基于增強現(xiàn)實技術(shù)的移動端旅游導覽系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

邸臻煒 唐靜 譚潔霞

摘 要：文章將紙質(zhì)導覽圖與移動端旅游導覽相結(jié)合，設(shè)計了基于 AR 技術(shù)的移動端旅游導覽系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 AR技術(shù)重現(xiàn)歷史場景、以多媒體技術(shù)表現(xiàn)歷史人文、利用 Unity3D 搭建應(yīng)用場景、以 3DsMAX 完成地標的三維建模、以 EasyAR 為 AR引警完成標識與檢測和跟蹤配準，從而完成增強現(xiàn)實移動端旅游導覽系統(tǒng)的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù);旅游導覽系統(tǒng)：數(shù)字文旅

中圖法分類號：TP399 文獻標識碼：A

隨著智能終端技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及手機導航、旅游ＡＰＰ 的應(yīng)用，傳統(tǒng)紙質(zhì)的旅游導覽圖取閱率越來越低，但各旅游機構(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［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。而將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于紙質(zhì)旅游導覽圖是一種有效的方式，既能繼續(xù)發(fā)揮紙質(zhì)導覽圖的先天優(yōu)勢，又能增強其表達多樣化及交互性，使紙質(zhì)導覽圖煥發(fā)生機活力［２］ 。

本文以梧州文旅為例，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于增強現(xiàn)實技術(shù)的移動端旅游導覽系統(tǒng)。以ＡＲ 技術(shù)重現(xiàn)歷史場景、以多媒體技術(shù)表現(xiàn)歷史人文，豐富多元的信息傳達，增強了旅游互動體驗、深化了文旅內(nèi)涵。系統(tǒng)的實現(xiàn)也將為傳統(tǒng)旅游方式到沉浸體驗、互動體驗旅游的轉(zhuǎn)變提供有價值的參考路徑，是促進傳統(tǒng)景區(qū)轉(zhuǎn)型推動文旅融合的有益嘗試，同時對提高梧州文旅知名度，促進社會文化的發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

１ 需求分析

１．１ 用戶需求

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

１．２ 性能需求

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

（２）系統(tǒng)運行流暢。系統(tǒng)加載速度、響應(yīng)時間合理，能較快識別標識圖，三維模型縮放旋轉(zhuǎn)無卡頓。

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

１．３ 設(shè)計需求

首先，設(shè)計制作旅游紙質(zhì)導覽圖及創(chuàng)建景區(qū)實標識物。紙質(zhì)旅游導覽圖能宏觀描述景區(qū)信息，標識物設(shè)計美觀、識別率高；其次，用手機在紙質(zhì)導覽圖中掃描二維碼，下載并安裝ＡＰＰ 導覽系統(tǒng)客戶端軟件；最后，客戶端啟動后調(diào)用本機攝像頭直接進入圖像獲取狀態(tài)，當攝像頭對準紙質(zhì)導覽圖中景區(qū)地標建筑時，即可在手機中同步顯示紙質(zhì)導覽圖及地標景點的三維模型。

２ 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

２．１ 創(chuàng)建三維虛擬模型

本文主要以增強現(xiàn)實技術(shù)介紹梧州部分旅游景點，其中涉及中山公園、龍母廟、中國騎樓城等多個景點的三維模型。系統(tǒng)選用３ｄｓ ＭＡＸ 進行建模，主要過程如下。

首先，收集圖像數(shù)據(jù)，拍照測量景區(qū)地標建筑細節(jié)。

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

再次，根據(jù)場景特點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、倒角等工具進行編輯和修改，完成模型的創(chuàng)建。

最后，根據(jù)實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 格式導出，以便下一步在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 中完成場景搭建。

為提高運行速度，在建模過程中還應(yīng)對模型進行優(yōu)化。本文主要應(yīng)用了以下幾種方式：

（１）剔除隱藏面。當墻體使用樣條線進行擠出操作后，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和面的數(shù)量。

（２）優(yōu)化壓縮面。球體、圓柱體的使用是導致數(shù)據(jù)量大的原因之一，移動設(shè)備屏幕較小，在視覺效果上對三維模型要求相對較低，適當降低圓柱體的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)運行后首先調(diào)用設(shè)備攝像頭獲取真實場景圖像。本系統(tǒng)主要通過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、開始捕捉兩部分動作組成。本文通過Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 的ＷｅｂＣａｍＴｅｘｔｕｒｅ 類實現(xiàn)攝像頭捕捉數(shù)據(jù)。由于拍攝圖像會受光照等自然環(huán)境影響，還應(yīng)對圖像的亮度、飽和度進行調(diào)整［５］ 。

２．３ 跟蹤配準模塊

在獲取圖像后，首先進行特征分析，檢測出圖形是否與標識物匹配，若存在匹配目標則進行跟蹤配準。從成本、實時性、可推廣性等方面考慮，本文采用基于標識物的跟蹤注冊方法，因此，需要事先設(shè)定特定圖片為標識物，以便攝像機獲取圖像后進行特征分析、匹配檢測。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。

匹配檢測一般是將圖像進行二值化處理，為提高匹配的準確度，不僅會采取邊緣、中心、線性等多種方式行進形狀檢測，還會對圖像灰度變化、紋理特征進行檢測。匹配檢測過程十分復雜，通過ＡＲ 引擎可以在較大程度上簡化難度。目標對象匹配后還需對標識物的具體坐標進行跟蹤，使三維模型能隨著用戶角度的變化而改變。一般是獲取攝像機參數(shù)和標識物信息，以計算虛實場景的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。跟蹤可采用ＡＲ 引擎的ＩｍａｇｅＴｒａｃｋｅｒ 跟蹤組件來完成，實現(xiàn)過程如圖２ 所示。

２．４ Ｍａｒｋｅｒ 預(yù)設(shè)

首先用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 等圖像處理軟件設(shè)計制作旅游導覽圖，選取代表性部分切片，將其導出為．ｊｐｇ 格式圖片并作為標識圖，在ＳｔｒｅａｍｉｎｇＡｓｓｅｔｓ 文件夾下添加標識圖；然后在ｄａｔａｓｅｔ．ｊｓｏｎ 文件中添加圖片屬性信息，主要是圖片相對路徑屬性ｉｍａｇｅ 和圖片名稱ｎａｍｅ 屬性；最后在場景中找到對應(yīng)的三維模型或多媒體資源，將腳本Ｎａｍｅ 屬性設(shè)為標識圖的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)啟動后進入圖像獲取界面。掃描標識物并配準成功后，顯示景點地標模型，不同景點出現(xiàn)文本、圖片或視頻等多媒體信息，用戶可對三維模型進行縮放旋轉(zhuǎn)。模塊流程如圖３ 所示。

（１）觸屏控制功能的實現(xiàn)。

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

（２）平移功能的實現(xiàn)。

平移功能的實現(xiàn)一般有２ 種方式：一是給模型設(shè)置Ｍｅｓｈ Ｃｏｌｌｉｄｅｒ 屬性，通過射線判斷選中模型并進行平移，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，實現(xiàn)平移功能。

（３）脫卡功能的實現(xiàn)。

正常情況下當攝像頭離開Ｍａｒｋｅｒ，對應(yīng)的虛擬信息就停止顯示。如果配準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姿勢，以確保標識物一直被跟蹤，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)建一個固定在屏幕中央的空模型，用于保存脫卡后的虛擬信息，當Ｔａｒｇｅｔ 為ｆａｌｓｅ 時，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Ｔａｒｇｅｔ為ｔｒｕｅ 時正常跟蹤配準。

３ 結(jié)束語

目標檢測測試用例、增強信息測試用例的結(jié)果表明：系統(tǒng)功能基本達到需求。能夠成功檢測標識物，并且能將虛擬信息（包括三維模型、多媒體信息）疊加到標識物上，當攝像機對標識物位置發(fā)生變化時能跟蹤匹配信息，達到虛實融合效果。在正常光照條件下，增強信息顯示無明顯閃爍、抖動，系統(tǒng)運行較流暢。但在測試中也發(fā)現(xiàn)一些問題：

（１）標識配準時間與標識物個數(shù)成正比，多標識物同時識別時，占用內(nèi)存較大，會造成系統(tǒng)卡頓；

（２）電量消耗明顯。某品牌手機使用本文增強現(xiàn)實系統(tǒng)３ 分鐘耗電量４９ 毫安，達到應(yīng)用總耗電量的４４．３７％，相機傳感器運行、三維模型渲染都消耗較大電量。

參考文獻：

［１］ 王洋．基于ＳｙｓＭＬ 的植物園智能導覽系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)［Ｄ］．成都：電子科技大學，２０２１．

［２］ 張紓菡，楊喆．移動端博物館導覽系統(tǒng)的用戶認知分析［Ｊ］．藝術(shù)與設(shè)計（理論），２０１９，２（８）：５８?６０．

［３］ 李嘉?。旌犀F(xiàn)實技術(shù)在博物館導覽系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［Ｄ］．無錫：江南大學，２０２２．

［４］ 李暉，黃其政，李萬凱，等．開源框架下媽祖祖廟虛擬現(xiàn)實導覽系統(tǒng)的構(gòu)建［Ｊ］．廈門理工學院學報，２０２２，３０（３）：４８?５５．

［５］ 王凌云，陳亮． 增強現(xiàn)實空間關(guān)系及其關(guān)鍵技術(shù)探討［Ｊ］．電腦知識與技術(shù)，２０２２，１８（３２）：９７?９９．

作者簡介：

邸臻煒（１９８０—），碩士，副教授，研究方向：圖像處理、信息可視化。