增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在校園地圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR） ；地圖；交互；智慧校園；建模

0 引言

在數(shù)字化時(shí)代，校園地圖不再僅僅是平面的信息展示工具，而是逐步向三維化和互動(dòng)化轉(zhuǎn)變[1]。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 技術(shù)的迅速發(fā)展，它在校園地圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日益展現(xiàn)出其獨(dú)特價(jià)值。本文旨在探討AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何為校園地圖設(shè)計(jì)帶來革命性的變革。通過對(duì)地圖掃描與識(shí)別、導(dǎo)航功能以及多元元素互動(dòng)等功能的深入剖析，本文旨在為校園地圖的設(shè)計(jì)開發(fā)提供新思路，以期為用戶提供更直觀、便捷且豐富的校園導(dǎo)航與信息獲取體驗(yàn)，從而進(jìn)一步推動(dòng)校園信息化建設(shè)的步伐。

1 研究現(xiàn)狀

AR技術(shù)通過計(jì)算機(jī)將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，為用戶提供更加豐富的視覺體驗(yàn)[2]。在教育領(lǐng)域，AR技術(shù)憑借其如虛實(shí)信息集成、實(shí)時(shí)可視化交互和高精度三維模型等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為智慧校園建設(shè)提供了新的思路。特別是在校園地圖的展示和導(dǎo)航方面，AR技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁└庇^、準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，提升校園生活的便利性。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，基于Unity3D的虛擬校園系統(tǒng)研究已成為近年來的研究熱點(diǎn)。以李延康等人（2024） 為代表的研究團(tuán)隊(duì)利用Unity3D游戲引擎，實(shí)現(xiàn)了虛擬校園三維模型展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅支持用戶漫游校園，還能實(shí)現(xiàn)與校園建筑的交互[3]。此外，許欣然等人的研究進(jìn)一步證實(shí)了基于Unity3D和3ds Max技術(shù)的虛擬校園系統(tǒng)在教育宣傳和校園規(guī)劃等方面的應(yīng)用價(jià)值[4]。在數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，李博文（2023） 基于Unity3D平臺(tái)設(shè)計(jì)并搭建了武漢工程大學(xué)數(shù)字校園管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LOD技術(shù)和動(dòng)態(tài)衡量啟發(fā)式的優(yōu)化算法，有效提升了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和尋路效率。通過該系統(tǒng)，用戶可以更全面且直觀地了解校園環(huán)境，為校園管理和對(duì)外宣傳提供了有力支持[5]。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

在國外，AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已受到廣泛關(guān)注。以美國AR內(nèi)容廠商Seek XR推出的新教育平臺(tái)Seek Education為例，該平臺(tái)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)交互式學(xué)習(xí)，涵蓋了解剖學(xué)、動(dòng)物學(xué)、藝術(shù)、生物學(xué)、歷史、物理科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[6]。通過該平臺(tái)，學(xué)生可以更加直觀、生動(dòng)地學(xué)習(xí)各種知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果。盡管國內(nèi)外在AR校園應(yīng)用方面取得了顯著成果，但在虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面仍存在一些挑戰(zhàn)，例如如何保證AR校園系統(tǒng)的交互性和沉浸感。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)元素及場(chǎng)景制作

基于AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的校園地圖搭建是一個(gè)融合先進(jìn)科技與用戶體驗(yàn)的創(chuàng)新過程，不僅提供了更直觀和便捷的導(dǎo)航方式，三維建模和UI交互等方面也是實(shí)現(xiàn)地圖功能的重要基礎(chǔ)。

2.1 模型的制作

在AR校園地圖制作中，三維建模技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，能將校園內(nèi)的建筑物及其他關(guān)鍵元素以高精度的三維形式展現(xiàn)給用戶[7]。這項(xiàng)技術(shù)不僅顯著提升了地圖的視覺效果，使用戶能直觀理解校園的整體布局，還通過增強(qiáng)沉浸感和交互體驗(yàn)，極大地提高了用戶的使用滿意度。在進(jìn)行校園3D模型制作時(shí)，專業(yè)建模軟件如Cinema 4D（C4D） 和3D Studio Max （3DS Max） 等被廣泛采用。制作團(tuán)隊(duì)會(huì)參照詳細(xì)的校園地圖，按照實(shí)際比例尺創(chuàng)建建筑物的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。精確捕捉和展示細(xì)節(jié)（如門窗、樓梯、房檐及任何可能影響模型完整性的建筑缺口）至關(guān)重要。制作團(tuán)隊(duì)關(guān)注模型的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過控制面數(shù)以保持幾何結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，確保模型的精度和性能。通過多角度觀察模型，團(tuán)隊(duì)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修正潛在問題，確保模型在后期優(yōu)化和渲染過程中表現(xiàn)最佳效果。在模型制作的最后階段，紋理和材質(zhì)的選擇尤為重要。制作團(tuán)隊(duì)參考拍攝的真實(shí)照片，對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)的紋理貼圖和材質(zhì)設(shè)置，提升模型的真實(shí)感和質(zhì)感。這一過程不僅需要專業(yè)技能，還需要對(duì)材質(zhì)特性和光影效果有深入理解。通過精細(xì)的模型設(shè)計(jì)和制作，能夠?yàn)橛脩魩砀鎸?shí)、直觀和沉浸式的校園導(dǎo)航體驗(yàn)（如圖1） 。

2.2 UI 的制作

在UI交互設(shè)計(jì)方面，AR校園地圖的制作特別關(guān)注用戶體驗(yàn)和易用性。通過精心設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔明了的用戶界面以及豐富的交互功能，為用戶提供高效且愉悅的導(dǎo)航體驗(yàn)。用戶能夠通過觸摸、滑動(dòng)等直觀的手勢(shì)操作輕松瀏覽地圖、查詢地點(diǎn)信息，并規(guī)劃個(gè)性化的路線。此外，本研究中的AR校園地圖還集成了實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能，用戶可依據(jù)動(dòng)態(tài)更新的導(dǎo)航箭頭迅速而準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

在制作過程中，首先需要明確AR交互作品的目標(biāo)功能，確保UI設(shè)計(jì)能夠充分滿足這些功能需求。接著，利用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建圖標(biāo)、動(dòng)畫效果等視覺元素，確保UI設(shè)計(jì)既符合人機(jī)交互的原則，又具備良好的視覺效果。在開發(fā)階段，進(jìn)行嚴(yán)格的功能性測(cè)試，以確保UI的穩(wěn)定性和流暢性，為用戶提供無縫的交互體驗(yàn)[8]。

為了進(jìn)一步提升AR校園地圖的沉浸感和用戶體驗(yàn)，本研究引入了科技風(fēng)格的UI界面和同態(tài)的特效設(shè)計(jì)（如圖2） 。這些設(shè)計(jì)元素不僅使用戶界面更加清晰易用，還為用戶帶來了更加舒適和便捷的操作體驗(yàn)。此外，通過先進(jìn)的AR算法和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，本研究?jī)?yōu)化了虛擬元素在真實(shí)環(huán)境中的定位和渲染，減少了不必要的重復(fù)和干擾，使虛擬元素能夠更自然地融入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，從而提高了用戶的沉浸感和滿意度。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅為AR校園地圖的制作提供了有力支持，也為未來的AR交互設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。

3 場(chǎng)景的搭建

Unity3D作為一款跨平臺(tái)的游戲引擎，不僅適用于游戲開發(fā)，還廣泛應(yīng)用于AR應(yīng)用的開發(fā)。本次AR 地圖設(shè)計(jì)通過Unity3D中的Vuforia插件進(jìn)行制作，實(shí)現(xiàn)了平面目標(biāo)識(shí)別、視頻播放、導(dǎo)航功能等，最終構(gòu)建了AR應(yīng)用（如圖3所示）。

為了更好地幫助用戶了解校園，設(shè)計(jì)中使用制作的地圖作為基底，將校園建筑模型按實(shí)際位置添加，使用戶在使用過程中更加方便（如圖4所示）。本次設(shè)計(jì)使用Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)進(jìn)行AR掃描的背景制作。首先，將制作好的AR 掃描背景文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中以搭建AR場(chǎng)景。通過設(shè)置ImageTarget來識(shí)別平面目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖片瀏覽和視頻播放功能。其次，將視頻播放器對(duì)象作為子對(duì)象添加到物理對(duì)象上，以確保在Vuforia追蹤時(shí)保持一致。最后，編寫腳本控制視頻的播放、暫停和停止等操作，使用C#語言進(jìn)行腳本編寫。最終在Unity中進(jìn)行測(cè)試，確保平面目標(biāo)識(shí)別、視頻播放等功能正常工作[9]。

3.1 AR 地圖導(dǎo)航功能

1） 觸屏功能。AR地圖導(dǎo)航功能旨在幫助用戶找到建筑所在位置和路線。需要添加觸摸屏幕的功能，利用觸摸屏幕對(duì)AR場(chǎng)景發(fā)射射線觸碰感應(yīng)物體的原理。使用射線生成算法，根據(jù)用戶觸摸屏幕的位置，系統(tǒng)需要計(jì)算出射線的起點(diǎn)和方向[7]。然后，使用碰撞檢測(cè)算法確定射線是否與場(chǎng)景中的物體相交。這通常涉及計(jì)算射線與場(chǎng)景中每個(gè)物體的交點(diǎn)，并判斷這些交點(diǎn)是否在物體內(nèi)部。對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景和物體，可能需要使用更高效的碰撞檢測(cè)算法，如空間劃分法或?qū)哟伟鼑蟹ā榱颂岣呱渚€投射的精度，系統(tǒng)可能需要使用高分辨率的觸摸屏幕和精確的傳感器數(shù)據(jù)。此外，還可以使用一些優(yōu)化技術(shù)來減少射線投射的計(jì)算量，如使用近似算法或預(yù)先計(jì)算射線與物體的交點(diǎn)（如圖5所示）。

2） 場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)功能。將地圖放在場(chǎng)景一中，其他建筑在場(chǎng)景二。用戶可以通過開始掃描進(jìn)入場(chǎng)景二以查看建筑細(xì)節(jié)，因此需要場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)的代碼進(jìn)行配合。

3） 掃描界面功能。通過單獨(dú)建筑的掃描進(jìn)行建筑的三維模型展示（如圖6所示）。

4） 縮放控制功能。用戶在查看建筑時(shí)可以對(duì)建筑進(jìn)行放大和縮小以及點(diǎn)擊和旋轉(zhuǎn)。在放大縮小時(shí)，記錄兩根手指剛接觸屏幕的坐標(biāo)，并獲取手指移動(dòng)的坐標(biāo)，利用勾股定理計(jì)算和對(duì)比前后的距離，距離大則放大，距離小則縮?。ㄈ鐖D7所示）。

5） 模型選擇控制。在模型旋轉(zhuǎn)時(shí)需要注意速度，過快或過慢都會(huì)影響用戶體驗(yàn)，還要注意旋轉(zhuǎn)的中心坐標(biāo)，否則可能出現(xiàn)模型亂飛的情況。

3.2 交互功能完善與擴(kuò)展

在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 技術(shù)的地圖研究和應(yīng)用的后期制作階段，完善和擴(kuò)展交互功能是提高用戶體驗(yàn)和便利性的關(guān)鍵。虛擬地圖中，多媒體信息如圖片、音頻、視頻能夠產(chǎn)生三維模型所不能提供的效果，而交互則是模擬現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為用戶提供良好的體驗(yàn)。通過優(yōu)化現(xiàn)有交互功能，增加新的交互場(chǎng)景，旨在為用戶提供更豐富、更無縫的地圖體驗(yàn)?，F(xiàn)有的導(dǎo)航功能將得到改進(jìn)。AR交互界面設(shè)計(jì)的創(chuàng)新為用戶提供了便捷、個(gè)性化的服務(wù)和體驗(yàn)。通過Unity3D的動(dòng)畫系統(tǒng)制作從校門到各個(gè)建筑的導(dǎo)航動(dòng)畫，并為每個(gè)建筑添加坐標(biāo)和名稱動(dòng)畫，為用戶提供更準(zhǔn)確、更快捷的路線規(guī)劃，讓用戶更輕松地找到目的地（如圖8所示）。

3.3 跨平臺(tái)適配與兼容性測(cè)試

在基于AR技術(shù)的校園地圖研究和應(yīng)用的后期階段，跨平臺(tái)適配和兼容性測(cè)試是確保應(yīng)用能夠在多種設(shè)備和操作系統(tǒng)上流暢運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。優(yōu)化跨平臺(tái)適應(yīng)性是后期制作的重點(diǎn)工作之一。由于設(shè)備和操作系統(tǒng)的差異，需要確保AR校園地圖在跨平臺(tái)上提供一致且出色的用戶體驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要調(diào)整和優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備（例如手機(jī)和平板電腦），包括調(diào)整界面布局、優(yōu)化渲染性能以及適配不同的分辨率和屏幕尺寸，以確保用戶界面清晰美觀[10]。

兼容性測(cè)試是確保應(yīng)用穩(wěn)定性的重要步驟。AR 校園地圖經(jīng)過廣泛測(cè)試，確保與多個(gè)品牌（如HUAWEI、vivo、OPPO等手機(jī)品牌）、型號(hào)和操作系統(tǒng)的設(shè)備兼容。通過測(cè)試和優(yōu)化，成功解決了UI位置顯示錯(cuò)誤、AR掃描識(shí)別失敗和應(yīng)用程序無法安裝等問題。測(cè)試可以識(shí)別并解決潛在的兼容性問題，例如UI 界面位置顯示異常。這提高了AR校園地圖的穩(wěn)定性和可靠性，減少了用戶在使用過程中遇到的問題。在進(jìn)行跨平臺(tái)適配和兼容性測(cè)試時(shí)，還應(yīng)關(guān)注應(yīng)用程序的性能和資源消耗。優(yōu)化應(yīng)用執(zhí)行性能，降低延遲，保證用戶AR校園地圖體驗(yàn)流暢。

3.4 性能優(yōu)化與資源管理

性能優(yōu)化和資源管理是AR校園地圖研究和應(yīng)用后期制作階段的重要任務(wù)。為了應(yīng)對(duì)AR校園地圖的性能和資源消耗問題，采取了多個(gè)步驟來確保應(yīng)用程序正確運(yùn)行并有效地使用資源。一個(gè)應(yīng)用程序簡(jiǎn)潔直觀實(shí)用才是最重要的，用戶并不會(huì)喜歡過于復(fù)雜的操作。因此，專注于提高AR校園地圖的性能。優(yōu)化程序架構(gòu)和代碼邏輯，針對(duì)應(yīng)用中的關(guān)鍵算法（如路徑規(guī)劃算法、碰撞檢測(cè)算法等），進(jìn)行算法優(yōu)化和改進(jìn)，提高算法的執(zhí)行速度和準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)資源進(jìn)行智能管理，篩選并刪除測(cè)試版本遺留下來的視頻和圖片素材，減少不必要的內(nèi)存占用，保證AR校園地圖在長(zhǎng)期使用過程中穩(wěn)定高效地運(yùn)行。在后期處理過程中，對(duì)AR校園地圖功能的使用進(jìn)行了深入分析，對(duì)不必要的功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化和優(yōu)化。壓縮圖像并減少模型中的面數(shù)可以減少應(yīng)用程序的內(nèi)存使用量和內(nèi)存要求。

3.5 面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策

為了保證AR地圖的準(zhǔn)確性，必須收集和處理大量的校園空間數(shù)據(jù)，包括建筑物的詳細(xì)信息。這需要高效的數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)來確保準(zhǔn)確性和有效性。AR校園地圖需要良好的跨手機(jī)機(jī)型兼容性，因?yàn)槊總€(gè)品牌和型號(hào)對(duì)AR功能的支持和性能都有所不同。同時(shí)，還要優(yōu)化設(shè)備性能，降低資源消耗，保證運(yùn)行流暢?？梢酝ㄟ^擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集和處理能力，引進(jìn)現(xiàn)代化算法，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。優(yōu)化AR算法和渲染技術(shù)，降低設(shè)備性能要求，提高應(yīng)用流暢性和穩(wěn)定性。加強(qiáng)設(shè)備兼容性測(cè)試，確保AR校園地圖在多種設(shè)備和操作系統(tǒng)上可靠運(yùn)行。

4 總結(jié)與展望

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 技術(shù)的地圖研究與應(yīng)用為校園生活帶來了顯著變化。這項(xiàng)技術(shù)不僅提供了更加直觀、生動(dòng)的導(dǎo)航體驗(yàn)，還豐富了校園文化的表現(xiàn)形式，提高了智慧校園的整體水平。從AR環(huán)境的搭建、安卓應(yīng)用的打包，到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)3D地圖的設(shè)計(jì)制作，再到UI界面的設(shè)計(jì)和按鈕的開發(fā)，從拍攝校園建筑照片到進(jìn)行三維建模制作，以及底層代碼的搭建和UI按鈕之間的聯(lián)系，整個(gè)過程都在不斷優(yōu)化算法、提升性能、解決數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、設(shè)備兼容性和減小軟件內(nèi)存等技術(shù)問題，以為用戶提供流暢可靠的體驗(yàn)。

在應(yīng)用方面，AR地圖作為一種新型技術(shù)，受到用戶的廣泛歡迎。首先，它可以幫助新生快速熟悉校園環(huán)境，找到他們需要去的地方，如教學(xué)樓、食堂、圖書館等。對(duì)于訪客而言，這也是一種便利，可以更輕松地探索校園。此外，3D地圖能夠提供更直觀的信息，比如建筑物外觀和周圍環(huán)境，幫助用戶更好地規(guī)劃行動(dòng)路線。對(duì)于用戶來說，3D地圖是一種便捷、直觀的導(dǎo)航工具，能夠幫助他們更好地利用校園資源。AR 地圖顯著提高了校園導(dǎo)航的易用性和準(zhǔn)確性。

在同類院校中設(shè)計(jì)與應(yīng)用AR地圖技術(shù)時(shí)，應(yīng)注重在圖像識(shí)別、實(shí)時(shí)渲染和交互體驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)方面的使用。例如，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的準(zhǔn)確識(shí)別和地圖構(gòu)建的穩(wěn)定性，需要更先進(jìn)的技術(shù)支持。AR地圖需要大量高質(zhì)量的道路數(shù)據(jù)來支持其運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集需要持續(xù)投入人力物力以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和覆蓋范圍。此外，如何處理復(fù)雜建筑物、樹木等障礙物對(duì)AR地圖的影響也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

隨著AR地圖技術(shù)的發(fā)展，用戶隱私保護(hù)成了一個(gè)重要問題。如何在使用AR地圖的同時(shí)保護(hù)用戶的隱私信息，避免數(shù)據(jù)被濫用，是開發(fā)者和相關(guān)機(jī)構(gòu)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。盡管AR地圖為用戶帶來了全新的導(dǎo)航體驗(yàn)，但如何進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，提高響應(yīng)速度、減少誤導(dǎo)、增加個(gè)性化推薦等，都是AR地圖需要解決的問題。