基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動(dòng)端旅游導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邸臻煒 唐靜 譚潔霞

摘 要：文章將紙質(zhì)導(dǎo)覽圖與移動(dòng)端旅游導(dǎo)覽相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于 AR 技術(shù)的移動(dòng)端旅游導(dǎo)覽系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 AR技術(shù)重現(xiàn)歷史場(chǎng)景、以多媒體技術(shù)表現(xiàn)歷史人文、利用 Unity3D 搭建應(yīng)用場(chǎng)景、以 3DsMAX 完成地標(biāo)的三維建模、以 EasyAR 為 AR引警完成標(biāo)識(shí)與檢測(cè)和跟蹤配準(zhǔn)，從而完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)移動(dòng)端旅游導(dǎo)覽系統(tǒng)的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);旅游導(dǎo)覽系統(tǒng)：數(shù)字文旅

中圖法分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著智能終端技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及手機(jī)導(dǎo)航、旅游ＡＰＰ 的應(yīng)用，傳統(tǒng)紙質(zhì)的旅游導(dǎo)覽圖取閱率越來(lái)越低，但各旅游機(jī)構(gòu)卻從未放棄這塊陣地。由于紙質(zhì)宣傳品具有信息宏觀完整、適用人群廣、輕便易攜帶的優(yōu)勢(shì)［１］ 。因此，目前的各類旅游電子應(yīng)用還難以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)宣傳品。而將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于紙質(zhì)旅游導(dǎo)覽圖是一種有效的方式，既能繼續(xù)發(fā)揮紙質(zhì)導(dǎo)覽圖的先天優(yōu)勢(shì)，又能增強(qiáng)其表達(dá)多樣化及交互性，使紙質(zhì)導(dǎo)覽圖煥發(fā)生機(jī)活力［２］ 。

本文以梧州文旅為例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動(dòng)端旅游導(dǎo)覽系統(tǒng)。以ＡＲ 技術(shù)重現(xiàn)歷史場(chǎng)景、以多媒體技術(shù)表現(xiàn)歷史人文，豐富多元的信息傳達(dá)，增強(qiáng)了旅游互動(dòng)體驗(yàn)、深化了文旅內(nèi)涵。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也將為傳統(tǒng)旅游方式到沉浸體驗(yàn)、互動(dòng)體驗(yàn)旅游的轉(zhuǎn)變提供有價(jià)值的參考路徑，是促進(jìn)傳統(tǒng)景區(qū)轉(zhuǎn)型推動(dòng)文旅融合的有益嘗試，同時(shí)對(duì)提高梧州文旅知名度，促進(jìn)社會(huì)文化的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

１ 需求分析

１．１ 用戶需求

本系統(tǒng)包含紙質(zhì)導(dǎo)覽圖及ＡＰＰ 應(yīng)用２ 個(gè)模塊，能同時(shí)符合多個(gè)年齡層的使用習(xí)慣，并且吸引年輕群體與老年人共同關(guān)注紙質(zhì)導(dǎo)覽圖。此外，快節(jié)奏的生活使人們需要更便利、更直觀的旅游導(dǎo)覽，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)擯棄了人與真實(shí)場(chǎng)景完全隔離的傳統(tǒng)電子設(shè)備操作，更符合人們?nèi)粘Ｊ褂昧?xí)慣。

１．２ 性能需求

（１）保證功能完整。能調(diào)用用戶攝像頭，掃描識(shí)別標(biāo)識(shí)圖，完成三維模型與實(shí)景的融合、多媒體信息匹配顯示，并使三維模型多角度實(shí)時(shí)成像［３］ 。

（２）系統(tǒng)運(yùn)行流暢。系統(tǒng)加載速度、響應(yīng)時(shí)間合理，能較快識(shí)別標(biāo)識(shí)圖，三維模型縮放旋轉(zhuǎn)無(wú)卡頓。

（３）信息顯示完整。三維模型無(wú)明顯扭曲、顯示角度合理；多媒體信息顯示完整、清晰。

１．３ 設(shè)計(jì)需求

首先，設(shè)計(jì)制作旅游紙質(zhì)導(dǎo)覽圖及創(chuàng)建景區(qū)實(shí)標(biāo)識(shí)物。紙質(zhì)旅游導(dǎo)覽圖能宏觀描述景區(qū)信息，標(biāo)識(shí)物設(shè)計(jì)美觀、識(shí)別率高；其次，用手機(jī)在紙質(zhì)導(dǎo)覽圖中掃描二維碼，下載并安裝ＡＰＰ 導(dǎo)覽系統(tǒng)客戶端軟件；最后，客戶端啟動(dòng)后調(diào)用本機(jī)攝像頭直接進(jìn)入圖像獲取狀態(tài)，當(dāng)攝像頭對(duì)準(zhǔn)紙質(zhì)導(dǎo)覽圖中景區(qū)地標(biāo)建筑時(shí)，即可在手機(jī)中同步顯示紙質(zhì)導(dǎo)覽圖及地標(biāo)景點(diǎn)的三維模型。

２ 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

２．１ 創(chuàng)建三維虛擬模型

本文主要以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹梧州部分旅游景點(diǎn)，其中涉及中山公園、龍母廟、中國(guó)騎樓城等多個(gè)景點(diǎn)的三維模型。系統(tǒng)選用３ｄｓ ＭＡＸ 進(jìn)行建模，主要過(guò)程如下。

首先，收集圖像數(shù)據(jù)，拍照測(cè)量景區(qū)地標(biāo)建筑細(xì)節(jié)。

其次，應(yīng)用圖像處理軟件對(duì)拍攝的照片進(jìn)行剪裁、拉伸旋轉(zhuǎn)、調(diào)整飽和對(duì)比度等操作，使用于貼圖的照片更貼近真實(shí)。

再次，根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)采用基本幾何體建模、樣條線建模、多邊形建模方法，使用放樣、擠出、倒角等工具進(jìn)行編輯和修改，完成模型的創(chuàng)建。

最后，根據(jù)實(shí)際情況使用軟件自帶材質(zhì)或景區(qū)照片紋理完成貼圖。

圖１ 為中山公園大門三維模型。三維模型應(yīng)用ＦＢＸ 格式導(dǎo)出，以便下一步在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 中完成場(chǎng)景搭建。

為提高運(yùn)行速度，在建模過(guò)程中還應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。本文主要應(yīng)用了以下幾種方式：

（１）剔除隱藏面。當(dāng)墻體使用樣條線進(jìn)行擠出操作后，頂樓墻體可見，其他樓層被隱藏，刪除已被隱藏的面能有效減少模型中點(diǎn)和面的數(shù)量。

（２）優(yōu)化壓縮面。球體、圓柱體的使用是導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大的原因之一，移動(dòng)設(shè)備屏幕較小，在視覺效果上對(duì)三維模型要求相對(duì)較低，適當(dāng)降低圓柱體的ｓｉｄｅｓ值、球體的Ｓｅｇｍｅｎｔ 值，使面連接完整即可。

（３）優(yōu)化紋理貼圖。文本主要通過(guò)紋理Ａｄｖａｎｃｅ面板調(diào)整參數(shù)，在合理情況下將貼圖的大小調(diào)整為２ 的冪次方；將小紋理貼圖組合成一張大紋理，減少加載次數(shù)；大場(chǎng)景貼圖紋理采樣使用ｍｉｐｍａｐ 提高紋理采樣的效率；使用同一材質(zhì)的物體采用批處理方式［４］ 。

２．２ 圖像獲取模塊

系統(tǒng)運(yùn)行后首先調(diào)用設(shè)備攝像頭獲取真實(shí)場(chǎng)景圖像。本系統(tǒng)主要通過(guò)Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 和Ａｎｄｒｏｉｄ 通信以及調(diào)用函數(shù)完成攝像頭的調(diào)用并取得拍攝圖像。圖像獲取模塊主要由獲取攝像頭、開始捕捉兩部分動(dòng)作組成。本文通過(guò)Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 的ＷｅｂＣａｍＴｅｘｔｕｒｅ 類實(shí)現(xiàn)攝像頭捕捉數(shù)據(jù)。由于拍攝圖像會(huì)受光照等自然環(huán)境影響，還應(yīng)對(duì)圖像的亮度、飽和度進(jìn)行調(diào)整［５］ 。

２．３ 跟蹤配準(zhǔn)模塊

在獲取圖像后，首先進(jìn)行特征分析，檢測(cè)出圖形是否與標(biāo)識(shí)物匹配，若存在匹配目標(biāo)則進(jìn)行跟蹤配準(zhǔn)。從成本、實(shí)時(shí)性、可推廣性等方面考慮，本文采用基于標(biāo)識(shí)物的跟蹤注冊(cè)方法，因此，需要事先設(shè)定特定圖片為標(biāo)識(shí)物，以便攝像機(jī)獲取圖像后進(jìn)行特征分析、匹配檢測(cè)。特征分析有本地匹配、云端匹配２ 種方式。云端匹配的優(yōu)點(diǎn)是可匹配數(shù)據(jù)量大，但受網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)影響且消耗數(shù)據(jù)流量大，不適用于旅游。本地匹配方式數(shù)據(jù)量小、匹配速度快，因此本文采用本地匹配方法。

匹配檢測(cè)一般是將圖像進(jìn)行二值化處理，為提高匹配的準(zhǔn)確度，不僅會(huì)采取邊緣、中心、線性等多種方式行進(jìn)形狀檢測(cè)，還會(huì)對(duì)圖像灰度變化、紋理特征進(jìn)行檢測(cè)。匹配檢測(cè)過(guò)程十分復(fù)雜，通過(guò)ＡＲ 引擎可以在較大程度上簡(jiǎn)化難度。目標(biāo)對(duì)象匹配后還需對(duì)標(biāo)識(shí)物的具體坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤，使三維模型能隨著用戶角度的變化而改變。一般是獲取攝像機(jī)參數(shù)和標(biāo)識(shí)物信息，以計(jì)算虛實(shí)場(chǎng)景的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。跟蹤可采用ＡＲ 引擎的ＩｍａｇｅＴｒａｃｋｅｒ 跟蹤組件來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖２ 所示。

２．４ Ｍａｒｋｅｒ 預(yù)設(shè)

首先用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 等圖像處理軟件設(shè)計(jì)制作旅游導(dǎo)覽圖，選取代表性部分切片，將其導(dǎo)出為．ｊｐｇ 格式圖片并作為標(biāo)識(shí)圖，在ＳｔｒｅａｍｉｎｇＡｓｓｅｔｓ 文件夾下添加標(biāo)識(shí)圖；然后在ｄａｔａｓｅｔ．ｊｓｏｎ 文件中添加圖片屬性信息，主要是圖片相對(duì)路徑屬性ｉｍａｇｅ 和圖片名稱ｎａｍｅ 屬性；最后在場(chǎng)景中找到對(duì)應(yīng)的三維模型或多媒體資源，將腳本Ｎａｍｅ 屬性設(shè)為標(biāo)識(shí)圖的ｎａｍｅ。

２．５ 交互模塊

交互模塊的主要功能是為用戶與虛擬信息之間提供友好交互。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入圖像獲取界面。掃描標(biāo)識(shí)物并配準(zhǔn)成功后，顯示景點(diǎn)地標(biāo)模型，不同景點(diǎn)出現(xiàn)文本、圖片或視頻等多媒體信息，用戶可對(duì)三維模型進(jìn)行縮放旋轉(zhuǎn)。模塊流程如圖３ 所示。

（１）觸屏控制功能的實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)觸屏控制，Ｕｎｉｔｙ 的ＡＰＩ 中提供了Ｔｏｕｃｈ 類。每一次觸屏操作系統(tǒng)都會(huì)生成一個(gè)存儲(chǔ)本次信息的Ｔｏｕｃｈ 類型變量，如果是多點(diǎn)觸控將生成多個(gè)Ｔｏｕｃｈ變量，具體執(zhí)行流程如圖４ 所示。

（２）平移功能的實(shí)現(xiàn)。

平移功能的實(shí)現(xiàn)一般有２ 種方式：一是給模型設(shè)置Ｍｅｓｈ Ｃｏｌｌｉｄｅｒ 屬性，通過(guò)射線判斷選中模型并進(jìn)行平移，但這種形式的拖拽并不靈敏；二是用ＵＧＵＩ 插件制作虛擬搖桿控制器，但代碼量大內(nèi)存占用率高。本文采用ＥａｓｙＴｏｕｃｈ 插件，編寫Ｍｏｖｅ．ｃｓ 腳本，實(shí)現(xiàn)平移功能。

（３）脫卡功能的實(shí)現(xiàn)。

正常情況下當(dāng)攝像頭離開Ｍａｒｋｅｒ，對(duì)應(yīng)的虛擬信息就停止顯示。如果配準(zhǔn)后顯示的虛擬信息是視頻，要讓視頻持續(xù)播放，用戶就需要保持一個(gè)姿勢(shì)，以確保標(biāo)識(shí)物一直被跟蹤，這顯然是不合理的。使虛擬信息離開Ｍａｒｋｅｒ 繼續(xù)顯示即稱為脫卡。

本文的脫卡解決方案是：在Ａｕｇｍｅｎｔｅｒ 中創(chuàng)建一個(gè)固定在屏幕中央的空模型，用于保存脫卡后的虛擬信息，當(dāng)Ｔａｒｇｅｔ 為ｆａｌｓｅ 時(shí)，在該模型中顯示虛擬信息，還需要在ＩｍａｇｅＴａｒｇｅｔ＿Ｉｍａｇｅ 下創(chuàng)建空模型；當(dāng)Ｔａｒｇｅｔ為ｔｒｕｅ 時(shí)正常跟蹤配準(zhǔn)。

３ 結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)檢測(cè)測(cè)試用例、增強(qiáng)信息測(cè)試用例的結(jié)果表明：系統(tǒng)功能基本達(dá)到需求。能夠成功檢測(cè)標(biāo)識(shí)物，并且能將虛擬信息（包括三維模型、多媒體信息）疊加到標(biāo)識(shí)物上，當(dāng)攝像機(jī)對(duì)標(biāo)識(shí)物位置發(fā)生變化時(shí)能跟蹤匹配信息，達(dá)到虛實(shí)融合效果。在正常光照條件下，增強(qiáng)信息顯示無(wú)明顯閃爍、抖動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行較流暢。但在測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)一些問題：

（１）標(biāo)識(shí)配準(zhǔn)時(shí)間與標(biāo)識(shí)物個(gè)數(shù)成正比，多標(biāo)識(shí)物同時(shí)識(shí)別時(shí)，占用內(nèi)存較大，會(huì)造成系統(tǒng)卡頓；

（２）電量消耗明顯。某品牌手機(jī)使用本文增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)３ 分鐘耗電量４９ 毫安，達(dá)到應(yīng)用總耗電量的４４．３７％，相機(jī)傳感器運(yùn)行、三維模型渲染都消耗較大電量。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

邸臻煒（１９８０—），碩士，副教授，研究方向：圖像處理、信息可視化。