基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)3D地圖設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

羅增安，吳云

(廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526000)

引言

自2015年以來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科研探索和商業(yè)探索不斷前行，AR實(shí)景導(dǎo)航也成功商業(yè)化，本文將探索解決區(qū)域性封閉管理的校園互動(dòng)地圖問題，用直觀的地圖內(nèi)容幫助新學(xué)員快速屬性各大樓的外觀和屬性。加強(qiáng)學(xué)員與地圖之間的互動(dòng)性以及趣味性，同時(shí)能快速找到目的地。

1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)3D地圖研究必要性

1.1 研究目的

嘗試思考利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓虛擬標(biāo)識(shí)或者物體與現(xiàn)實(shí)融合以此來達(dá)到新的使用體驗(yàn)。一方面,這種AR地圖的設(shè)計(jì)展現(xiàn)形式新穎，既能培養(yǎng)旅游者觀看地圖的興趣，掌握地圖中所傳達(dá)的風(fēng)景名勝的地理位置和特色優(yōu)勢(shì)，讓他們?cè)谕嬷邢硎苤R(shí)帶來的魅力，又能激發(fā)人們的好奇心，展開豐富的想象力。另一方面，消費(fèi)者對(duì)于地圖的使用需求不僅僅停留在二維空間，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使地圖虛實(shí)結(jié)合，不僅讓消費(fèi)者有更加方便快捷的指引體驗(yàn)，交互性能讓使用過程變得靈活，滿足使用者自我操控自我指引的自控成就感。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與地圖的結(jié)合在一定程度上彌補(bǔ)了兩者的缺陷，這種設(shè)計(jì)不僅可以提高快速識(shí)別地圖的效率，還可以豐富地圖表現(xiàn)形式的多樣性，有些紙質(zhì)地圖無法表達(dá)的東西可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)完善，增強(qiáng)旅游者與地圖之間的互動(dòng)性以及趣味性，同時(shí)能快速找到目的地，迎合了快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的需求。在未來其應(yīng)用價(jià)值會(huì)逐漸得到體現(xiàn)，也會(huì)逐漸被更多的旅游者所接受。它的實(shí)用性和便捷性逐漸會(huì)被人們發(fā)現(xiàn)，為不同的旅游者提供不同凡響的交互式旅游觀光體驗(yàn)。

1.2 本項(xiàng)目研究意義

AR即Augmented Reality。1990年增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被提出來，一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的角度和位置并且加上一些圖像的相關(guān)技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn):第一，真實(shí)世界和虛擬物體的融合。虛實(shí)結(jié)合的效果也決定了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。比如虛擬物體的投影是否符合現(xiàn)實(shí)世界的光影角度，現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境對(duì)虛擬物體是否產(chǎn)生影響，這是整個(gè)項(xiàng)目的難點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不同于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它使對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。第二，具有實(shí)時(shí)交互性。這點(diǎn)也是AR技術(shù)的精髓所在，實(shí)時(shí)交互是指用戶能夠通過電子設(shè)備的操控來得到反饋的信息。第三，三維空間中增添定位圖像。這種圖像可以包括三維的物體，平面的物體。虛擬物體的出現(xiàn)，出現(xiàn)在哪里都有此識(shí)別圖像來覺得，因此識(shí)別圖像具有高反差高對(duì)比的特點(diǎn)。這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)賦予了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。識(shí)別圖像如產(chǎn)生位移虛擬圖像也會(huì)隨之變化，以此來達(dá)到虛擬的圖像與真實(shí)世界的信息完美契合。

1.3 學(xué)術(shù)價(jià)值

該課題將充實(shí)現(xiàn)有的理論文獻(xiàn)，可以為基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)提供一些或者某方面的參考依據(jù)。近幾年來,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域并取得了一定的商業(yè)效益，然而科研工作者仍然在積極探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與各行各業(yè)的合作可能性，各研究領(lǐng)域相互滲透，跨專業(yè)合作將是未來科研課題的大趨勢(shì)，相互切磋，跨學(xué)科融合發(fā)展成為未來各領(lǐng)域的趨勢(shì)。例如，5G時(shí)代的到來，帶來的不僅僅是寬帶下載速度，帶來的是萬物互聯(lián)的契機(jī)，嗅覺靈敏的互聯(lián)網(wǎng)巨頭早就在布局未來互聯(lián)互通的科技場(chǎng)景。然而5G與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)合能創(chuàng)造出多少科研課題和商業(yè)契機(jī)。5G只是各種風(fēng)口中的一個(gè)，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能等等，每一個(gè)風(fēng)口都可以思考如何與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)巧妙的協(xié)同，其中蘊(yùn)含著無窮的科研課題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不再是陌生的技術(shù)，它已經(jīng)滲透到了大眾的生活。如智能手機(jī)應(yīng)用、AR導(dǎo)航、游戲的應(yīng)用等方面的應(yīng)用向大眾展示了這么技術(shù)的強(qiáng)大魅力和這么技術(shù)的廣闊前景。

2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)3D地圖研究現(xiàn)狀

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在、軍事、教育、建筑、工程、醫(yī)療、影視、娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用并且達(dá)到了很好的效果。交互性作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)衍生產(chǎn)品的精髓，解決了大部分無法在現(xiàn)實(shí)中完成的實(shí)驗(yàn)與論證，為各領(lǐng)域帶來了全新的思維方式。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，最早可以追溯到上1958年，英國皇家海軍在德國空軍和美國海軍的研究基礎(chǔ)上改進(jìn)了技術(shù)，創(chuàng)造出第一臺(tái)基于計(jì)算機(jī)的HUD抬頭顯示設(shè)備，并首次將其裝載到戰(zhàn)機(jī)攻擊機(jī)上；此后的AR技術(shù)一直在改進(jìn)和研發(fā)，主要在軍事和航空領(lǐng)域；直到2000年，AR技術(shù)才運(yùn)用在游戲中，一款戶外AR游戲；2005年，第一款以手機(jī)為載體的AR 游戲誕生；2013年，Google 發(fā)布了AR眼鏡“Google Glass”總體來說不管是游戲領(lǐng)域，醫(yī)療領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域影視娛樂等領(lǐng)域國外屬于引領(lǐng)地位。不管是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還是虛擬現(xiàn)實(shí)在國外都開發(fā)得比較早。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在中國處于起步發(fā)展階段，開發(fā)者們以用戶的需求為出發(fā)點(diǎn)開發(fā)出AR產(chǎn)品，使這產(chǎn)品順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，得到了用戶的好評(píng)。隨著移動(dòng)設(shè)備硬件的升級(jí)，包括智能手機(jī),平板電腦,智能穿戴設(shè)備的廣泛使用,為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域的運(yùn)用提供了硬件基礎(chǔ)。

在導(dǎo)航領(lǐng)域國內(nèi)知名導(dǎo)航軟件就屬高德地圖和百度地圖了，由于汽車一般車速較快，對(duì)地圖使用習(xí)慣不佳的用戶通常會(huì)錯(cuò)過路口，尤其是在高速的匝道路口，很多車禍都是由于車主沒有及時(shí)理解導(dǎo)航的指引，地圖有時(shí)候播報(bào)也稍有延遲，等用戶反應(yīng)過來就已經(jīng)錯(cuò)過了路口。針對(duì)這些問題，高德地圖推出AR實(shí)景導(dǎo)航，可為用戶帶來更直觀導(dǎo)航指引，導(dǎo)航精確到車道，在即將進(jìn)入匝道時(shí)會(huì)提醒提前變道。大幅降低駕駛?cè)藢?duì)傳統(tǒng)二維地圖的反應(yīng)時(shí)間，輔助用戶在必要時(shí)更快更準(zhǔn)確地做動(dòng)作判斷。

在游戲領(lǐng)域科技巨頭騰訊也有涉足，在電視媒體領(lǐng)域，中央電視臺(tái)2013年春晚在電視呈現(xiàn)上大量AR技術(shù)的虛擬畫面,使電視機(jī)前的觀眾眼前一亮，這種技術(shù)在老百姓眼里還是很稀奇的，而這些內(nèi)容晚會(huì)現(xiàn)場(chǎng)的觀眾是完全看不到的。國內(nèi)AR技術(shù)在各領(lǐng)域的運(yùn)用逐漸加快，商業(yè)上也取得了一些成果。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)3D地圖制作解析

3.1 本項(xiàng)目研究的難點(diǎn)

通過調(diào)研增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理分析得出AR技術(shù)在互動(dòng)3D地圖設(shè)計(jì)應(yīng)用中有以下幾個(gè)難點(diǎn)：首先，跟蹤注冊(cè)技術(shù)，由于虛擬物體的出現(xiàn)必然要以現(xiàn)實(shí)世界中的識(shí)別物體作為標(biāo)的物，根據(jù)識(shí)別物體的位置形狀信息覺得其呈現(xiàn)形式與時(shí)間。其次，虛擬物體生成技術(shù)，虛擬物體的呈現(xiàn)是對(duì)虛實(shí)顯示質(zhì)量和效果的要求，實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)世界在光影角度環(huán)境遮擋等方面合理融合。第三，成像技術(shù)。虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界完美融合使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心。虛實(shí)結(jié)合的效果也決定了AR產(chǎn)品的視覺體驗(yàn)。比如虛擬物體的投影是否符合現(xiàn)實(shí)世界的光影角度，現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境對(duì)虛擬物體是否產(chǎn)生影響。理清兩者結(jié)合的技術(shù)思路，逐一分解難點(diǎn)。

3.2 本項(xiàng)目研究的創(chuàng)新點(diǎn)

通過大量文獻(xiàn)參考和案例分析，得出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與地圖結(jié)合的可行性必要性，對(duì)文化傳播而言是一種全新的形式，他們的結(jié)合使地圖的展示以及指引效果變得更加立體化、多樣化，更加具有趣味性，展現(xiàn)了城市的建筑特色，迎合了快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的需求。AR與VR兩者都是沉浸式的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使完全的沉浸在虛擬的世界里。一般需要借助現(xiàn)實(shí)頭盔來體驗(yàn)，但現(xiàn)在的技術(shù)戴上顯示頭盔會(huì)產(chǎn)生暈眩感，這個(gè)問題也在被研發(fā)人員被克服。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是將虛擬物體融合到現(xiàn)實(shí)空間。這就覺得它更容易被商業(yè)化，它可以改變?nèi)祟惖纳罘绞?科幻大片中的隔空操作，懸浮現(xiàn)實(shí)不再是想象，很快將會(huì)出現(xiàn)在人們生活之中。

3.3 設(shè)計(jì)構(gòu)想

現(xiàn)在的校園或者建筑密集的某些封閉式區(qū)域，一般這種封閉式區(qū)域，有共同的特點(diǎn)：區(qū)域面積較大，大樓設(shè)計(jì)和外觀相差不大，識(shí)別度不高，道路不規(guī)則。一般大一新同學(xué)剛?cè)胄@通過手機(jī)導(dǎo)航無法幫助快速找到自己的目的建筑。比如大學(xué)校園，從大學(xué)校園地圖來看宿舍樓或教學(xué)樓都是一排一排建的，從外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都是一樣的，新同學(xué)要熟悉校園每一棟樓的編號(hào)至少需要幾個(gè)月的時(shí)間適應(yīng)。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)3D地圖就科研完美解決這個(gè)問題。地圖是平面的，地圖上的每一個(gè)建筑的圖標(biāo)都可以作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬樓棟的識(shí)別圖，通過手機(jī)打開攝像頭，掃描地圖上某一棟樓的識(shí)別圖標(biāo)，圖標(biāo)上立即出現(xiàn)大樓的虛擬模型，模型是經(jīng)過精心繪制的，在外觀和結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)了識(shí)別圖指示的大樓。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將教學(xué)大樓的實(shí)體模型展示在紙質(zhì)地圖上方，大樓外觀一目了然，大樓出現(xiàn)還可以設(shè)計(jì)柔和的生成動(dòng)畫，這樣新同學(xué)既可以快速找到自己的教學(xué)樓，還可以通過操控屏幕旋轉(zhuǎn)和縮放大樓模型全方位的了解大樓的外觀。這種交互式AR地圖比如會(huì)成為新同學(xué)討論的對(duì)象，也對(duì)同學(xué)們的交流提供了不錯(cuò)的話題。這種互動(dòng)地圖更多的是提供一個(gè)快速了解校園建筑外觀與建筑位置的平臺(tái)，在導(dǎo)航上面沒有數(shù)據(jù)支持。以下基于這種校園互動(dòng)地圖制作簡(jiǎn)要解析。

3.3.1 校園地圖的制作

每一個(gè)大學(xué)校園都有相應(yīng)的地圖，但用與制作互動(dòng)地圖的要有所不同。主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。第一，需要識(shí)別圖在黑白信息或者在顏色信息上要有很強(qiáng)烈的對(duì)比，這樣才能快速識(shí)別；第二，由于一張地圖上有很多識(shí)別圖組成，識(shí)別圖在外觀上不能雷同，每一個(gè)識(shí)別圖對(duì)應(yīng)它本身的模型。第三，相鄰的識(shí)別圖最好在顏色上區(qū)別開。識(shí)別圖的繪制需要注意這些問題。

3.3.2 三維模型的制作

三維模型的制作，常用軟件有3D SMAX或者M(jìn)AYA，先用軟件制作一個(gè)低模，也就是面數(shù)控制的比較少的模型，低?？梢越档徒K端在使用過程的計(jì)算速度，使體驗(yàn)更加流暢。將低模細(xì)分成高精度模型，烘焙出Normal法線貼圖和 Diffuse漫反射貼圖，這是在三維制作中常用的手段，使用低模得到高模的顯示精度，根據(jù)需要還可以導(dǎo)出其他類型的貼圖來增加模型的細(xì)節(jié)與質(zhì)感。并為模型制作出畫動(dòng)畫，使地圖更加具有交互性，然后使用photoshope繪制好貼圖。最終模型達(dá)到預(yù)期效果后導(dǎo)出模型和貼圖打包成一個(gè)壓縮包用于導(dǎo)入到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)制作軟件中。

3.3.3 音頻資源的制作

音頻制作主要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要來決定錄制內(nèi)容，錄制軟件也比較多，比如Adobe Audition，錄制后經(jīng)過專業(yè)的軟件調(diào)試混音等程序即可導(dǎo)出使用。也可以在互聯(lián)網(wǎng)下載相關(guān)音頻。音頻根據(jù)需要一般分為背景音，每一棟樓的學(xué)名錄制，解說獨(dú)白，此樓的功能歷史等等。

3.3.4 應(yīng)用程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目使用的是Web端的制作軟件睿視AR。軟件界面簡(jiǎn)潔操作簡(jiǎn)單，將制作好的識(shí)別圖和模型壓縮包以及音頻通過AR軟件整合好，導(dǎo)出后即可使用移動(dòng)終端來體驗(yàn)，體驗(yàn)流程第一步需要下載睿視AR，第二步通過APP來掃描項(xiàng)目后臺(tái)程序的二維碼，加載完后臺(tái)數(shù)據(jù)后，第三步即可掃描識(shí)別圖與模型交互。

4 總結(jié)

5G時(shí)代的到來不僅使網(wǎng)絡(luò)速度有了質(zhì)的提升，更重要的是為萬物互聯(lián)提供了基礎(chǔ)，萬物互聯(lián)，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算等每一項(xiàng)技術(shù)都為以后的智能生活提供了想象空間。未來只有你想不到?jīng)]有科技所不能觸及的。未來的生活也許不再需要使用導(dǎo)航，一句話的事，汽車就把你送到目的地。AR技術(shù)一般應(yīng)用于廣告營銷、導(dǎo)覽、導(dǎo)航、導(dǎo)游、導(dǎo)購這五個(gè)場(chǎng)景。伴隨5G技術(shù)的成熟，各行各業(yè)悄然巨變，5G正在加速出行行業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)智能化的服務(wù)、管理、監(jiān)管全面升級(jí)。