基于增強現實技術的移動端旅游導覽系統設計與實現

邸臻煒 唐靜 譚潔霞

摘 要：文章將紙質導覽圖與移動端旅游導覽相結合，設計了基于 AR 技術的移動端旅游導覽系統。該系統以 AR技術重現歷史場景、以多媒體技術表現歷史人文、利用 Unity3D 搭建應用場景、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，從而完成增強現實移動端旅游導覽系統的開發。

關鍵詞：增強現實技術;旅游導覽系統：數字文旅

中圖法分類號：TP399 文獻標識碼：A

隨著智能終端技術、網絡技術的發展，以及手機導航、旅游ＡＰＰ 的應用，傳統紙質的旅游導覽圖取閱率越來越低，但各旅游機構卻從未放棄這塊陣地。由于紙質宣傳品具有信息宏觀完整、適用人群廣、輕便易攜帶的優勢［１］ 。因此，目前的各類旅游電子應用還難以完全代替傳統紙質宣傳品。而將增強現實技術應用于紙質旅游導覽圖是一種有效的方式，既能繼續發揮紙質導覽圖的先天優勢，又能增強其表達多樣化及交互性，使紙質導覽圖煥發生機活力［２］ 。

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

１ 需求分析

１．１ 用戶需求

本系統包含紙質導覽圖及ＡＰＰ 應用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注紙質導覽圖。此外，快節奏的生活使人們需要更便利、更直觀的旅游導覽，增強現實技術擯棄了人與真實場景完全隔離的傳統電子設備操作，更符合人們日常使用習慣。

１．２ 性能需求

（１）保證功能完整。能調用用戶攝像頭，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）系統運行流暢。系統加載速度、響應時間合理，能較快識別標識圖，三維模型縮放旋轉無卡頓。

（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 設計需求

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

２ 系統開發與實現

２．１ 創建三維虛擬模型

本文主要以增強現實技術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。系統選用３ｄｓ ＭＡＸ 進行建模，主要過程如下。

首先，收集圖像數據，拍照測量景區地標建筑細節。

其次，應用圖像處理軟件對拍攝的照片進行剪裁、拉伸旋轉、調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，完成模型的創建。

最后，根據實際情況使用軟件自帶材質或景區照片紋理完成貼圖。

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，在建模過程中還應對模型進行優化。本文主要應用了以下幾種方式：

（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量。

（２）優化壓縮面。球體、圓柱體的使用是導致數據量大的原因之一，移動設備屏幕較小，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）優化紋理貼圖。文本主要通過紋理Ａｄｖａｎｃｅ面板調整參數，在合理情況下將貼圖的大小調整為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；大場景貼圖紋理采樣使用ｍｉｐｍａｐ 提高紋理采樣的效率；使用同一材質的物體采用批處理方式［４］ 。

２．２ 圖像獲取模塊

系統運行后首先調用設備攝像頭獲取真實場景圖像。本系統主要通過Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 和Ａｎｄｒｏｉｄ 通信以及調用函數完成攝像頭的調用并取得拍攝圖像。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 類實現攝像頭捕捉數據。由于拍攝圖像會受光照等自然環境影響，還應對圖像的亮度、飽和度進行調整［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。云端匹配的優點是可匹配數據量大，但受網絡狀態影響且消耗數據流量大，不適用于旅游。本地匹配方式數據量小、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和標識物信息，以計算虛實場景的坐標轉換關系。跟蹤可采用ＡＲ 引擎的ＩｍａｇｅＴｒａｃｋｅｒ 跟蹤組件來完成，實現過程如圖２ 所示。

２．４ Ｍａｒｋｅｒ 預設

首先用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 等圖像處理軟件設計制作旅游導覽圖，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的三維模型或多媒體資源，將腳本Ｎａｍｅ 屬性設為標識圖的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。模塊流程如圖３ 所示。

（１）觸屏控制功能的實現。

針對觸屏控制，Ｕｎｉｔｙ 的ＡＰＩ 中提供了Ｔｏｕｃｈ 類。每一次觸屏操作系統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，具體執行流程如圖４ 所示。

（２）平移功能的實現。

平移功能的實現一般有２ 種方式：一是給模型設置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，但代碼量大內存占用率高。本文采用ＥａｓｙＴｏｕｃｈ 插件，編寫Ｍｏｖｅ．ｃｓ 腳本，實現平移功能。

（３）脫卡功能的實現。

正常情況下當攝像頭離開Ｍａｒｋｅｒ，對應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 繼續顯示即稱為脫卡。

本文的脫卡解決方案是：在Ａｕｇｍｅｎｔｅｒ 中創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 下創建空模型；當Ｔａｒｇｅｔ為ｔｒｕｅ 時正常跟蹤配準。

３ 結束語

目標檢測測試用例、增強信息測試用例的結果表明：系統功能基本達到需求。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，系統運行較流暢。但在測試中也發現一些問題：

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

（２）電量消耗明顯。某品牌手機使用本文增強現實系統３ 分鐘耗電量４９ 毫安，達到應用總耗電量的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設計及實現［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的用戶認知分析［Ｊ］．藝術與設計（理論），２０１９，２（８）：５８?６０．

［３］ 李嘉?。旌犀F實技術在博物館導覽系統中的應用研究［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實導覽系統的構建［Ｊ］．廈門理工學院學報，２０２２，３０（３）：４８?５５．

［５］ 王凌云，陳亮． 增強現實空間關系及其關鍵技術探討［Ｊ］．電腦知識與技術，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。