移動AR三維地圖設(shè)計與實現(xiàn)

葉明勝， 胡 嚴(yán)

（安徽藝術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230011）

地圖是真實物理世界的模型，展示地理信息的載體，容納和存儲了大量的數(shù)據(jù).傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖因其通用性和便攜性，成為紙媒時代人們窺探自然與地理環(huán)境的重要工具.然而，隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，紙質(zhì)地圖的弊端漸顯端倪：降維技術(shù)使得傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖由立體具象過渡至平面抽象，視覺平面化和認(rèn)知抽象化，進(jìn)而導(dǎo)致重要信息和語義的缺失[1].因其呈現(xiàn)方式相對單一，制作周期較長，信息更新時效性差，交互功能的體驗度低，及其自身紙質(zhì)載體的易失性，逐漸背離現(xiàn)代信息化用戶的需求.近些年，市面上出現(xiàn)不少基于移動端的地圖產(chǎn)品.孫偉等[2]運用OpenGL ES可視化技術(shù)實現(xiàn)了基于移動Android端口的兩維地圖三維視覺化呈現(xiàn).何興富等[3]利用HTML5結(jié)合CIVIL3D技術(shù)實現(xiàn)了用于城市規(guī)劃設(shè)計的全景三維地圖.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院推出的一款用于旅游和規(guī)劃功用的三維地圖應(yīng)用原型，采用ArcGIS Pro繪制平面地圖輪廓，運用SketchUp和CityEngine生成3D模型，并在Web技術(shù)框架下實現(xiàn)基本交互功能[4].現(xiàn)有的研究開發(fā)雖然具備較佳的視覺效果，但仍存在一些缺陷，如立體呈現(xiàn)過于局部化，缺乏整體與細(xì)節(jié)的多維互動，用戶體驗的沉浸性較差，并且在空間定位的匹配方面缺乏高精準(zhǔn)度，導(dǎo)致用戶使用時很難找到方向感，使得空間變換下的地圖信息變得模糊[5].

時下，AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，Augmented Reality）在移動開發(fā)領(lǐng)域熱度不減，傳統(tǒng)地圖的表達(dá)與交互有了更新的技術(shù)平臺.增強(qiáng)現(xiàn)實三維地圖突破了傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖的平面化呈現(xiàn)方式，以及立體地圖的低效率整局互動的束縛，是對移動三維地圖的增強(qiáng)表達(dá)與互動的進(jìn)一步延展，能提供一種合理且豐富的人機(jī)交互方式，增強(qiáng)用戶對三維地圖的多維感知效力.

1 AR地圖技術(shù)

1.1 AR技術(shù)

上世紀(jì)90年代初，由美國Boeing公司Caudell及其同事首次提出的AR技術(shù)這一概念，是指在虛擬環(huán)境中置入真實世界的圖像，如在虛擬物體上映射真實影像信息[6]，以此增強(qiáng)虛擬物體的真實度，模糊真實與虛擬的邊界.現(xiàn)階段，隨著用戶體驗與傳感技術(shù)的迭代升級，AR增強(qiáng)現(xiàn)實的發(fā)展逐漸延伸到多感官感知，涉及視、聽、觸、味、嗅等增強(qiáng)感知，進(jìn)一步豐富了人們對虛擬“真實”世界的感知，如圖1所示.

圖1 基于人感知的AR功能分類

基于視覺的AR系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，主要借助于計算機(jī)圖形圖像、信息可視化、光電顯示和交互等技術(shù)，虛擬出“真實”環(huán)境中設(shè)定的對象，再通過傳感端口將虛擬對象精準(zhǔn)置入真實世界，使虛擬與真實有機(jī)融合，通過輸出顯示介質(zhì)進(jìn)行融合呈現(xiàn)，增強(qiáng)視覺感知體驗的程度，如圖2所示.最新AR技術(shù)進(jìn)一步融合了GPS、電子羅盤、重力加速等多種傳感技術(shù)，強(qiáng)化了增強(qiáng)實景的體驗物理真實度.新技術(shù)具有體驗增強(qiáng)性、實時互動性、空間高匹配性等特性.

1.2 AR地圖

圖2 AR視覺系統(tǒng)工作原理

目前AR技術(shù)比較普遍地應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航地圖的開發(fā)，AR地圖可以應(yīng)用于商場、醫(yī)院、機(jī)場等諸多辦公區(qū)域的導(dǎo)航.Gatwick機(jī)場首次在全機(jī)場范圍內(nèi)部署了AR地圖應(yīng)用方案，用戶可通過AR應(yīng)用，掃描或關(guān)注機(jī)場對應(yīng)的航班號，便可從中獲取通往登機(jī)口和航站樓的路線，路線的呈現(xiàn)方式可以立體地顯示用戶所處的位置，以及機(jī)場所有功能區(qū)域的標(biāo)注[7].Uchiyama等[8]提出基于三維GIS數(shù)據(jù)技術(shù)的AR增強(qiáng)地圖系統(tǒng)，運用LLAH散列方案，實現(xiàn)增強(qiáng)顯示地圖識別框架，從整個地圖中識別出物理地圖的區(qū)域，將3D建筑物堆疊至城市二維地圖上，快捷展示對應(yīng)地圖區(qū)域的視覺顯示.Hayato Ito等[9]利用AR技術(shù)融入屬地歷史地圖，提出了知識科普型的AR三維地圖的應(yīng)用原型，應(yīng)用原型將屬地歷史文化設(shè)計成為標(biāo)識物，通過AR增強(qiáng)技術(shù)，將虛擬三維地圖景觀疊加到二維地圖（標(biāo)記物）之上，實現(xiàn)增強(qiáng)歷史景觀的功能顯示.Ichikari團(tuán)隊[10]通過AR觸覺設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了一款用于殘障人士增強(qiáng)現(xiàn)實觸覺的導(dǎo)航地圖系統(tǒng)，系統(tǒng)利用POR/POI聚焦區(qū)和語音提示來增強(qiáng)物理觸感，通過視覺和音頻反饋機(jī)制來獲取互動數(shù)據(jù)，增強(qiáng)用戶使用的多維感知.目前國內(nèi)鮮有移動AR技術(shù)應(yīng)用于地圖開發(fā)方面的研究.

2 AR地圖增強(qiáng)表達(dá)與交互的關(guān)鍵技術(shù)

圖3 AR地圖增強(qiáng)表達(dá)的流程

AR地圖在增強(qiáng)現(xiàn)實表達(dá)上，尚有諸多關(guān)鍵問題亟待解決，如虛實融合、顯示、移動配準(zhǔn)技術(shù)等.增強(qiáng)現(xiàn)實表達(dá)二維地圖，主要采用Indoor增強(qiáng)技術(shù)[11]，其工作流程為：首先，進(jìn)行標(biāo)記物注冊，配準(zhǔn)標(biāo)記物及其表面紋理信息，用戶通過計算，自定義設(shè)置標(biāo)記物信息閾值；其次，系統(tǒng)通過區(qū)域連通分析，表達(dá)選區(qū)，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的紋理信息進(jìn)行校準(zhǔn)，如若匹配成功，系統(tǒng)判定為識別成功，并利用標(biāo)記物的空間坐標(biāo)信息，計算虛擬增強(qiáng)顯示模型的空間變換的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行標(biāo)記物與虛擬物體匹配，進(jìn)而實現(xiàn)三維注冊，確定虛擬物體的位置與空間變換信息（位置、朝向），如圖3所示.

AR地圖的增強(qiáng)表達(dá)與呈現(xiàn)，需要進(jìn)行計算機(jī)程序識別.在當(dāng)下AR技術(shù)中，二維圖像標(biāo)記類型分為有標(biāo)記（Marker）鑒別和無標(biāo)記（Markerless）鑒別.其中，標(biāo)記鑒別的效率和速度要優(yōu)于無標(biāo)記鑒別.標(biāo)記的設(shè)置可以采用獨標(biāo)記方法，亦可以設(shè)置成多標(biāo)記方法.為了能夠鑒別二維地圖，可以在其中創(chuàng)建若干人工標(biāo)記，而對于已印制的紙介地圖，在不破壞原本地圖構(gòu)成的情況下，需在地圖邊角設(shè)置標(biāo)記[12].創(chuàng)建標(biāo)記后，通過攝像頭采集并進(jìn)行鑒別，然后進(jìn)行信息匹配與檢測等，鑒別既定的標(biāo)記.目前AR開發(fā)工具集，如Vuforia中，已對標(biāo)記物的形態(tài)與模式進(jìn)行了優(yōu)化，通常可以設(shè)置為醒目的標(biāo)記色塊與樣式，能夠使系統(tǒng)迅速鑒別標(biāo)識物的存在與否.

3 AR增強(qiáng)地圖應(yīng)用的設(shè)計與開發(fā)

3.1 AR增強(qiáng)地圖應(yīng)用開發(fā)平臺的選擇

從虛擬呈現(xiàn)效果及功能方面考慮，目前AR開發(fā)主流平臺采用Unity3D引擎和Vuforia SDK相結(jié)合.Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司設(shè)計的一款用于虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實開發(fā)、動畫以及游戲設(shè)計的綜合開發(fā)引擎，其應(yīng)用具有成本低廉、硬件設(shè)備要求門檻低、多平臺兼容性（如 Android、iOS、Windows和 Linux等）、廣泛第三方插件支持等優(yōu)勢，并且擁有強(qiáng)大的編程可視化功能，為眾多AR應(yīng)用開發(fā)者所青睞.Vuforia是Qualcomm旗下的一款面向移動開發(fā)用戶的AR交互設(shè)計平臺，擁有卓越的識別技術(shù)、多元的識別模式、跨系統(tǒng)兼容性等優(yōu)點.Vuforia于2017年正式內(nèi)嵌于Unity3D中，為AR開發(fā)者提供了一種高效、低準(zhǔn)入的功能組件，結(jié)合Unity3D引擎的可視化編程，使得非專業(yè)開發(fā)人員更加方便高效地創(chuàng)建、編輯和發(fā)布AR應(yīng)用系統(tǒng).

本文選用移動Android操作系統(tǒng)作為測試平臺，首先需進(jìn)行Android SDK安裝配置，如圖4所示.對應(yīng)版本下拉欄目中皆顯示為Installed，則表明安裝成功.

3.2 增強(qiáng)地圖應(yīng)用制作階段

3.2.1 前期準(zhǔn)備

AR增強(qiáng)地圖應(yīng)用制作分為素材準(zhǔn)備、標(biāo)記物設(shè)計與配置、增強(qiáng)顯示、交互設(shè)計等階段.素材準(zhǔn)備階段包括地圖標(biāo)記物設(shè)計（Marker）、3D模型搭建和導(dǎo)入、材質(zhì)貼圖賦予等工作.本文利用Maya三維軟件作為3D地圖模型的創(chuàng)建平臺，通過對紙質(zhì)地圖的研究與分析，設(shè)計并創(chuàng)建出等比的三維地圖模型（含建筑、道路、景觀、地形等），將其導(dǎo)出為.fbx地圖模型文件，導(dǎo)入至Unity3D中Project（項目管理），進(jìn)入Vuforia Engine，創(chuàng)建Image Target（圖像目標(biāo)），將項目列表中的.fbx模型設(shè)為Image Target的子級，調(diào)整模型尺寸、空間變換數(shù)據(jù)、分配模型UV，之后進(jìn)行UV快照，導(dǎo)出UV通道，在平面繪圖軟件中繪制貼圖紋理，最終在Unity3D Project中，創(chuàng)建材質(zhì)節(jié)點，并將設(shè)置后的材質(zhì)信息賦予3D模型.

在AR增強(qiáng)呈現(xiàn)于互動設(shè)置前，需進(jìn)行AR Camera設(shè)置，在Vuforia Engine下選擇AR Camera節(jié)點，刪除Unity3D組件自帶的Main Camera對象.配置AR Camera屬性的Open Vuforia Engine Configuration參數(shù)，將Player下的 XR Settings選項為 Vuforia Augmented Reality（AR）Supported，并獲取License Key，如圖5所示.進(jìn)入Console控制臺，進(jìn)行報錯檢查，若無編譯模式上的錯誤，則可單擊Play按鈕，進(jìn)行彈窗預(yù)覽AR互動效果，如圖6所示.

3.2.2 增強(qiáng)地圖交互設(shè)計

圖4 Android SDK安裝與配置界面

圖5 Vuforia平臺Key的獲取

圖6 AR交互測試頁面

（1）增強(qiáng)地圖空間變換功能

本文實現(xiàn)的AR增強(qiáng)地圖在交互中是基于手勢觸屏行為進(jìn)行增強(qiáng)顯示對象的空間變換控制.在項目文件管理窗口中，創(chuàng)建用于空間變換控制的C#腳本命名為Map_transform.cs.選擇增強(qiáng)模型文件，將選擇腳本掛載入其組件中，空間變換的旋轉(zhuǎn)、放縮、位移等操作的手勢如表1所示.

表1 常用交互手勢

（2）脫卡功能

AR相機(jī)尚有缺陷，比如在旋轉(zhuǎn)移動識別圖進(jìn)行查看模型時，識別圖超出相機(jī)范圍會導(dǎo)致增強(qiáng)模型的消失.有時用戶仍然希望虛擬物體出現(xiàn)在相機(jī)前，或者在失去識別目標(biāo)后出現(xiàn)在特定的位置，可以對其進(jìn)行交互操作，這就是脫卡功能.

目前，高通的Vuforia帶有脫卡功能，繼承于Extended Tracking（擴(kuò)展跟蹤）組件下，允許模型在識別圖丟失時依舊存在，且保持位移等變換信息不變（標(biāo)記圖丟失時候的位置），因此，當(dāng)標(biāo)記圖丟失后，也不會影響到堆疊顯示后的增強(qiáng)視覺效果.由于筆者開發(fā)AR地圖應(yīng)用時，Unity3D尚不具備Extended Tracking（擴(kuò)展跟蹤）功能，針對此項缺陷，設(shè)計了一款保持追蹤效果的脫卡功能腳本，標(biāo)記圖脫離AR相機(jī)視域范圍時，能使模型停留在原地，保持原本變換的信息不變，且不影響進(jìn)一步交互，其關(guān)鍵腳本如下：

usingUnityEngine；

usingVuforia；//引用 Vuforia組件

public class Tuoka：MonoBehaviour，ITrackableEvent Handler

{

private TrackableBehaviour mTrackableBehaviour；

public TransformTarget；//標(biāo)識物變換目標(biāo)信息

Vector3 imgPos=new

Vector3（0，0，0）；//識別圖上的位置

Vector3 camPos=new

Vector3（0，0，0）；//脫卡后在屏幕中的位置

bool isFirstTime=true；

void Start（）

{

mTrackableBehaviour=GetComponent＜Trackable Behaviour＞（）；

if（mTrackableBehaviour）

{

mTrackableBehaviour.RegisterTrackableEvent Handler（this）；

}

Target.GetComponent＜MeshRenderer＞（）.enabled=false；//起始時不顯示

}

public void OnTrackableStateChanged（

TrackableBehaviour.Status previousStatus，

TrackableBehaviour.Status newStatus）

{

if（newStatus==TrackableBehaviour.Status.DETE CTED||

newStatus==TrackableBehaviour.Status.TRA CKED||

newStatus==TrackableBehaviour.Status.EXT ENDED_TRACKED）

{

//視野內(nèi)發(fā)現(xiàn)識別圖時

Target.GetComponent＜MeshRenderer＞（）.enabled=true；

Target.parent=this.transform；

Target.localPosition=imgPos；

Target.localRotation=Quaternion.identity；

isFirstTime=false；

}

}

}

圖7 添加脫卡腳本

選擇 Image Target，點擊 Add Component，掛載腳本，將窗口目標(biāo)設(shè)置為模型，取消勾選Default Trackable Event Handler（默認(rèn)追蹤），如圖7所示.

（3）熱盒與視頻

本文以安徽藝術(shù)學(xué)院美術(shù)樓為例，用戶點擊美術(shù)樓的三維模型時，將會彈出美術(shù)樓的熱盒頁面（即樓宇具體情況與功能介紹），豐富三維地圖的功能；其操作方法為：選擇美術(shù)樓模型，點擊Component（組件）下的Physics（物理）模塊，給其添加一個碰撞體，新建C#腳本Cube.cs，將腳本添加至美術(shù)樓模型中，效果如圖8所示.

為優(yōu)化用戶使用體驗，在點擊按鈕切換的第二個場景中置入美術(shù)樓視頻內(nèi)容，在按鈕組件Canvas上，更改UI縮放模式為屏幕大小縮放，根據(jù)移動平臺的最佳分辨率，本文設(shè)置分辨率為 2560*1440（16：9），匹配高度寬度為0.5，這樣，應(yīng)用根據(jù)手機(jī)屏幕大小差異，在不同大小的分辨率下進(jìn)行UI位置自適應(yīng)移動.

3.2.3 AR增強(qiáng)設(shè)計與表達(dá)設(shè)置

（1）多目標(biāo)識別

增強(qiáng)表達(dá)涉及多個目標(biāo)識別時，需在Vuforia平臺的同組中上傳所標(biāo)記識別的圖片，并且打包加載成.unitypackage文件，載入項目后，可創(chuàng)建多個Image Target對象，在其屬性中分別設(shè)置Image Target Behaviour下的Database的標(biāo)記圖.之后，分別將項目列表中的Maya文件（.fbx）設(shè)為兩個對應(yīng)的 Image Target子級，調(diào)整（.fbx）的大小、位置等變換參數(shù).

（2）封裝發(fā)布

基于Android平臺的應(yīng)用開發(fā)，需要進(jìn)行.apk文件的封裝，方能應(yīng)用于移動手機(jī)平臺，在Unity3DFile菜單下，選擇Build Settings選項，進(jìn)入Add Open Scenes中添加場景（Scene）項目，設(shè)置下方 Android，Build System為Gradle 類型，勾選 Development Build，點擊 Generate，即可完成.apk導(dǎo)出，如圖9所示.其中，當(dāng)Android SDK的配置版本低于26.1.1時，需升級SDK.

目前，隨著計算機(jī)技術(shù)的提高，以及虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，AR技術(shù)已逐漸從實驗室的理論研究階段開始轉(zhuǎn)入大眾行業(yè)的應(yīng)用階段，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地拓展和延伸，為人們提供了更為豐富的認(rèn)知與體驗方式.基于Unity3D+Vuforia的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)使研發(fā)人員能夠更加方便高效地開發(fā)交互式AR地圖應(yīng)用.經(jīng)移動Android平臺的測試，本文開發(fā)的AR三維校園地圖在增強(qiáng)視覺化呈現(xiàn)、人機(jī)交互、拓展功能優(yōu)化等方面取得了較好的效果，初步實現(xiàn)了標(biāo)記圖的空間信息識別，三維地圖的瀏覽視角適配等功能，為移動AR增強(qiáng)地圖的開發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑與策略.但本研究仍然存在一些不足：AR增強(qiáng)地圖的多維互動功能有待于進(jìn)一步研究，目前原型在對目標(biāo)標(biāo)記上尚缺乏優(yōu)化功能的體現(xiàn)；增強(qiáng)功能下交互機(jī)制尚不完善，原型在對目標(biāo)標(biāo)記上缺乏靈活的轉(zhuǎn)換功能.總的來說，通過AR技術(shù)能實現(xiàn)地理信息的平面化向三維立體化增強(qiáng)呈現(xiàn)，拓寬用戶的地理信息感知與體驗?zāi)芰?下一步將繼續(xù)進(jìn)行AR增強(qiáng)地圖應(yīng)用的開發(fā)與交互功能研究，將更新、更優(yōu)化的功能整合至移動AR導(dǎo)覽地圖中.

圖8 信息熱盒

圖9 AR地圖應(yīng)用發(fā)布