基于增强现实技术的互动3D地图设计和应用研究

罗增安，吴云

(广东理工学院，广东 肇庆 526000)

引言

自2015年以来增强现实技术和虚拟现实技术的科研探索和商业探索不断前行，AR实景导航也成功商业化，本文将探索解决区域性封闭管理的校园互动地图问题，用直观的地图内容帮助新学员快速属性各大楼的外观和属性。加强学员与地图之间的互动性以及趣味性，同时能快速找到目的地。

1 基于增强现实技术的互动3D地图研究必要性

1.1 研究目的

尝试思考利用增强现实技术让虚拟标识或者物体与现实融合以此来达到新的使用体验。一方面,这种AR地图的设计展现形式新颖，既能培养旅游者观看地图的兴趣，掌握地图中所传达的风景名胜的地理位置和特色优势，让他们在玩中享受知识带来的魅力，又能激发人们的好奇心，展开丰富的想象力。另一方面，消费者对于地图的使用需求不仅仅停留在二维空间，结合增强现实技术使地图虚实结合，不仅让消费者有更加方便快捷的指引体验，交互性能让使用过程变得灵活，满足使用者自我操控自我指引的自控成就感。

增强现实与地图的结合在一定程度上弥补了两者的缺陷，这种设计不仅可以提高快速识别地图的效率，还可以丰富地图表现形式的多样性，有些纸质地图无法表达的东西可以通过增强现实技术完善，增强旅游者与地图之间的互动性以及趣味性，同时能快速找到目的地，迎合了快速发展的互联网时代的需求。在未来其应用价值会逐渐得到体现，也会逐渐被更多的旅游者所接受。它的实用性和便捷性逐渐会被人们发现，为不同的旅游者提供不同凡响的交互式旅游观光体验。

1.2 本项目研究意义

AR即Augmented Reality。1990年增强现实技术被提出来，一种实时地计算摄影机影像的角度和位置并且加上一些图像的相关技术。增强现实技术具有如下几个特点:第一，真实世界和虚拟物体的融合。虚实结合的效果也决定了增强现实的体验。比如虚拟物体的投影是否符合现实世界的光影角度，现实世界的环境对虚拟物体是否产生影响，这是整个项目的难点。增强现实技术不同于虚拟现实技术，它使对现实世界的增强。第二，具有实时交互性。这点也是AR技术的精髓所在，实时交互是指用户能够通过电子设备的操控来得到反馈的信息。第三，三维空间中增添定位图像。这种图像可以包括三维的物体，平面的物体。虚拟物体的出现，出现在哪里都有此识别图像来觉得，因此识别图像具有高反差高对比的特点。这些独特的优势赋予了增强现实技术在商业领域具有广阔的市场价值。识别图像如产生位移虚拟图像也会随之变化，以此来达到虚拟的图像与真实世界的信息完美契合。

1.3 学术价值

该课题将充实现有的理论文献，可以为基于增强现实技术的相关文献提供一些或者某方面的参考依据。近几年来,增强现实技术用于社会各个领域并取得了一定的商业效益，然而科研工作者仍然在积极探索增强现实技术与各行各业的合作可能性，各研究领域相互渗透，跨专业合作将是未来科研课题的大趋势，相互切磋，跨学科融合发展成为未来各领域的趋势。例如，5G时代的到来，带来的不仅仅是宽带下载速度，带来的是万物互联的契机，嗅觉灵敏的互联网巨头早就在布局未来互联互通的科技场景。然而5G与增强现实的结合能创造出多少科研课题和商业契机。5G只是各种风口中的一个，大数据，云计算，物联网，人工智能等等，每一个风口都可以思考如何与增强现实技术巧妙的协同，其中蕴含着无穷的科研课题。增强现实不再是陌生的技术，它已经渗透到了大众的生活。如智能手机应用、AR导航、游戏的应用等方面的应用向大众展示了这么技术的强大魅力和这么技术的广阔前景。

2 基于增强现实技术的互动3D地图研究现状

增强现实技术在、军事、教育、建筑、工程、医疗、影视、娱乐等领域得到了广泛的运用并且达到了很好的效果。交互性作为增强现实衍生产品的精髓，解决了大部分无法在现实中完成的实验与论证，为各领域带来了全新的思维方式。

2.1 国外研究现状

AR增强现实技术，最早可以追溯到上1958年，英国皇家海军在德国空军和美国海军的研究基础上改进了技术，创造出第一台基于计算机的HUD抬头显示设备，并首次将其装载到战机攻击机上；此后的AR技术一直在改进和研发，主要在军事和航空领域；直到2000年，AR技术才运用在游戏中，一款户外AR游戏；2005年，第一款以手机为载体的AR 游戏诞生；2013年，Google 发布了AR眼镜“Google Glass”总体来说不管是游戏领域，医疗领域，军事领域，航空航天领域影视娱乐等领域国外属于引领地位。不管是增强现实还是虚拟现实在国外都开发得比较早。

2.2 国内研究现状

增强现实在中国处于起步发展阶段，开发者们以用户的需求为出发点开发出AR产品，使这产品顺应时代发展潮流，得到了用户的好评。随着移动设备硬件的升级，包括智能手机,平板电脑,智能穿戴设备的广泛使用,为增强现实技术在各领域的运用提供了硬件基础。

在导航领域国内知名导航软件就属高德地图和百度地图了，由于汽车一般车速较快，对地图使用习惯不佳的用户通常会错过路口，尤其是在高速的匝道路口，很多车祸都是由于车主没有及时理解导航的指引，地图有时候播报也稍有延迟，等用户反应过来就已经错过了路口。针对这些问题，高德地图推出AR实景导航，可为用户带来更直观导航指引，导航精确到车道，在即将进入匝道时会提醒提前变道。大幅降低驾驶人对传统二维地图的反应时间，辅助用户在必要时更快更准确地做动作判断。

在游戏领域科技巨头腾讯也有涉足，在电视媒体领域，中央电视台2013年春晚在电视呈现上大量AR技术的虚拟画面,使电视机前的观众眼前一亮，这种技术在老百姓眼里还是很稀奇的，而这些内容晚会现场的观众是完全看不到的。国内AR技术在各领域的运用逐渐加快，商业上也取得了一些成果。

3 基于增强现实技术的互动3D地图制作解析

3.1 本项目研究的难点

通过调研增强现实的技术难点，根据增强现实技术的原理分析得出AR技术在互动3D地图设计应用中有以下几个难点：首先，跟踪注册技术，由于虚拟物体的出现必然要以现实世界中的识别物体作为标的物，根据识别物体的位置形状信息觉得其呈现形式与时间。其次，虚拟物体生成技术，虚拟物体的呈现是对虚实显示质量和效果的要求，实现虚拟信息与真实世界在光影角度环境遮挡等方面合理融合。第三，成像技术。虚拟场景与真实世界完美融合使增强现实技术的核心。虚实结合的效果也决定了AR产品的视觉体验。比如虚拟物体的投影是否符合现实世界的光影角度，现实世界的环境对虚拟物体是否产生影响。理清两者结合的技术思路，逐一分解难点。

3.2 本项目研究的创新点

通过大量文献参考和案例分析，得出增强现实与地图结合的可行性必要性，对文化传播而言是一种全新的形式，他们的结合使地图的展示以及指引效果变得更加立体化、多样化，更加具有趣味性，展现了城市的建筑特色，迎合了快速发展的互联网时代的需求。AR与VR两者都是沉浸式的技术。虚拟现实技术使完全的沉浸在虚拟的世界里。一般需要借助现实头盔来体验，但现在的技术戴上显示头盔会产生晕眩感，这个问题也在被研发人员被克服。而增强现实技术则是将虚拟物体融合到现实空间。这就觉得它更容易被商业化，它可以改变人类的生活方式,科幻大片中的隔空操作，悬浮现实不再是想象，很快将会出现在人们生活之中。

3.3 设计构想

现在的校园或者建筑密集的某些封闭式区域，一般这种封闭式区域，有共同的特点：区域面积较大，大楼设计和外观相差不大，识别度不高，道路不规则。一般大一新同学刚入校园通过手机导航无法帮助快速找到自己的目的建筑。比如大学校园，从大学校园地图来看宿舍楼或教学楼都是一排一排建的，从外观和内部结构设计上都是一样的，新同学要熟悉校园每一栋楼的编号至少需要几个月的时间适应。基于增强现实的互动3D地图就科研完美解决这个问题。地图是平面的，地图上的每一个建筑的图标都可以作为增强现实虚拟楼栋的识别图，通过手机打开摄像头，扫描地图上某一栋楼的识别图标，图标上立即出现大楼的虚拟模型，模型是经过精心绘制的，在外观和结构上对应了识别图指示的大楼。通过增强现实技术将教学大楼的实体模型展示在纸质地图上方，大楼外观一目了然，大楼出现还可以设计柔和的生成动画，这样新同学既可以快速找到自己的教学楼，还可以通过操控屏幕旋转和缩放大楼模型全方位的了解大楼的外观。这种交互式AR地图比如会成为新同学讨论的对象，也对同学们的交流提供了不错的话题。这种互动地图更多的是提供一个快速了解校园建筑外观与建筑位置的平台，在导航上面没有数据支持。以下基于这种校园互动地图制作简要解析。

3.3.1 校园地图的制作

每一个大学校园都有相应的地图，但用与制作互动地图的要有所不同。主要体现在如下几点。第一，需要识别图在黑白信息或者在颜色信息上要有很强烈的对比，这样才能快速识别；第二，由于一张地图上有很多识别图组成，识别图在外观上不能雷同，每一个识别图对应它本身的模型。第三，相邻的识别图最好在颜色上区别开。识别图的绘制需要注意这些问题。

3.3.2 三维模型的制作

三维模型的制作，常用软件有3D SMAX或者MAYA，先用软件制作一个低模，也就是面数控制的比较少的模型，低模可以降低终端在使用过程的计算速度，使体验更加流畅。将低模细分成高精度模型，烘焙出Normal法线贴图和 Diffuse漫反射贴图，这是在三维制作中常用的手段，使用低模得到高模的显示精度，根据需要还可以导出其他类型的贴图来增加模型的细节与质感。并为模型制作出画动画，使地图更加具有交互性，然后使用photoshope绘制好贴图。最终模型达到预期效果后导出模型和贴图打包成一个压缩包用于导入到增强现实制作软件中。

3.3.3 音频资源的制作

音频制作主要根据项目的实际需要来决定录制内容，录制软件也比较多，比如Adobe Audition，录制后经过专业的软件调试混音等程序即可导出使用。也可以在互联网下载相关音频。音频根据需要一般分为背景音，每一栋楼的学名录制，解说独白，此楼的功能历史等等。

3.3.4 应用程序技术实现

本项目使用的是Web端的制作软件睿视AR。软件界面简洁操作简单，将制作好的识别图和模型压缩包以及音频通过AR软件整合好，导出后即可使用移动终端来体验，体验流程第一步需要下载睿视AR，第二步通过APP来扫描项目后台程序的二维码，加载完后台数据后，第三步即可扫描识别图与模型交互。

4 总结

5G时代的到来不仅使网络速度有了质的提升，更重要的是为万物互联提供了基础，万物互联，大数据，云计算等每一项技术都为以后的智能生活提供了想象空间。未来只有你想不到没有科技所不能触及的。未来的生活也许不再需要使用导航，一句话的事，汽车就把你送到目的地。AR技术一般应用于广告营销、导览、导航、导游、导购这五个场景。伴随5G技术的成熟，各行各业悄然巨变，5G正在加速出行行业向数字化、网络智能化的服务、管理、监管全面升级。