基于增强现实技术的移动端旅游导览系统设计与实现

邸臻炜 唐静 谭洁霞

摘 要：文章将纸质导览图与移动端旅游导览相结合，设计了基于 AR 技术的移动端旅游导览系统。该系统以 AR技术重现历史场景、以多媒体技术表现历史人文、利用 Unity3D 搭建应用场景、以 3DsMAX 完成地标的三维建模、以 EasyAR 为 AR引警完成标识与检测和跟踪配准，从而完成增强现实移动端旅游导览系统的开发。

关键词：增强现实技术;旅游导览系统：数字文旅

中图法分类号：TP399 文献标识码：A

随着智能终端技术、网络技术的发展，以及手机导航、旅游ＡＰＰ 的应用，传统纸质的旅游导览图取阅率越来越低，但各旅游机构却从未放弃这块阵地。由于纸质宣传品具有信息宏观完整、适用人群广、轻便易携带的优势［１］ 。因此，目前的各类旅游电子应用还难以完全代替传统纸质宣传品。而将增强现实技术应用于纸质旅游导览图是一种有效的方式，既能继续发挥纸质导览图的先天优势，又能增强其表达多样化及交互性，使纸质导览图焕发生机活力［２］ 。

本文以梧州文旅为例，设计实现了一种基于增强现实技术的移动端旅游导览系统。以ＡＲ 技术重现历史场景、以多媒体技术表现历史人文，丰富多元的信息传达，增强了旅游互动体验、深化了文旅内涵。系统的实现也将为传统旅游方式到沉浸体验、互动体验旅游的转变提供有价值的参考路径，是促进传统景区转型推动文旅融合的有益尝试，同时对提高梧州文旅知名度，促进社会文化的发展具有现实意义。

１ 需求分析

１．１ 用户需求

本系统包含纸质导览图及ＡＰＰ 应用２ 个模块，能同时符合多个年龄层的使用习惯，并且吸引年轻群体与老年人共同关注纸质导览图。此外，快节奏的生活使人们需要更便利、更直观的旅游导览，增强现实技术摈弃了人与真实场景完全隔离的传统电子设备操作，更符合人们日常使用习惯。

１．２ 性能需求

（１）保证功能完整。能调用用户摄像头，扫描识别标识图，完成三维模型与实景的融合、多媒体信息匹配显示，并使三维模型多角度实时成像［３］ 。

（２）系统运行流畅。系统加载速度、响应时间合理，能较快识别标识图，三维模型缩放旋转无卡顿。

（３）信息显示完整。三维模型无明显扭曲、显示角度合理；多媒体信息显示完整、清晰。

１．３ 设计需求

首先，设计制作旅游纸质导览图及创建景区实标识物。纸质旅游导览图能宏观描述景区信息，标识物设计美观、识别率高；其次，用手机在纸质导览图中扫描二维码，下载并安装ＡＰＰ 导览系统客户端软件；最后，客户端启动后调用本机摄像头直接进入图像获取状态，当摄像头对准纸质导览图中景区地标建筑时，即可在手机中同步显示纸质导览图及地标景点的三维模型。

２ 系统开发与实现

２．１ 创建三维虚拟模型

本文主要以增强现实技术介绍梧州部分旅游景点，其中涉及中山公园、龙母庙、中国骑楼城等多个景点的三维模型。系统选用３ｄｓ ＭＡＸ 进行建模，主要過程如下。

首先，收集图像数据，拍照测量景区地标建筑细节。

其次，应用图像处理软件对拍摄的照片进行剪裁、拉伸旋转、调整饱和对比度等操作，使用于贴图的照片更贴近真实。

再次，根据场景特点采用基本几何体建模、样条线建模、多边形建模方法，使用放样、挤出、倒角等工具进行编辑和修改，完成模型的创建。

最后，根据实际情况使用软件自带材质或景区照片纹理完成贴图。

图１ 为中山公园大门三维模型。三维模型应用ＦＢＸ 格式导出，以便下一步在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 中完成场景搭建。

为提高运行速度，在建模过程中还应对模型进行优化。本文主要应用了以下几种方式：

（１）剔除隐藏面。当墙体使用样条线进行挤出操作后，顶楼墙体可见，其他楼层被隐藏，删除已被隐藏的面能有效减少模型中点和面的数量。

（２）优化压缩面。球体、圆柱体的使用是导致数据量大的原因之一，移动设备屏幕较小，在视觉效果上对三维模型要求相对较低，适当降低圆柱体的ｓｉｄｅｓ值、球体的Ｓｅｇｍｅｎｔ 值，使面连接完整即可。

（３）优化纹理贴图。文本主要通过纹理Ａｄｖａｎｃｅ面板调整参数，在合理情况下将贴图的大小调整为２ 的幂次方；将小纹理贴图组合成一张大纹理，减少加载次数；大场景贴图纹理采样使用ｍｉｐｍａｐ 提高纹理采样的效率；使用同一材质的物体采用批处理方式［４］ 。

２．２ 图像获取模块

系统运行后首先调用设备摄像头获取真实场景图像。本系统主要通过Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 和Ａｎｄｒｏｉｄ 通信以及调用函数完成摄像头的调用并取得拍摄图像。图像获取模块主要由获取摄像头、开始捕捉两部分动作组成。本文通过Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 的ＷｅｂＣａｍＴｅｘｔｕｒｅ 类实现摄像头捕捉数据。由于拍摄图像会受光照等自然环境影响，还应对图像的亮度、饱和度进行调整［５］ 。

２．３ 跟踪配准模块

在获取图像后，首先进行特征分析，检测出图形是否与标识物匹配，若存在匹配目标则进行跟踪配准。从成本、实时性、可推广性等方面考虑，本文采用基于标识物的跟踪注册方法，因此，需要事先设定特定图片为标识物，以便摄像机获取图像后进行特征分析、匹配检测。特征分析有本地匹配、云端匹配２ 种方式。云端匹配的优点是可匹配数据量大，但受网络状态影响且消耗数据流量大，不适用于旅游。本地匹配方式数据量小、匹配速度快，因此本文采用本地匹配方法。

匹配检测一般是将图像进行二值化处理，为提高匹配的准确度，不仅会采取边缘、中心、线性等多种方式行进形状检测，还会对图像灰度变化、纹理特征进行检测。匹配检测过程十分复杂，通过ＡＲ 引擎可以在较大程度上简化难度。目标对象匹配后还需对标识物的具体坐标进行跟踪，使三维模型能随着用户角度的变化而改变。一般是获取摄像机参数和标识物信息，以计算虚实场景的坐标转换关系。跟踪可采用ＡＲ 引擎的ＩｍａｇｅＴｒａｃｋｅｒ 跟踪组件来完成，实现过程如图２ 所示。

２．４ Ｍａｒｋｅｒ 预设

首先用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 等图像处理软件设计制作旅游导览图，选取代表性部分切片，将其导出为．ｊｐｇ 格式图片并作为标识图，在ＳｔｒｅａｍｉｎｇＡｓｓｅｔｓ 文件夹下添加标识图；然后在ｄａｔａｓｅｔ．ｊｓｏｎ 文件中添加图片属性信息，主要是图片相对路径属性ｉｍａｇｅ 和图片名称ｎａｍｅ 属性；最后在场景中找到对应的三维模型或多媒体资源，将脚本Ｎａｍｅ 属性设为标识图的ｎａｍｅ。

２．５ 交互模块

交互模块的主要功能是为用户与虚拟信息之间提供友好交互。系统启动后进入图像获取界面。扫描标识物并配准成功后，显示景点地标模型，不同景点出现文本、图片或视频等多媒体信息，用户可对三维模型进行缩放旋转。模块流程如图３ 所示。

（１）触屏控制功能的实现。

针对触屏控制，Ｕｎｉｔｙ 的ＡＰＩ 中提供了Ｔｏｕｃｈ 类。每一次触屏操作系统都会生成一个存储本次信息的Ｔｏｕｃｈ 类型变量，如果是多点触控将生成多个Ｔｏｕｃｈ变量，具体执行流程如图４ 所示。

（２）平移功能的实现。

平移功能的实现一般有２ 种方式：一是给模型设置Ｍｅｓｈ Ｃｏｌｌｉｄｅｒ 属性，通过射线判断选中模型并进行平移，但这种形式的拖拽并不灵敏；二是用ＵＧＵＩ 插件制作虚拟摇杆控制器，但代码量大内存占用率高。本文采用ＥａｓｙＴｏｕｃｈ 插件，编写Ｍｏｖｅ．ｃｓ 脚本，实现平移功能。

（３）脱卡功能的实现。

正常情况下当摄像头离开Ｍａｒｋｅｒ，对应的虚拟信息就停止显示。如果配准后显示的虚拟信息是视频，要让视频持续播放，用户就需要保持一个姿势，以确保标识物一直被跟踪，这显然是不合理的。使虚拟信息离开Ｍａｒｋｅｒ 继续显示即称为脱卡。

本文的脱卡解决方案是：在Ａｕｇｍｅｎｔｅｒ 中创建一個固定在屏幕中央的空模型，用于保存脱卡后的虚拟信息，当Ｔａｒｇｅｔ 为ｆａｌｓｅ 时，在该模型中显示虚拟信息，还需要在ＩｍａｇｅＴａｒｇｅｔ＿Ｉｍａｇｅ 下创建空模型；当Ｔａｒｇｅｔ为ｔｒｕｅ 时正常跟踪配准。

３ 结束语

目标检测测试用例、增强信息测试用例的结果表明：系统功能基本达到需求。能够成功检测标识物，并且能将虚拟信息（包括三维模型、多媒体信息）叠加到标识物上，当摄像机对标识物位置发生变化时能跟踪匹配信息，达到虚实融合效果。在正常光照条件下，增强信息显示无明显闪烁、抖动，系统运行较流畅。但在测试中也发现一些问题：

（１）标识配准时间与标识物个数成正比，多标识物同时识别时，占用内存较大，会造成系统卡顿；

（２）电量消耗明显。某品牌手机使用本文增强现实系统３ 分钟耗电量４９ 毫安，达到应用总耗电量的４４．３７％，相机传感器运行、三维模型渲染都消耗较大电量。

参考文献：

［１］ 王洋．基于ＳｙｓＭＬ 的植物园智能导览系统设计及实现［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０２１．

［２］ 张纾菡，杨喆．移动端博物馆导览系统的用户认知分析［Ｊ］．艺术与设计（理论），２０１９，２（８）：５８?６０．

［３］ 李嘉俊．混合现实技术在博物馆导览系统中的应用研究［Ｄ］．无锡：江南大学，２０２２．

［４］ 李晖，黄其政，李万凯，等．开源框架下妈祖祖庙虚拟现实导览系统的构建［Ｊ］．厦门理工学院学报，２０２２，３０（３）：４８?５５．

［５］ 王凌云，陈亮． 增强现实空间关系及其关键技术探讨［Ｊ］．电脑知识与技术，２０２２，１８（３２）：９７?９９．

作者简介：

邸臻炜（１９８０—），硕士，副教授，研究方向：图像处理、信息可视化。