基于AR技术的山洪灾害交互式宣传系统设计与应用研究

杨培生，邵美兰，许小华，肖磊，付佳伟

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.江西建设职业技术学院，江西 南昌，330200）

0 前言

经过多年的山洪灾害防治项目建设，江西省山洪灾害防治宣传事业得到长足发展，社会效益显著[1]。但在高科技快速发展背景下，目前山洪灾害防治宣传方式还主要以传统的宣传标语、图文、展板等为主，形式不够新颖、吸引力不强、科技含量不高等问题突出，在一定程度上限制了山洪灾害防治宣传工作更好的发展。

当前，增强现实技术得到了快速应用和发展，该技术通过屏幕把虚拟世界融合在现实世界并进行互动，用户可以透过屏幕看到叠加在真实世界之上的虚拟对象，具有较强的交互性和娱乐型，目前在宣传领域已有较多应用[2]。目前AR技术应用于山洪灾害防治宣传仍是空白，本研究通过在手机上使用AR技术应用于山洪灾害防治知识宣传和监测预警等非工程防治措施科普教育。以立体图像结合语音的方式，动态的展现山洪灾害危害及特点、如何预警、避灾和防灾等特殊场景，可给用户带来更形象、更丰富的立体体验[3]，从而达到更好的山洪灾害防治宣传效果。

1 增强现实技术概述

增强现实（Augmented Reality,AR）技术，是指将计算机生成的虚拟物体或信息叠加到真实场景中，从而达到超越现实的感官体验。AR技术的实现步骤如图1所示，主要是先通过摄像头采集实景，之后将采集到的实景数字化成图像，然后通过特征点检测、匹配等一系列技术找到识别标识物，以此为参考找出需要生成的动画在AR环境中处于何种位置或方向，并确定提前存入手机中的标识图的位置[4]。最后，通过手机传感器感知环境的光照情况，并以此为依据调整虚拟物体的亮度、材质和阴影，使其达到更为逼真的效果，动画必须和识别图位置保持一致才能达到融合效果。

图1 AR技术实现步骤

增强现实的概念诞生于20世纪90年代，最先从国外开始进入人们的视野。随着移动技术的发展、智能手机的普及，为AR技术在各行业中广泛应用提供了扎实的基础。目前，国内已经有若干AR技术应用的综述研究。其中，齐立森[5]等从信息获取、三维导航与游戏场景、虚拟仿真、互动教学等方面详细阐述了AR技术在教育行业中的应用；张宏[6]等认为应用AR技术开展水利科普资源建设十分必要，并列举了在水利科普资源建设中的应用案例；胡智标[7]等认为AR宣传能够创新宣传模式，给用户提供沉浸式学习环境，从而实现情景化学习；王璞[8]详细分析了移动AR技术在图书馆中的应用前景，认为AR具有较强的实用性、可行性和广泛的应用前景；汪存友[9]等对已有的增强现实教育相关产品进行研究，认为基于AR现实的教育宣传应用新产品具有功能多样化、触屏交互、可达性与普及度提高等新特点。

2 AR技术用于山洪灾害防治宣传的优势分析

山洪灾害防治宣传作为山洪灾害群测群防体系最前端、最重要的一个环节，做好山洪灾害防治宣传工作显得尤为重要[10]。AR技术用于山洪灾害防治宣传具有如下优势：

（1）符合信息化时代的发展理念。随着高新技术的飞速发展，新兴的增强现实技术逐渐走进大众视野，该技术也通过实践应用到各个领域，各种AR交互式的系统研究逐渐成为热点被大众所关注，其中AR交互式宣传系统也是研究的重点[11]。增强现实技术作为一项热门的高新科技应用于山洪灾害防治宣传，能够提高宣传的创新性和科技含量，为公众带来一款喜闻乐见的山洪灾害防治宣传作品。

（2）增强宣传的互动性、趣味性、体验感。传统的山洪灾害防治宣传多以发放宣传册、张贴画报、开展培训、媒体报道等形式开展，宣传效果不佳，公众对此已经习以为常，对获取知识的方式觉得枯燥乏味，失去了学习知识的动力。增强现实将虚拟对象融合到真实世界，把知识以一种形象、生动、具体的形式呈现给用户，让用户体验到视觉听觉一体化的感知效果，从而大大增强了宣传的互动性、趣味性和体验感。

（3）驱动山洪灾害宣传知识传播与发展。增强现实可以利用其强大的虚实融合功能，将虚拟对象、文字、图像、三维立体、全景信息、视频、三维动画、音频等复杂的物体、信息、流程等叠加到现实中，为公众创造一个真实地观察、操作的实践场景，这种真实的体验感会极大地激发公众学习知识的兴趣，有利于更好的理解知识，增加记忆[12]；另一方面，随着增强现实在移动设备上的广泛应用，借助高速发展的互联网，公众可以摆脱时间和空间的限制，随时随地、快速准确地获取直观、形象的知识[9]。这在一定程度上驱动了山洪灾害宣传知识的传播与发展。

3 关键技术及实现流程

3.1 基于图像的三维建模关键技术

传统的基于几何的建模技术虽日益改进，但构建稍复杂的场景的三维模型仍十分耗时，甚至难以建模，且所建模型的逼真度较低，而基于图像的建模技术因具有成本低廉、使用方便、逼真度高等优点，近些年已经逐渐成为计算机视觉和计算机图形学领域的一个新的研究热点。

通过图像建立模型来生成虚拟场景是一个很好的方法，应用该方法需要了解建模中的关键技术，即全景图像生成技术。全景图像生成技术是一种基于图像绘制技术生成真实感图形的VR技术，其主要包括图像获取技术、图像投影技术、图像拼接技术、图像显示技术。图像获取后，得到有重叠区域的待匹配图像；对不同坐标的每幅图像建立统一的投影模型，进行图像拼接融合；经过拼接融合后形成全景图像；建立统一的投影模型与图像显示模型相对应。即通过图像建立模型的方法是：先获取客观世界的图像，然后通过图像投影构建全景图像，全景图像通过图像投影变换后生成全景图像显示模型。以本系统需要用到的房屋为例，基于图像的建模前后对照如图2所示。

图2 基于图像的建模前后对照图

3.2 实现流程

增强现实技术的目的在于达到真实的体验和自然的交互，基于AR的山洪灾害交互式宣传系统实现流程具体如下：①虚拟场景经过3D建模与渲染，存储在虚拟对象数据库中；②周围的现实场景通过图像输入设备记录在相应的计算与存储设备中；③用户借助交互设备与物理环境中的虚拟对象进行交互，同时AR设备利用跟踪定位技术实时检测用户的位置，视域方向、手势及运动情况，帮助系统向用户提供合适的虚拟对象；④依托虚拟现实融合技术，准确的配准真实世界和虚拟世界，实现遮挡、阴影和光照的一致性，同时实现自然交互；⑤计算与存储设备将精准匹配的图像、动作等信息经由一定的显示设备处理后显示出来，如图3所示。总之，增强现实技术体系主要由3D建模、用户交互、追踪定位和系统显示四大类技术相配合，共同呈现给用户一个“虚实结合”的增强现实世界[13]。

图3 增强现实系统关键技术及实现流程

4 系统设计与实现

4.1 系统服务对象分析

山洪灾害交互式宣传系统主要服务对象有以下4类：一是需普及山洪灾害防范知识的群众；二是所在地区经常发生泥石流、洪水、暴雨等天气的特殊人群；三是水利和防灾等相关管理部门人员；四是中小学学生群体。

4.2 系统设计

4.2.1 总体框架设计

通过AR技术把防灾减灾的现实环境构成虚拟场景，并植入到手机APP中，利用专业引擎去与GPU互换数据，并通过 METAL、OpenGL ES2、OpenGL ES3 接口去动态渲染模拟光源[14]，并将模型表面贴图虚拟真实化。系统总体框架设计如图4所示。

图4 系统总体框架图

4.2.2 AR场景设计

为使AR系统宣传的内容易于4类服务对象接受，本次设计的场景内容为山洪灾害防治基本知识，具体包括什么是山洪灾害、江西省山洪灾害特点等7种场景，详见图5中所列。

图5 “AR 普通模式”功能模块

4.3 系统实现

在山洪灾害交互式宣传系统中，用户可使用AR功能，在APP观看山洪灾害防治相关知识，并且该功能具有交互性，可以实现模型旋转、汛宝讲解等交互功能。具体功能模块如下：

（1）AR普通模式。选择“AR普通模式”，进入选择目录，可分别点击相应的目录按键进入想观看的内容，内容为视频形式呈现，讲解宣传册上山洪灾害防范自救知识。

（2）AR识别模式。AR识别模式的基本功能是：当用户使用移动电话相机对准特定标志物时，在上传所收集到的图像信息后，通过算法提取识别图像中的信息，然后再利用服务器的高速计算能力进行特征匹配以显示与该标志物相对应的山洪灾害防治知识，从而提高了学习的可视化效果，增加了用户学习山洪灾害相关知识的趣味性。

图6 AR识别模式

以其中一个模块“山洪来临前，如何获取预警信息”为例，当用户扫描“山洪来临前，如何获取预警信息”所对应的图片，会出现吉祥物“汛宝”，吉祥物讲解时右方会边出现模型物件，当吉祥物讲解到门户网站、广播、电视、报刊、短信、微信等方式发布信息的时候，出现相应的微信等对应的照片；当吉祥物讲解到入户预警器、雨量报警器、广播、手摇报警器、铜锣、口哨等时，吉祥物右手上空承托浮现以上三维模型。最后吉祥物会介绍常用的紧急救援电话。

图7 汛宝介绍洪来临前，如何获取预警信息

5 应用效果分析

为评估基于AR技术的山洪灾害交互式宣传系统的应用效果，本研究通过事后问卷调查法对4类系统服务对象进行了效果评估，共收集到82张反馈的调查问卷，根据问卷结果，将对应的评估指标分数化，统计每项指标的平均值得到基于AR技术的山洪灾害交互式宣传系统的应用效果，如表1所示。

表1 应用效果调查统计表（满分均为10分）

总体来看，基于AR技术的山洪灾害交互式宣传系统很有应用价值、使用舒适度较高；针对山洪灾害频发的山区，由于老年人相对较多，对新型技术接受能力相对较差，导致易用性较低。

6 结论

增强现实是将真实世界与虚拟世界结合在一起研究的新型领域，在众多行业、领域中有着广泛的应用，鉴于其优越的宣传传播价值，为解决传统山洪灾害宣传形式不够新颖、吸引力不够、科技含量不高等问题，提出了运用增强现实技术开发交互式宣传系统的思路和实现方案，实现了山洪灾害防治相关知识从可读到可视、从静态到动态、从一维到多维、从平面媒体到全媒体的融合转变，开辟了一个重要、有效的宣传途径，是对传统山洪灾害科普手段的重要补充。