元宇宙AR技术在智慧校园建设过程中的应用研究

马云龙 曾博璨

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.034

收稿日期：2023-01-01

摘  要：AR技术将虚拟的信息融入真实的现场情境当中，完成信息的共存、叠加与互补。为智慧校园的建设，提供了一个新的发展方向，完成现实校园和虚拟校园的新形态融合。在Android系统中结合AR技术实现智慧校园中的智慧车管、智慧导航，通过Android平台实现智慧校园的布局，利用AR技术实现对于校园的智慧导航、人文信息展示和校园资源展示。同时，通过AR技术实现校园内车辆识别、车主信息展示、车主呼叫等功能。

关键词：智慧校园；现实增强；AR导航

中图分类号：TP39  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0158-04

Research on the Application of Metaverse AR Technology in the Construction Progress of Smart Campus

MA Yunlong， ZENG Bocan

（Quanzhou Huaguang Vocational College， Quanzhou  362121， China）

Abstract： AR technology integrates virtual information into real on-site scenarios， achieving the coexistence， superposition and complementarity of information. It provides a new development path for the construction of smart campuses and completes the integration of new forms of real and virtual campuses. In the Android system， AR technology is combined to achieve smart vehicle management and navigation in smart campuses. The layout of smart campuses is achieved through the Android platform， and AR technology is used to achieve smart navigation， display of cultural information， and display of campus resources. At the same time， AR technology is used to achieve vehicle identification， owner information display and owner call functions for vehicles on campus.

Keywords： smart campus; reality enhancement; AR navigation

0  引  言

隨着移动通信和搜索引擎技术的快速发展，增强现实（Augmented Reality， AR）技术显示出巨大的发展潜力，正广泛地影响着许多重大领域[1-3]。基于此，文章基于AR技术的功能性特征分析，探讨了AR技术应用于智慧校园建设的可行性。并在研究过程中对AR技术在Android平台上的智慧校园建设过程进行架构和实现。利用AR技术对校园环境以及校园实时数据进行显示和采集，并结合Android平台以及实时交互进行数据分析控制，实现智慧校园的AR实时导航，校园环境展示，人文以及学校简介，更为方便的让校园的管理人员和参观人员以及学生老师更为亲密和直接感受到校园的每一个角落。

1  研究现状

随着不同信息技术的融合，软件设计也需要引入视觉显示的新功能。在原有的方法上，基于管理层、网络层和数据层、智慧校园的思维层和应用层以及服务层。此外，由于AR技术的差异，以及对技术的易用性、改进和服务的深入分析，增强了智慧校园外观和体验[4]。

其次，智能学习和AR技术研究。在日常科研与教学中的应用。张凯，裘晓峰，朱新宁在《基于SDN的网络虚拟化平台》及其隔离性研究中认为AR技术不仅可以提高学习质量，还可以构建三维空间信息结构，立体模型。结合其他技术完成全景技术和图像插值[5]。在虚拟数据和现实技术领域之后，虚拟图像技术应运而生。通过两种类型的显示器，头盔显示器与非头盔显示器实现虚拟图像的投射和实现。

2  研究设计

本次研究分为两个部分。第一部分的重点在于利用Android原生接口实现一个AR导航显示引擎，通过建立三维坐标模型完成对于建筑和取景框内容的实时计算显示。结合电子罗盘、三轴传感器的AR显示数字定位模型。第二部分的重点在于利用AR技术完成对于车辆智慧管理的实现和应用。

2.1  AR智慧导航模型

通过AR地图显示模型，可以将目前的2D平面地图转化为3D AR渲染地图，在用户视野中直接显示每一栋建筑的名称和对应的介绍，视线所及即为地图显示区域，直观让用户感受校园内的建筑和方位。让用户在视野中实现导航，建筑介绍，校园观览等功能，并能够准确地和最为直接的了解建筑的位置方向以及人文信息。让使用者最为直接的感受校园文化和校园风景。

Android移动设备内的电子罗盘，能够进行空间内的地磁场方向测量，通过测量地磁角度获得当前设备的相对旋转角度[6]。三轴传感器可以进行空间内的设备三维角度测量，通过测量设备的三维角度，对设备的旋转方向进行一个综合判断和分析[7]。通过三轴传感器和电子罗盘可以实现对于设备的位置和方向感知[8]，建立一个电子地图显示的数学模型，通过数据的计算和矩阵的转变实现对于数据到电子地图显示模型转化，通过电子地图显示模型将需要显示的信息反馈给Android设备的显示界面，通过电子模型实现最终的AR人机交互。

用户可以实现拿起手机对导航目前以及当前路径的AR显示和导航，并在行走和导航过程中，实现对于周边环境的人文介绍，介绍校园的景观和关键建筑，从而让用户可以对校园环境有一个更为直观的了解。从而让来访者更为全面和完整的了解到校园的人文环境和校园文化，提升校园的人文气息，并且能够最为准确和方便的完成对于校园的导航和游览规划。

2.2  车辆AR智慧管理

在校园环境中车辆停放存在不规范和临时性，因此在校园车辆管理中，管理者往往需要花费大量时间在处理车辆的车主信息查找和通知，因此通过AR技术，进行实时的车辆识别，车主信息的显示和呼叫，完成在校园车辆管理的流程简化。

在该模块的日常使用中，用户不需要手动输入车牌信息，直接拿起设备对车牌进行扫描，通过实时的AR反馈扫描识别，即可得出车牌信息，并可以通过扫描出的车牌信息获得车主信息以及车主联系方式。并通过点击按钮触发或者语音进行直接联系。通过结合模块1进一步实现了空余车位的AR导航，更为方便的指引车主到达校园中的空闲停车位。

3  研究实现

在AR模型的实现和综合计算中，将把GPS数据以及重要的方向传感器数据作为模型的实时输入数据参与显示计算。

3.1  AR导航实现

AR导航渲染具体分为三步，第一步对用户和目标建筑物的GPS坐标进行极坐标转换，第二步通过得出的极坐标和手机设备方向计算用户和建筑物的角度差，第三步通过得出的角度差计算目标建筑物在取景框内的渲染位置。通过图1我们可以看出在用户和目标建筑物的GPS地图显示中，我们需要将GPS数据转换成为关于用户为零点中心的极坐标数据。

因此我们通过以下公式进行计算转换。

式中：XC表示计算得出的经度坐标差；XJ表示目标建筑物的经度；Xu表示用户当前的经度坐标；YC表示计算得出的纬度坐标差；YI表示目标建筑物的纬度；Yu表示用户当前的纬度坐标；θ表示转换后的极坐标θ角；γ表示转换后的极坐标极径。

在极坐标转换完成后需要加入手机方向传感器的相关数据计算，其中计算的公式如下：

式中：θd表示修正后的以东边为极坐标θ角为0的极坐标角度；θs是来自手机传感器的原始方向角度数据，范围（0～360）；θc表示由上一步得出的建筑物与用户的极坐标θ角；θr表示最终计算得出的用户与建筑物的角度差值。

在计算得出用户与建筑物的角度后，进行取景框内容渲染位置计算。其中计算有如下公式：

式中：θr表示上一步计算的用户与建筑物的真实角度；XW表示手机取景框宽度，当取景框全屏时则为屏幕宽度；Xs表示目标在取景框内的显示渲染位置，具体相对于取景框左侧位置。

3.2  车辆AR车牌识别实现

在AR车牌识别管理中，首先需要进行车牌的识别，通过识别到的车牌号与数据库中的车牌信息进行比对，完成信息的查找并显示在画面上，通过红框标识车牌位置，并在车牌旁边显示具体的车主姓名、车辆车牌、车主电话和停车时长。结合语音合成，将车主的各项信息进行语音播报，方便管理人员进行综合管理。

因此，首先设计需要车牌识别算法，通过AR取景框获取视频帧，通过视频帧进行颜色过滤，优先过滤黄色，蓝色和绿色部分，通过过滤完成对于车牌大体部分的采集，采集后的车牌部分将会进行模板匹配，通过将每个数字和字母进行模板匹配，将0～9、A～Z、以及省份缩写字符的模板进行比较，选出与模版最为接近的结果作为识别结果，在车牌每一个数字字母以及中文的识别结果进行汇总，最终得到车牌的识别结果。将识别结果送如车牌数据库进行查找，获得车主信息并送回前台，通过AR方式显示在AR取景框中，完成最终的数据显示，并通过android自带的原生语音合成引擎完成对于信息的语音播报。

在车辆管理中，为了方便车主对空闲车位的查找，通过后台查找空闲停车位，将停车位数据反馈至用户APP，用户APP端计算空闲车位与AR设备的相对角度，并且在AR取景框中进行调用AR导航模块，通过AR导航显示并指引车主到空闲停车位。

4  实现效果

程序开发采用Android Studio开发工具，采用Java开发语言，测试设备采用Samsung Note 10+进行真机测试。开发采用模块化开发方式，通过建立各个模块并进行模块化测试完成开发测试[9，10]。当前开发的应用软件主要包含以下界面，主页、AR导航、AR智慧车管。

4.1  主页

主页主要作为用户入口进行使用，包含了功能选择和学校各类信息的展示。采用内嵌网页的实现方式，方便管理和维护。

主页实现效果如图2所示。

主页面包含了多种元素，主要进行了学校介绍和学校各类信息的展示。

4.2  AR导航

AR导航界面包含建筑信息的简介和建筑方位显示。通过实现的AR渲染画面实现了对于建筑物的方位显示和信息介绍。其中实现效果如图3所示。

画面整体为用户的AR取景框，左上角为略缩地图，并且绘制用户当前位置以及朝向，画面中红色半透明指示器即为目标建筑方向位置标识。

当用户转向目标建筑物并且目标建筑物处于取景框中央时，将会弹出建筑物详细信息介绍画面，且为了方便用户還有语音播报，通过语音介绍详细的建筑物情况。其实现效果如图4所示。

在详细信息的展示中，左侧绿色半透明部分为详细的建筑物介绍信息，且包含建筑物的介绍图片。同时，在建筑物标识部分将会弹出建筑物的名称，方便用户进行识别。

为了能够方便用户进行导航，在语音输入导航目的地后，将会实现路径指引效果。其实现效果如图5所示。

在AR导航的路径指引中，在屏幕的中央下方将会出现蓝色箭头，用来指引用户到达目的地，箭头将会随着AR取景设备的相对目标方向进行转向，始终指向目的地。对用户进行目标指引。

4.3  AR智慧车管

AR车管实现效果如图6所示。

整体画面为用户手机取景框，左上角中央为识别区域，通过识别后得到的车牌将被红框框出，且在旁边用白色文字显示通过检测获得的车牌信息和匹配的车主信息，显示包含车牌信息、车主电话，车主姓名，停车时长。左上角手动识别按钮用于在系统识别异常时进行手动拍照识别。

通过将AR导航结合到AR车管中，可以进一步实现停车位的AR导航。在系统后台查找空余的停车位并反馈至APP中，在通过AR导航进行定位和相对位置查找，计算出相对方向角后，在AR取景框中显示箭头并将车主带往空余的停车位。其实现效果如图7所示。

在AR车位导航中，结合AR导航模块，利用红色标识空余停车位，并用蓝色箭头进行方向指引，让车主更为方便和快捷的到达空余停车位。

5  结  论

AR技术结合智慧校园，结合智慧导航学校可以向参观者展示其他信息，例如历史、介绍和展出建筑物、人文建筑的事实。同时利用AR技术对校园内的车辆进行智慧管理，更大地减少了管理人员对于车辆管理的繁杂流程，通过移动设备即可完成对于车辆的综合管理和信息查找。简化校园管理流程，提升校园人文气息，提升校园科技和文化层次，让校园更智慧。同时，不仅是校园，智慧车管和智慧导航也可以应用在旅游景点、办公场所等综合场景下，在社会面上有极广的应用价值和应用前景。

参考文献：

[1] 牛俊祝.AR技术在智慧校园建设中的应用 [J].电子世界，2019（17）：163-164.

[2] 邱莹莹，郑小军，黄伊庭华.虚拟现实、增强现实与混合现实技术在教育教学中的应用：现状、挑战与展望 [J].广西职业技术学院学报，2021，14（3）：61-66.

[3] 国桂环，曾睿，万力勇，等.增强现实技术在智慧校园建设中的应用 [J].现代教育技术，2017，27（9）：19-25.

[4] 刘淼.基于SDN架构的网络安全方法研究 [J].通讯世界，2017（4）：1-2.

[5] 张凯，裘晓峰，朱新宁.基于SDN的网络虚拟化平台及其隔离性研究 [J].电信科学，2016，32（9）：125-131.

[6] 差沙，地狱男爵.用Android开发手机应用 [J].程序员，2008（1）：56-61.

[7] 李宁.Android开发权威指南 [M].北京：人民邮电出版社，2013.

[8] 朱元波.Android传感器开发与智能设备案例实战 [M].北京：人民邮电出版社，2016.

[9] 郭宏志.Android应用开发详解 [M].北京：电子工业出版社，2010.

[10] 周一舟.移動增强现实技术的应用研究 [D].成都：电子科技大学，2011.

作者简介：马云龙（1995—），男，汉族，陕西洛川人，助教，本科，研究方向：人工智能、大数据；曾博璨（1996—），男，汉族，福建泉州人，教师，本科，研究方向：物联网、人工智能。