基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景區(qū)智能導(dǎo)覽系統(tǒng)研究

張洪川 郭俊亮 侯 宇

銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州銅仁 554300

引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)又被稱為AR，是將虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景結(jié)合，把虛擬物體、場(chǎng)景文字等與真實(shí)場(chǎng)景疊加，使用戶對(duì)真實(shí)世界有更強(qiáng)烈的感知，也稱為混合現(xiàn)實(shí)[1-3]，是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。此技術(shù)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始出現(xiàn)，發(fā)展至今，該技術(shù)的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步改進(jìn)，可以應(yīng)用在IPAD、智能手機(jī)等移動(dòng)終端中，它已經(jīng)真正融入生活的方方面面。近年來(lái)，隨著生活質(zhì)量的提高，旅游已經(jīng)成為人們節(jié)假日生活的重要休閑方式。而景區(qū)傳統(tǒng)的導(dǎo)覽方式主要是以導(dǎo)游講解為主，但是，專業(yè)從業(yè)人員講解的傳統(tǒng)形式已經(jīng)難以滿足人們的需求。隨著大數(shù)據(jù)、數(shù)字化和移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，智慧旅游將虛擬物體與旅游信息資源融合到實(shí)景中，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為技術(shù)核心，為旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供巨大助力。而設(shè)計(jì)智能景區(qū)的導(dǎo)覽系統(tǒng)，不僅可以使人們更好地了解旅游景點(diǎn)的歷史脈絡(luò)、文化傳承，還可以使游客體驗(yàn)更加豐富，增強(qiáng)旅游沉浸性。因此，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能導(dǎo)覽系統(tǒng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本智能導(dǎo)覽系統(tǒng)結(jié)合貴州省銅仁市梵凈山景區(qū)真實(shí)情況，基于Unity3D引擎和Vuforia進(jìn)行開(kāi)發(fā)。使用本導(dǎo)覽系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶視野中實(shí)景與多媒體導(dǎo)覽信息智能融合，能夠提升旅游的體驗(yàn)感，對(duì)梵凈山景區(qū)數(shù)字化保護(hù)和展示有著重要的意義，從而提高游客對(duì)景區(qū)文化知識(shí)的認(rèn)知與感悟。

一 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)特點(diǎn)

（一）虛實(shí)結(jié)合

虛實(shí)結(jié)合是把現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景信息與虛擬世界場(chǎng)景信息進(jìn)行疊加，AR只是給真實(shí)環(huán)境提供信息的補(bǔ)充，并不是取代真實(shí)的環(huán)境。如在景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)中疊加解說(shuō)、三維模型等，進(jìn)而將傳統(tǒng)的以靜態(tài)為主的旅游方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與互動(dòng)的模式[4]。在景區(qū)游覽過(guò)程中，通過(guò)AR技術(shù)能夠幫助游客獲得更加豐富的信息化、智能化、交互式體驗(yàn)，增加對(duì)景區(qū)信息和文化的理解與感知。

（二）實(shí)時(shí)交互

在景區(qū)導(dǎo)覽中，通過(guò)AR系統(tǒng)提供的交互接口設(shè)備，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行人機(jī)交互。使游客在旅游中獲得互動(dòng)感，將AR技術(shù)應(yīng)用到景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)中能夠獲得更多的信息。而交互方式有點(diǎn)選、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)識(shí)物掃描、動(dòng)畫(huà)播放、音頻播放、文字圖片現(xiàn)實(shí)等功能。在信息獲取上具有很強(qiáng)的時(shí)效性，能夠使游客主動(dòng)選擇信息，而不是被動(dòng)接收信息。在場(chǎng)景中運(yùn)用智能手機(jī)在景區(qū)環(huán)境互動(dòng)，不僅能在實(shí)景中游覽，還能和虛擬場(chǎng)景，增加體驗(yàn)感。

（三）三維跟蹤注冊(cè)

跟蹤是系統(tǒng)在真實(shí)場(chǎng)景中根據(jù)目標(biāo)位置的變化，來(lái)實(shí)時(shí)獲取傳感器位姿 ，并按照使用者視角重新建立空間坐標(biāo)系，將虛擬場(chǎng)景渲染到真實(shí)環(huán)境中準(zhǔn)確位置的過(guò)程。三維注冊(cè)定位，是虛擬場(chǎng)景準(zhǔn)確定位到真實(shí)環(huán)境中的過(guò)程，是將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體在真實(shí)物體上進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的定位[5]。

二 智能景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

（一）Vuforia簡(jiǎn)介

Vuforia能夠與Unity3D很好地兼容并實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)功能，它是高通公司推出的針對(duì)移動(dòng)設(shè)備開(kāi)發(fā)的工具包。Vuforia能夠很好實(shí)現(xiàn)對(duì)物體、圖片、標(biāo)識(shí)物進(jìn)行追蹤，也可以將3D模型疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，疊加虛擬信息，增強(qiáng)交互性和趣味性，為游客提供定位和導(dǎo)航服務(wù)。

（二）系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

以梵凈山景區(qū)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能導(dǎo)覽系統(tǒng)為例，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架如圖1所示。

圖1 梵凈山智能導(dǎo)覽系統(tǒng)框架

三 智能景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)功能

景區(qū)功能包括為游客提供景區(qū)介紹的相關(guān)信息，場(chǎng)景管理、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫(huà)等資源管理、導(dǎo)航四個(gè)功能模塊。參觀過(guò)程中包括景區(qū)講解語(yǔ)音、圖片、模型、視頻動(dòng)畫(huà)，交互方式有點(diǎn)選、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)識(shí)物掃描、動(dòng)畫(huà)播放、音頻播放、文字圖片現(xiàn)實(shí)等交互功能。

（二）系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)覽系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，首先需要到景區(qū)進(jìn)行圖像采集，制作圖像識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)資源進(jìn)行分類和管理。運(yùn)用Vuforia進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)要先進(jìn)行云環(huán)境設(shè)置，首先需要在Vuforia官網(wǎng)注冊(cè)開(kāi)發(fā)者賬號(hào)，并獲得license key，接下來(lái)創(chuàng)建用于存放和管理標(biāo)識(shí)物的，根據(jù)景區(qū)實(shí)際需求，從多個(gè)角度對(duì)標(biāo)識(shí)物進(jìn)行拍攝，然后上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)安裝實(shí)際需要選擇識(shí)別圖。最后從高通平臺(tái)上下載數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣識(shí)別庫(kù)就建立好了。

首先，在Unity3D中進(jìn)行ARCamera啟用設(shè)置，完成基本環(huán)境的搭建。然后，進(jìn)行Vuforia Configuration參數(shù)配置，將Key與識(shí)別庫(kù)配置完成，接著完成配置識(shí)別組件和模型的綁定。與移動(dòng)開(kāi)發(fā)VR包導(dǎo)入所創(chuàng)建的Unity3D工程項(xiàng)目中。導(dǎo)入成功后在工程目錄Assets目錄下就會(huì)有Vuforia文件中包含的圖片、音頻等所有文件。

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段，主要是景區(qū)數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行編輯，如景區(qū)相關(guān)的解說(shuō)音頻和視頻，制作景區(qū)模型及動(dòng)畫(huà)和特效制作。應(yīng)用界面交互設(shè)計(jì)，此階段主要是應(yīng)用Unity引擎中UGUI來(lái)創(chuàng)建按鈕、場(chǎng)景切換、具有交互性的游戲互動(dòng)等功能。

整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最重要的是模型制作階段，3DMAX制作模型后，將模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖后，導(dǎo)出FBX格式文件，如需模型制作好后，對(duì)相應(yīng)的模型添加動(dòng)畫(huà)，而對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)、縮放等要通過(guò)編輯腳本，最后添加到模型上面，實(shí)現(xiàn)交互功能。在場(chǎng)景中添加視頻和音頻是用Unity3D的Vidio playe和 Audio Source組件，通過(guò)添加組件后對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置后以控制播放的時(shí)間和長(zhǎng)度。

根據(jù)梵凈山智能導(dǎo)覽系統(tǒng)框架，依據(jù)實(shí)地調(diào)研過(guò)程和數(shù)據(jù)采集情況，研究智能導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

圖2 梵凈山智能導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

（三）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)梵凈山景區(qū)特點(diǎn)，為其設(shè)計(jì)了梵凈山智能導(dǎo)覽系統(tǒng)。如封底圖1所示。

圖1 梵凈山智能導(dǎo)覽系統(tǒng)（見(jiàn)正文第53頁(yè)）

在識(shí)別庫(kù)創(chuàng)建模塊，多角度采集景點(diǎn)圖像，上傳識(shí)別庫(kù)，生成UnityPackage資源包。游客對(duì)于比較感興趣的景點(diǎn)可以用手機(jī)跟蹤識(shí)別，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

在UGUI交互模塊，對(duì)呈現(xiàn)的虛擬物體和實(shí)景疊加時(shí)，通過(guò)添加互動(dòng)組件，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊、旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)的功能。通過(guò)添加滑塊可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)、音效音量的調(diào)節(jié)。然后完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，對(duì)整個(gè)功能模塊進(jìn)行測(cè)試，如通過(guò)手機(jī)掃描梵凈山蘑菇石，會(huì)出現(xiàn)音頻對(duì)梵凈山的介紹和文字的講解。

在跟蹤識(shí)別模塊，游客對(duì)有興趣景點(diǎn)進(jìn)行觀看時(shí)可進(jìn)行掃描后感知整個(gè)場(chǎng)景視角的變化，通過(guò)圖像識(shí)別、捕捉標(biāo)識(shí)物對(duì)虛擬場(chǎng)景和信息實(shí)時(shí)調(diào)整，疊加融合到真實(shí)場(chǎng)景中戶外模式與室內(nèi)模式的跟蹤匹配階段，都是在識(shí)別定位中獲得興趣目標(biāo)的定位信息以及增強(qiáng)信息后，持續(xù)地進(jìn)行興趣目標(biāo)的跟蹤，并把對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)信息疊加在興趣目標(biāo)的正確位置上[6]。

智能導(dǎo)覽模塊系統(tǒng)會(huì)根據(jù)游客手機(jī)所在位置進(jìn)行變化，位置發(fā)生移動(dòng)后，地圖位置隨之更新，游客到達(dá)重要旅游節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)根據(jù)相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行播報(bào)，并提示注意事項(xiàng)與是否開(kāi)啟增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)?zāi)Ｊ剑_(kāi)啟后游客可根據(jù)導(dǎo)游信息進(jìn)行互動(dòng)也可根據(jù)需要選擇規(guī)劃路線進(jìn)行購(gòu)物、休息等。

場(chǎng)景疊加模塊中，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中疊加視頻、動(dòng)畫(huà)、音頻、文字、模型等虛擬信息。最后進(jìn)行集成與發(fā)布預(yù)處理目標(biāo)對(duì)象打包并導(dǎo)入到 Unity3D 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)[7]，使游客滿足景點(diǎn)介紹等信息功能的需求，并實(shí)現(xiàn)互動(dòng)體驗(yàn)功能，增強(qiáng)娛樂(lè)性和體驗(yàn)感。

四 結(jié)語(yǔ)

為了研究梵凈山智能景區(qū)自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)總體框架，提出了使用3DMAX、Unity、Vuforia來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了移動(dòng)終端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了智能導(dǎo)覽系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法是開(kāi)發(fā)移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽系統(tǒng)的最佳解決方案。

本導(dǎo)覽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，不僅可以為游客提供導(dǎo)覽信息，顯示多模式的虛實(shí)疊加功能如三維模型、動(dòng)畫(huà)、視頻、文字等，為參觀者帶來(lái)了豐富的交互性體驗(yàn)如虛擬按鈕、縮放、漫游等，解決了標(biāo)志物識(shí)別準(zhǔn)確率較低、受光線、物體遮擋影響較大、容易跟蹤失敗等問(wèn)題，能夠快速實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景、視頻等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的疊加效果。智能導(dǎo)覽的使用，更豐富了導(dǎo)覽信息，也讓游客能夠更好地體驗(yàn)和解讀文化景點(diǎn)。