基于ARKit和SceneKit技術(shù)的“思綢”App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王舒鋡，侯俐，康思為，袁義，鄧曉軍，肖滿(mǎn)生

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南株洲 412007)

0 引言

近些年來(lái)，從?；韬钅箍脊乓l(fā)觀(guān)展熱潮，到《國(guó)家寶藏》等文博節(jié)目的熱播，再到云端博物館的蓬勃發(fā)展，歷史與文化日益“飛入尋常百姓家”，豐富著全社會(huì)的文明滋養(yǎng)。其中，絲綢之路文化作為中華傳統(tǒng)文化的重要組成部分，被賦予了更深刻的內(nèi)涵和更重要的地位，也承載著中國(guó)人民與世界之間交流的智慧與情感。

目前，隨著科技手段的不斷發(fā)展，生硬的技術(shù)化傳播形式已無(wú)法產(chǎn)生良好的文化傳播效果，文化傳播應(yīng)具有更高的藝術(shù)手段和藝術(shù)價(jià)值，以及良好的實(shí)時(shí)性、交互性、形式多樣性和內(nèi)容豐富性[1]。目前，市場(chǎng)上新興的文化傳播類(lèi)軟件缺乏新穎性且形式單一，文物所涵蓋的歷史底蘊(yùn)易被忽略，而用戶(hù)學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化的熱情高漲，如何以更具趣味性和交互性的方式傳播歷史文化成為難題。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱和軟件新技術(shù)的分析，基于移動(dòng)端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality，AR)使文物具有可移動(dòng)性、可調(diào)整性和可互動(dòng)性。目前，AR 技術(shù)已趨于成熟，其環(huán)境探針(Environment Probes) 、平面錨點(diǎn)(AR WorldMap) 和人物遮擋效果(People Occlusion)等功能可以為用戶(hù)提供更強(qiáng)的沉浸AR體驗(yàn)。例如LU Ping等研究了場(chǎng)景視覺(jué)感知和AR室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用程序，使室內(nèi)導(dǎo)航獲得更高的定位精度[2]。Schmalstieg 等演示了多個(gè)用戶(hù)如何使用不同的交互工具操作共享虛擬場(chǎng)景中的圖形[3]。李丹將基于移動(dòng)終端的AR 應(yīng)用和基于移動(dòng)瀏覽器的Web AR 對(duì)比研究，提出基于Native的AR算法實(shí)現(xiàn)機(jī)制[4]。蔡蘇等研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用潛力和應(yīng)用價(jià)值[5]。此外，國(guó)內(nèi)關(guān)于文化傳播類(lèi)軟件已有一些相關(guān)的研究和應(yīng)用。例如數(shù)字博物館、暢游絲路、每日故宮和每日環(huán)球展覽等。然而，上述應(yīng)用在形式、體驗(yàn)和內(nèi)容上存在部分問(wèn)題：1)形式上：現(xiàn)有數(shù)字博物館軟件中的場(chǎng)景和文物趨于平面化；2)體驗(yàn)上：現(xiàn)有軟件中的場(chǎng)景缺乏互動(dòng)性，且互動(dòng)形式較為單一；3)內(nèi)容上：部分軟件中的信息過(guò)于碎片化和單調(diào)化，通過(guò)長(zhǎng)篇大論講述歷史的方式不具備趣味性和可讀性。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款趣味性強(qiáng)、交互性?xún)?yōu)和功能豐富的傳播絲綢之路歷史文化App 的需求已凸顯。本文詳細(xì)介紹了基于iOS的絲綢之路文化傳播軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，軟件采用ARKit 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以三維形式呈現(xiàn)文物；SceneKit 全景圖技術(shù)使場(chǎng)景以720°全景展示，不受時(shí)空的限制，使用戶(hù)身臨其境地感受城市場(chǎng)景；ItemCF協(xié)同過(guò)濾算法通過(guò)收集群體用戶(hù)的偏好信息，以達(dá)到精準(zhǔn)用戶(hù)群的推送；PencilKit利用Apple Pencil 實(shí)現(xiàn)更具互動(dòng)性的人機(jī)體驗(yàn)。同時(shí)，聚焦“考古+盲盒”、DIY“文物”和IP動(dòng)畫(huà)等創(chuàng)意形式，從用戶(hù)角度思考和設(shè)計(jì)，做到“以思緒暢游歷史，以指尖丈量絲路”。系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、高效地講好中國(guó)故事、描述歷史文化、以沉浸式的全景圖體驗(yàn)讓用戶(hù)“乘興而至，盡興而歸”，有效地傳承和發(fā)揚(yáng)絲綢之路歷史文化，不斷增強(qiáng)中華文明傳播力影響力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1 所示，系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三層，自上而下依次為業(yè)務(wù)層、工具層和SDK層。業(yè)務(wù)層主要包括業(yè)務(wù)模塊與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)對(duì)業(yè)務(wù)模塊和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的封裝；工具層主要包括JSON 文件、緩存信息和模型封裝，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)組件的封裝；SDK層則負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)API。

業(yè)務(wù)層內(nèi)部分別定義了自己的消息代理、實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部的消息通信處理。業(yè)務(wù)層的業(yè)務(wù)模塊主要包括每日學(xué)習(xí)模塊、盲盒收集模塊、寓教于樂(lè)模塊和個(gè)人勛章模塊。業(yè)務(wù)層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括文物數(shù)據(jù)、城市數(shù)據(jù)、答題數(shù)據(jù)、遮罩?jǐn)?shù)據(jù)。業(yè)務(wù)層子模塊內(nèi)部職責(zé)劃分為：模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)。

模型包括文物數(shù)據(jù)模型、城市數(shù)據(jù)模型和遮罩?jǐn)?shù)據(jù)模型等。模型將數(shù)據(jù)和操作進(jìn)行抽象和封裝，以供視圖的查詢(xún)和更新，管理業(yè)務(wù)邏輯。視圖包括沿途故事視圖、文物預(yù)覽視圖和城市介紹視圖等。視圖用于渲染App的各級(jí)界面，模型與視圖之間是一對(duì)多的關(guān)系?？刂破靼ǖ貓D控制器、城市控制器和AR 文物控制器等。控制器用于了解用戶(hù)與視圖之間的交互信息，并將之標(biāo)準(zhǔn)化為業(yè)務(wù)事件來(lái)提供模型，促使模型對(duì)程序動(dòng)作進(jìn)行輸出，最終選擇某個(gè)視圖來(lái)更新用戶(hù)數(shù)據(jù)[6]。

系統(tǒng)使用UIKit 框架，它為實(shí)施界面提供了窗口和視圖架構(gòu)，用于向App提供多點(diǎn)觸控和其他類(lèi)型的輸入事件處理。前端基于MVC 設(shè)計(jì)模式，部分?jǐn)?shù)據(jù)源視圖控件具有dataSource 屬性，數(shù)據(jù)源通過(guò)與控制器交互，從定義的數(shù)據(jù)模型中，間接地獲取數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)分離，降低代碼之間的耦合性。利用JSON 文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)由key:value 鍵值對(duì)組成，采用SwiftyJSON解析JSON數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括每日學(xué)習(xí)模塊、盲盒收集模塊、寓教于樂(lè)模塊和個(gè)人勛章模塊四大功能模塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析、競(jìng)品分析和用戶(hù)調(diào)研明確了系統(tǒng)的各個(gè)模塊及功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)每日學(xué)習(xí)模塊。運(yùn)用ItemCf協(xié)同過(guò)濾算法，預(yù)測(cè)用戶(hù)的個(gè)人偏好，并根據(jù)用戶(hù)的歷史行為為用戶(hù)生成學(xué)習(xí)資料列表。學(xué)習(xí)資料以西安、蘭州、西寧、敦煌和烏魯木齊五大城市為主體，圍繞出土文物信息、城市風(fēng)光、歷史文化等進(jìn)行展示和學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)模塊設(shè)置了答題功能，答對(duì)一定數(shù)量的題目之后即可獲得該城市的絲綢勛章。為增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)感，在進(jìn)入頁(yè)面時(shí)使用AVPlayer設(shè)置IP動(dòng)畫(huà)引導(dǎo)，在幫助用戶(hù)快速了解軟件的同時(shí)，增強(qiáng)用戶(hù)吸收知識(shí)和了解世界的趣味性。

2)盲盒收集模塊。此模塊是系統(tǒng)的主要功能模塊，通過(guò)疊加視圖和UIResponder 監(jiān)測(cè)觸摸事件繪制絲綢之路地圖，地圖分布著五個(gè)絲綢之路重要城市，通過(guò)選擇場(chǎng)景，進(jìn)入全景圖模式。系統(tǒng)采用陀螺儀、SceneKit全景圖技術(shù)將絲綢之路的沿岸風(fēng)光展現(xiàn)給用戶(hù)，盲盒利用視覺(jué)延伸效果，讓二維平面圖在視覺(jué)上呈現(xiàn)出立體感，將盲盒藏在全景圖中，用戶(hù)在領(lǐng)略場(chǎng)景的同時(shí)可尋找并收集盲盒。盲盒中可解鎖AR文物或絲綢之路沿途小故事，讓用戶(hù)以更具互動(dòng)性的方式了解絲綢之路的前世今生。同時(shí)，為了使系統(tǒng)的互動(dòng)性更強(qiáng)且文物展示不趨于平面化，使用Object Capture進(jìn)行文物3D 建模，ARKit 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)文物，同時(shí)使用了ARKit 中的環(huán)境探針、平面錨點(diǎn)和人物遮擋等功能優(yōu)化文物擺放。從“口傳心授”到“身臨其境”，以嶄新的視角和跨越時(shí)空的交流聯(lián)結(jié)歷史與現(xiàn)實(shí)。

3)寓教于樂(lè)模塊。運(yùn)用PencilKit技術(shù)使用Apple Pencil，以刮畫(huà)的形式展開(kāi)DIY“文物”，以保留用戶(hù)在探索絲綢之路過(guò)程中迸發(fā)出的靈感。通過(guò)筆下細(xì)致地描繪與記錄，在激發(fā)創(chuàng)造思維的同時(shí)提高用戶(hù)的繪畫(huà)和動(dòng)手能力。

4)個(gè)人勛章模塊。在每日學(xué)習(xí)模塊中學(xué)習(xí)并完成答題后即可獲得該城市的絲綢勛章，絲綢勛章和用戶(hù)基本信息等在本模塊顯示。為了保護(hù)個(gè)人的安全隱私，本模塊不獲取用戶(hù)個(gè)人信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SceneKit渲染全景圖

SceneKit是一個(gè)高級(jí)的3D圖形框架，它將高性能渲染引擎與描述性API 相結(jié)合，用于導(dǎo)入、操作和渲染3D圖片，幫助開(kāi)發(fā)者在應(yīng)用程序中創(chuàng)建3D動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景和效果[7]。系統(tǒng)使用SceneKit技術(shù)將3D模型渲染集成至項(xiàng)目工程中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以下功能：1)查看3D全景圖；2)手勢(shì)滑動(dòng)；3)陀螺儀。其中，3D 全景圖模擬了絲綢之路五大城市的沿途場(chǎng)景，陀螺儀使場(chǎng)景角度跟隨手機(jī)移動(dòng)，以沉浸式的體驗(yàn)將用戶(hù)帶入絲綢之路中。

ScencKit 使用SCNRender 渲染OpenGL 渲染器。全景圖可被視為一張球形圖片，若展示在平面上，則無(wú)法識(shí)別，當(dāng)圖片渲染到球體，并從中心觀(guān)察球體上某一區(qū)域時(shí)，即可被識(shí)別。全景圖的播放原理如圖3所示，將圖片渲染至球體模型內(nèi)表面，智能手機(jī)處于球體中心，當(dāng)旋轉(zhuǎn)智能手機(jī)的時(shí)候，球體向相反的方向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)這種方式就可以看到球體上的畫(huà)面。

圖3 全景圖渲染原理圖

系統(tǒng)使用SceneKit 將圖片渲染到球體模型上，渲染原理如4所示。首先，生成頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，即球面上點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。球體中的3D 物體都由三角形構(gòu)成的，構(gòu)建一個(gè)球體只需要利用球坐標(biāo)系中的經(jīng)度角φ、緯度角θ和半徑r來(lái)計(jì)算球面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。最后，這些坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成許多小矩形，每個(gè)矩形可以分成2 個(gè)三角形。

圖4 圖片繪制到球體原理圖

在圖4 的直角坐標(biāo)系中，利用經(jīng)度角φ、緯度角θ和半徑r即可得到球面點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)的計(jì)算如式(1)所示：

但由于渲染時(shí)，圖片渲染在球體的外表面，而智能手機(jī)處于球體中心，所以需對(duì)渲染的圖片位置進(jìn)行處理，處理代碼如下所示：

將圖形渲染到模型后，添加相機(jī)實(shí)現(xiàn)可視。SCNCamera 是SceneKit 中的相機(jī)屬性，可以連接到節(jié)點(diǎn)，為顯示場(chǎng)景提供視角。系統(tǒng)將SCNCamera相機(jī)添加到球體中心，設(shè)置觀(guān)察區(qū)域。此時(shí)，當(dāng)調(diào)整照相機(jī)觀(guān)察的角度或旋轉(zhuǎn)照相機(jī)，觀(guān)察區(qū)域會(huì)隨之改變，這樣即可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與全景圖的交互。

SCNCamera 對(duì)象本身定義了渲染場(chǎng)景的形狀和外觀(guān)。默認(rèn)情況下，相機(jī)定義透視投影，其視(FOV)以及近距離(Near) 和遠(yuǎn)距離(Far) 的可見(jiàn)性將限制開(kāi)發(fā)者調(diào)整相機(jī)透視中的屬性，如圖5所示。

圖5 相機(jī)坐標(biāo)系和投影參數(shù)圖

通過(guò)觀(guān)察xFov 和yFov 可知，視角越大，屏幕上顯示的體積越小；根據(jù)focusDistance可知焦距越大，視角越小。

3.2 Object Capture建立3D模型

Object Capture 主要包括設(shè)置和構(gòu)建兩方面。設(shè)置包括創(chuàng)建Photogrammetry session，通過(guò)信息流發(fā)送的回調(diào)信息進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，監(jiān)測(cè)其狀態(tài)和錯(cuò)誤等。構(gòu)建即利用session調(diào)用構(gòu)建方法并發(fā)起請(qǐng)求。

系統(tǒng)使用CaptureSample中的相機(jī)捕捉以收集3D模型的全方位圖像，相機(jī)不是圍繞光學(xué)中心旋轉(zhuǎn)，而是使用相機(jī)從不同角度獲取模型的圖像，根據(jù)其立體深度數(shù)據(jù)計(jì)算模型的立體信息，復(fù)原物體的真實(shí)尺寸，并利用重力方向自動(dòng)讓模型朝上。同時(shí)，利用HelloPhotogrammetry 命令行，在圖片文件中創(chuàng)建并導(dǎo)出3D 模型。導(dǎo)出的模型共有三種格式：USDZ、USDA和OBJ，系統(tǒng)使用USDZ(Universal Scene Description)格式，USDZ是Apple與皮克斯共同研發(fā)的USD格式基礎(chǔ)上的AR 素材存儲(chǔ)格式。導(dǎo)出USDZ 模型后，利用Xcode 內(nèi)置的Reality Composer 為3D 模型構(gòu)建場(chǎng)景、添加交互動(dòng)作等。

以文物模型為例建立3D 模型，系統(tǒng)將完成以下步驟：

1)利用CaptureSample 中的相機(jī)拍攝文物模型的全方位圖像；

2)確定屏幕坐標(biāo)系，將得到的圖像進(jìn)行處理；

3)利用HelloPhotogrammetry 命令行，創(chuàng)建三維文物模型；

4)導(dǎo)出USDZ格式的三維文物模型；

5) 使用RealityComposer 為三維文物模型添加交互動(dòng)作。

3.3 ARKit增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

ARKit 框架通過(guò)集成iOS 設(shè)備攝像頭和運(yùn)動(dòng)功能，在應(yīng)用程序中產(chǎn)生增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。它是一種巧妙地將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的技術(shù)，被廣泛使用于多媒體、三維建模、智能交互、傳感等技術(shù)手段，將文本、圖像、視頻和三維模型等計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息模擬到現(xiàn)實(shí)世界中，這兩種類(lèi)型的信息相互補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的“增強(qiáng)”[8]。

AR 從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以分為兩類(lèi)，分別是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR 和基于地理位置信息的AR。系統(tǒng)采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)收集的信息來(lái)模擬和重新輸出人的視覺(jué)感受，以便將虛擬信息與真實(shí)信息疊加，并為人提供超越現(xiàn)實(shí)世界感受的視覺(jué)效果[9]。它的實(shí)現(xiàn)方法如圖6所示。首先將預(yù)制的標(biāo)志物放入真實(shí)場(chǎng)景中，用于確定真實(shí)場(chǎng)景中的平面。通過(guò)攝像頭對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和姿態(tài)評(píng)估，將標(biāo)志物的中心設(shè)置為標(biāo)志坐標(biāo)系的原點(diǎn)。從標(biāo)志坐標(biāo)系到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換需要旋轉(zhuǎn)平移到攝像頭坐標(biāo)系，再?gòu)臄z像頭坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

屏幕坐標(biāo)系是以智能手機(jī)屏幕為軸線(xiàn)建立的坐標(biāo)系。通過(guò)標(biāo)志坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系之間的差別變換，建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系。根據(jù)差別變換，在屏幕坐標(biāo)系上繪制的圖形可以實(shí)現(xiàn)附加在標(biāo)志物上的圖形的效果。

圖6 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR原理圖

iOS 平臺(tái)的AR 應(yīng)用通常由ARKit 和渲染引擎組成。ARKit 是連接現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界之間的橋梁，渲染引擎則是將虛擬世界的內(nèi)容渲染到屏幕上。系統(tǒng)使用Object Capture 建立三維文物模型，模型的外觀(guān)、尺寸、紋理等都根據(jù)實(shí)際的文物設(shè)計(jì)；使用ARKit增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)向用戶(hù)展示文物，用戶(hù)可以通過(guò)各種方式與文物互動(dòng)，比如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等[10]。

在AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，為了給用戶(hù)帶來(lái)更沉浸式的體驗(yàn)，應(yīng)確保虛擬文物在移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和放大縮小時(shí)能夠有適應(yīng)視覺(jué)的速度和虛擬成像，以滿(mǎn)足用戶(hù)的交互體驗(yàn)。防止因速度過(guò)快或過(guò)慢導(dǎo)致成像不清晰、文物移動(dòng)到屏幕外、高速旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

如圖7所示，假設(shè)與旋轉(zhuǎn)軸同向的單位向量是，旋轉(zhuǎn)前向量是，θ是繞經(jīng)過(guò)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的角度，根據(jù)羅德里格旋轉(zhuǎn)公式[11]可以得到旋轉(zhuǎn)后的向量ot。

圖7 旋轉(zhuǎn)速率計(jì)算圖

首先對(duì)v→做正交分解如式(2)，之后根據(jù)向量三重積展開(kāi)公式得到的垂直向量。

圖中給出的幾何關(guān)系如式(3)所示：

根據(jù)以上關(guān)系式可以得出v→rot的垂直向量如式(4)所示:

當(dāng)文物的旋轉(zhuǎn)速度、速率和其他物理特征異常時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)響應(yīng)并處理。系統(tǒng)通過(guò)AR 互動(dòng)展示將古代展品帶到身邊，讓古代壁畫(huà)和器具都能利用AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，打破了時(shí)間和空間的限制，滿(mǎn)足用戶(hù)游覽、欣賞和研究的需求。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用部署

4.1 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入盲盒收集模塊時(shí)，會(huì)顯示出一張陸上絲綢之路地圖，如圖8(a)所示，地圖上分布著絲綢之路沿途的重要城市，用戶(hù)可通過(guò)選擇城市進(jìn)入該城市的全景圖模式。全景圖界面如圖8(b)所示，進(jìn)入全景圖后可通過(guò)旋轉(zhuǎn)智能手機(jī)或滑動(dòng)界面來(lái)切換視角，尋找并收集盲盒，系統(tǒng)使用智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度或手指移動(dòng)的距離，以表示視角在三維空間中的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)陀螺儀、手勢(shì)滑動(dòng)等功能。

圖8 盲盒收集模塊界面

盲盒隨機(jī)散列在全景圖中，收集并打開(kāi)盲盒后，將隨機(jī)展示絲綢之路歷史文化或AR文物，若為AR文物展示，則可直接預(yù)覽文物、查看文物介紹，或進(jìn)入AR 體驗(yàn)。虛擬文物模型主要使用了ARKit 技術(shù)和三維建模技術(shù)，使用Object Capture技術(shù)建立文物的三維模型，生成usdz 文件，投入項(xiàng)目使用?；诒疚恼鹿?jié)4.3 引入的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR 技術(shù)，利用ARKit 掃描用戶(hù)周?chē)钠矫?，選擇平面后利用平面錨點(diǎn)將虛擬文物添加到平面上，并為文物添加交互。實(shí)際效果如圖9(a)和圖9(b)所示，分別展示了西漢漆繪帶蓋陶鈁和鎏金鏨花銅函的三維模型。

圖9 文物三維模型

4.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

目前該款A(yù)pp已上架至Apple App Store供用戶(hù)下載，且被App Store 推薦至Today 模塊。在開(kāi)發(fā)后期，軟件上架到TestFlight進(jìn)行功能測(cè)試、內(nèi)測(cè)預(yù)熱。通過(guò)用戶(hù)調(diào)研收集到部分用戶(hù)的反饋意見(jiàn)，根據(jù)意見(jiàn)和評(píng)論，將軟件充分調(diào)整和完善。目前，軟件適配iPad 和iPhone端。

在系統(tǒng)編碼實(shí)現(xiàn)階段，不僅使用了iOS 原生開(kāi)發(fā)技術(shù)，還運(yùn)用了最新的ARKit 6 和SceneKit 技術(shù)。例如，在定位虛擬文物模型時(shí)使用了ARKit 6 中的平面錨點(diǎn)和環(huán)境探針技術(shù)，在虛擬文物模型的交互中使用到了人物遮擋效果，通過(guò)Object Capture工具生成了虛擬文物模型。在檢測(cè)系統(tǒng)功能方面符合預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試和驗(yàn)證，完成了一定程度上的優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于SceneKit與ARKit6兩項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了基于iOS平臺(tái)的絲綢之路文化傳播軟件。軟件采用業(yè)務(wù)層、工具層和SDK層三層架構(gòu)、UIKit框架與MVC 設(shè)計(jì)模式，利用ItemCF 協(xié)同過(guò)濾算法智能針對(duì)用戶(hù)智能推送各地區(qū)的歷史文化資料，SceneKit 全景圖技術(shù)模擬絲綢之路的沿途場(chǎng)景，通過(guò)Object Capture技術(shù)創(chuàng)建三維文物模型，ARKit6實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與三維文物的交互。

系統(tǒng)著重突出創(chuàng)意性、科技性和趣味性，聚焦“考古+盲盒”創(chuàng)意形式，做到“以思緒暢游歷史，以指尖丈量絲路”，使用戶(hù)足不出戶(hù)即可身臨其境地感受絲綢之路宏偉壯闊的場(chǎng)景，通過(guò)虛擬與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)結(jié)，讓文物和場(chǎng)景都活起來(lái)，擺脫了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)歷史文化的方式，更具趣味性，增強(qiáng)了用戶(hù)的交互體驗(yàn)感。綜合體現(xiàn)了歷史文化價(jià)值以及民族美學(xué)藝術(shù)。