖峰景區(qū)場(chǎng)景模型總體比較粗糙，近觀時(shí)樹(shù)木和亭臺(tái)樓閣等建筑模型比較模糊。所以我們只能對(duì)其中模型精細(xì)度要求不高，只需表現(xiàn)整體輪廓形狀的如鼎湖峰等巖石景點(diǎn)及其他只需遠(yuǎn)觀，不需走進(jìn)觀看的場(chǎng)景部分模型取出來(lái)，放到Unity3D中的地形場(chǎng)景中，然后利用Unity3D自帶的地形編輯工具-Terrain Editor，將場(chǎng)景其余部分按照景區(qū)的實(shí)際情況按比例創(chuàng)建編輯地形，添加樹(shù)木、道路、河流、池塘和橋梁等，將整個(gè)場(chǎng)景補(bǔ)充完整。另外，為了讓游客能夠身臨其境般參觀游覽黃帝祠宇等景點(diǎn)，我們采用3d Max三維建模軟件，按照游覽能看到的部分如屋頂、外側(cè)門(mén)窗、四周屋檐采用精細(xì)建模，閣樓內(nèi)部看不到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用粗略建模，建筑物上的圖案盡量采用貼圖的原則，完成黃帝祠宇等各種亭臺(tái)樓閣的三維模型?？傊?，在所有建模過(guò)程中，模型面數(shù)要盡可能精簡(jiǎn)，以保證系統(tǒng)流暢運(yùn)行。創(chuàng)建好的黃帝祠字模型如圖2所示，鼎湖峰景區(qū)核心場(chǎng)景模型如圖3所示。

4.2三維虛擬物體之間的碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要功能，有了它可以使用戶(hù)以更自然的方式與虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互。如果設(shè)置了碰撞檢測(cè)，當(dāng)一個(gè)物體碰到另一個(gè)物體時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生“穿樹(shù)而過(guò)”的效果。由于本系統(tǒng)需要讓虛擬游客角色在虛擬的三維旅游景區(qū)中游覽，就難免會(huì)與景區(qū)中的景物發(fā)生碰撞，系統(tǒng)中不能出現(xiàn)虛擬角色“穿墻而過(guò)”的現(xiàn)象發(fā)生。因此在系統(tǒng)中必須能夠?qū)崟r(shí)、精確地判斷場(chǎng)景中物體之間是否發(fā)生碰撞。碰撞檢測(cè)由碰撞檢測(cè)和碰撞響應(yīng)兩部分的內(nèi)容組成。Unity3d內(nèi)置的物理引擎可以方便地實(shí)現(xiàn)基于包圍盒的空間碰撞檢測(cè)算法。

4.3人機(jī)交互控制技術(shù)及場(chǎng)景漫游和景點(diǎn)介紹功能的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互控制是虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要特征。通過(guò)人機(jī)交互手段可以控制虛擬角色在虛擬場(chǎng)景中任意行走或?qū)ζ渲械奈矬w進(jìn)行實(shí)時(shí)地操作，并能從虛擬環(huán)境中得到反饋的信息等。本系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或智能手機(jī)等交互工具對(duì)旅游景區(qū)場(chǎng)景中的攝像機(jī)視角進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)在景區(qū)場(chǎng)景中漫游功能;另外對(duì)特定的景物做出響應(yīng)，彈出景點(diǎn)介紹、講解經(jīng)典故事的文字或視頻等。

4.3.1景區(qū)漫游功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用給攝像機(jī)添加角色控制器的方法，以第一人稱(chēng)角色視角的方式對(duì)整個(gè)景區(qū)進(jìn)行參觀游覽，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)景區(qū)的漫游功能，具體實(shí)現(xiàn)方法為：

首先在場(chǎng)景中創(chuàng)建一臺(tái)用于漫游的攝像機(jī)，然后給該攝像機(jī)添加一個(gè)角色控制器組件CharacterController，這樣該攝像機(jī)和角色控制器就組成有眼睛可以觀看場(chǎng)景中景色且?guī)в信鲎矙z測(cè)功能的游客角色。然后我們通過(guò)給該攝像機(jī)添加如下的腳本程序，就可以通過(guò)鍵盤(pán)上的前后方向鍵或“w”“S”鍵控制這個(gè)游客角色前后“走動(dòng)”，左右方向鍵或“A”“D”可以控制角色的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)游客角色在景區(qū)場(chǎng)景中的參觀游覽功能。

4.3.2景點(diǎn)介紹導(dǎo)覽功能的實(shí)現(xiàn)

智能導(dǎo)游系統(tǒng)除了引導(dǎo)游客在景區(qū)場(chǎng)景中漫游參觀外，還需要對(duì)景區(qū)中的主要景點(diǎn)和人文景觀進(jìn)行介紹。本系統(tǒng)主要通過(guò)在景區(qū)主頁(yè)面上點(diǎn)擊景區(qū)介紹按鈕，彈出文本框?yàn)橛慰徒榻B景區(qū)的總體概況、各主要景點(diǎn)分布及路線(xiàn)圖的方法引導(dǎo)游客進(jìn)入景區(qū)游覽，然后根據(jù)路線(xiàn)圖，讓游客漫游到各景點(diǎn)附近就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一塊寫(xiě)著該景點(diǎn)名稱(chēng)的標(biāo)示牌，游客便可以用鼠標(biāo)單擊或在手機(jī)上用手觸控該標(biāo)示牌，再通過(guò)以下腳本的交互控制，就可以在系統(tǒng)的界面上彈出介紹該景點(diǎn)的詳細(xì)介紹文字或語(yǔ)音講解。對(duì)于像鼎湖峰景點(diǎn)，還可以彈出軒轅黃帝在其上面煉丹的動(dòng)畫(huà)，對(duì)于黃帝祠宇還可以彈出民間祭祀等活動(dòng)的視頻等，讓游客真實(shí)感受到景點(diǎn)的民間故事和歷史文化活動(dòng)。鼎湖峰景點(diǎn)標(biāo)示牌和景點(diǎn)介紹示意圖如圖4和圖5所示。

另外，如果游客實(shí)地游覽鼎湖峰景區(qū)，我們還利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)，對(duì)鼎湖峰景點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步交互設(shè)計(jì)，游客通過(guò)安裝專(zhuān)門(mén)的App應(yīng)用程序，就可以用手機(jī)等便攜終端通過(guò)拍攝鼎湖峰的頂端位置，就會(huì)在手機(jī)上跳出有人在煉丹的情景動(dòng)畫(huà)，該動(dòng)畫(huà)與實(shí)際看到的鼎湖峰峰疊加在一起，讓游客仿佛真的看到軒轅黃帝在鼎湖峰頂煉丹一樣。

5旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

完成鼎湖峰景區(qū)主要場(chǎng)景和其中亭臺(tái)樓閣等三維模型的創(chuàng)建后，還需經(jīng)過(guò)貼圖、設(shè)置燈光，烘焙等模型優(yōu)化工作，最后分別導(dǎo)出成fbx格式的文件，就可以導(dǎo)入到Unity3D開(kāi)發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行具有漫游和各種交互功能的智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。首先，利用Unity3D中的地形工具，根據(jù)景區(qū)的實(shí)際情況結(jié)合導(dǎo)入的無(wú)人機(jī)攝影經(jīng)三維重建得到的有效鼎湖峰場(chǎng)景模型，補(bǔ)充完成整個(gè)景區(qū)的三維場(chǎng)景，做到創(chuàng)建的地形與導(dǎo)人的場(chǎng)景模型進(jìn)行無(wú)縫連接，并對(duì)其中的小溪利用unity3D系統(tǒng)資源包中的waterProDaytime添加流動(dòng)的溪水;再將景區(qū)大門(mén)及各種亭臺(tái)樓閣放置到相應(yīng)的位置，最后對(duì)整個(gè)場(chǎng)景根據(jù)實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化，就可完成鼎湖峰景區(qū)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)。其次，我們利用前面已完成的系統(tǒng)所需關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，通過(guò)C#腳本編程即可實(shí)現(xiàn)以第一人稱(chēng)角色方式對(duì)整個(gè)鼎湖峰景區(qū)的自主漫游和各種景點(diǎn)介紹導(dǎo)覽的交互操作功能;最后，利用unity3D的uGuI界面系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)，得到人機(jī)界面友好的系統(tǒng)操作界面，再經(jīng)過(guò)性能測(cè)試并對(duì)模型及交互功能優(yōu)化后，就可以根據(jù)需要發(fā)布到PC平臺(tái)或移動(dòng)終端平臺(tái)，得到可執(zhí)行應(yīng)用程序，完成仙都鼎湖峰智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

6總結(jié)與展望

景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)作為智慧旅游的一個(gè)重要組成部分，其實(shí)從完整意義上講還要包括景區(qū)周邊的住宿、餐飲、交通路線(xiàn)及交通狀況等方面的服務(wù)信息，本系統(tǒng)只是對(duì)景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)中最主要的景區(qū)導(dǎo)覽部分進(jìn)行研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以從系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容上還有待擴(kuò)充;在技術(shù)方面，特別是AR虛實(shí)結(jié)合的交互技術(shù)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用上只是在一個(gè)景點(diǎn)進(jìn)行嘗試，還可以進(jìn)一步對(duì)其他景點(diǎn)開(kāi)發(fā)出更多、更精彩、體驗(yàn)效果更好的作品。