基于Vuforia引擎的船政文化AR文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計

張正柱， 羅成立

(1.陽光學院 設(shè)計學院，福建 福州 350015； 2.陽光學院 人工智能學院，福建 福州 350015)

隨著人們生活水平的日益提高，旅游成了大家休閑放松的主要方式之一.旅游消費也成了刺激經(jīng)濟的一種方式.應國家“文化強國”政策號召，文化旅游熱潮開始盛行.將AR技術(shù)應用到文化旅游的景區(qū)、游樂、住宿和旅途等場景中，能較好地讓游客感受到景點的相關(guān)文化內(nèi)涵，使游客的旅行過程變得更具娛樂性、交互性.本文以馬尾船政文化為基石，以文化傳播為目的，讓逐漸被電子設(shè)備取代的傳統(tǒng)文化煥發(fā)新彩，以更現(xiàn)代化的形式呈現(xiàn)在人們眼前.研究使用AR技術(shù)進行文化旅游產(chǎn)品開發(fā)，結(jié)合馬尾船政文化、景區(qū)旅游景點、特色文創(chuàng)文物產(chǎn)業(yè)進行合作，通過制作AR旅游文創(chuàng)產(chǎn)品解決文化旅游產(chǎn)品創(chuàng)意不足及展示手段單一的問題，推動馬尾船政文化旅游業(yè)與文創(chuàng)業(yè)發(fā)展，保護并向群眾宣傳普及中國傳統(tǒng)文化歷史，助推文旅產(chǎn)業(yè)及市場經(jīng)濟發(fā)展.

1 AR技術(shù)與文化旅游文創(chuàng)產(chǎn)品結(jié)合研究

1.1 文化旅游文創(chuàng)產(chǎn)品的發(fā)展

隨著人們文化生活水平提高，對于旅游的認識也不再是單純的到此一游，更注重旅游的文化底蘊，如旅游景點的人文歷史、文化傳承、趣事趣聞等[1].近年來，隨著旅游者對文化旅游體驗的需求日益遞增，文化旅游相關(guān)的文創(chuàng)產(chǎn)品也日益增長，如何在文化旅游文創(chuàng)產(chǎn)品中融入特色文化，讓旅游者能更好地感知文化的景觀、生態(tài)、設(shè)施、特色人文等成了產(chǎn)品必須解決的問題.AR技術(shù)作為當前研究的前沿熱點，可用于為用戶提供增強體驗，國內(nèi)外許多研究都對AR技術(shù)在旅游領(lǐng)域的應用前景做出了展望.比如AR可以幫助考古學家、歷史學家、景區(qū)管理者復原遺址或重現(xiàn)歷史場景，因而其在歷史古跡的虛擬重建中展現(xiàn)出了無限發(fā)展?jié)摿?，亦可被用于旅游領(lǐng)域[2].此外，在大型增強現(xiàn)實研究項目方面，主要有由中國科學院計算機研究所、武漢大學和浙江大學正在聯(lián)手打造的包括AR、VR、MR在內(nèi)的“數(shù)字敦煌”工程，北京理工大學的AR技術(shù)圓明園重建項目，湖北大學的AR技術(shù)少數(shù)民族文化可視化領(lǐng)域的應用示范等[3].本文以馬尾船政文化為例闡述AR文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù).

1.2 馬尾船政文化

馬尾作為中國船政文化的發(fā)源地，它是近代工業(yè)企業(yè)和科技文化相結(jié)合的有機體，作為中國近代造船工業(yè)、海軍和航空業(yè)的先驅(qū)，馬尾船政以造船廠和船政學堂為起點，以中國船政文化博物館為中心，包括英國領(lǐng)事分館、昭忠祠、中坡炮臺、繪事院等船政遺址.馬尾船政文化代表中國近代先進文化，通過AR文創(chuàng)產(chǎn)品來促進船政文化精神的學習和傳播，有著深遠的意義.

1.3 AR技術(shù)

AR技術(shù)是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)[4].目前AR SDK廠商參差不齊，國外主要有Vuforia, Facebook AR Studio, Metaio和ARToolKit等，國內(nèi)的主要是網(wǎng)易洞見AR、百度AR、騰訊QAR和支付寶AR等.本文以Unity為開發(fā)工具，由于Unity為游戲引擎，其內(nèi)部提供了對Vuforia引擎的內(nèi)置支持.因此，本文所設(shè)計的馬尾船政文化AR展示系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)采用Vuforia引擎實現(xiàn)AR技術(shù)，該引擎通過Unity游戲引擎擴展了多種語言的應用程序編程接口，用戶可以通過Unity引擎將所開發(fā)的AR應用快速移植到iOS和Android平臺上.AR技術(shù)與船政文化結(jié)合的交互模式打破了市面上傳統(tǒng)的文創(chuàng)產(chǎn)品風格，以新穎的方式增強用戶對景區(qū)文化內(nèi)容知識的學習興趣.

1.4 AR文創(chuàng)產(chǎn)品總體框架

通過結(jié)合AR技術(shù)與旅游文化，可以將傳統(tǒng)的船政文化資源轉(zhuǎn)化為可以保存和交互的數(shù)字化內(nèi)容，通過掃描文創(chuàng)卡片將這些內(nèi)容實時地疊加到現(xiàn)實場景中，讓用戶通過交互式的操作體驗深入了解文化內(nèi)涵.本項目軟件主要采用Vuforia AR技術(shù)，實現(xiàn)將靜態(tài)卡片圖像轉(zhuǎn)換成3D模型或動態(tài)的視頻簡介，用戶可以通過觸發(fā)交互按鈕在現(xiàn)實生活中體驗人機交互的樂趣，同時學習和了解馬尾船政文化內(nèi)容.AR文創(chuàng)產(chǎn)品總體框架見圖1.馬尾船政文化文創(chuàng)產(chǎn)品展示圖見圖2.

圖1 AR文創(chuàng)產(chǎn)品總體框架圖

圖2 馬尾船政文化文創(chuàng)產(chǎn)品展示圖

2 馬尾船政文化AR文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計

2.1 馬尾船政景區(qū)建筑及相關(guān)元素三維模型構(gòu)建

三維模型制作是AR系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的組成部分，本文所有三維模型均采用Maya建模軟件實現(xiàn).項目選取船政文化的代表性建筑和文物進行建模，包括中國船政文化博物館、船政學堂、馬尾羅星塔、閩安樓等主要建筑和甲型一號飛機、平遠艦、阿姆斯特朗炮臺等船政元素.模型制作時需要收集船政景區(qū)的各種數(shù)據(jù)，包括建筑CAD圖、實景航拍、現(xiàn)場拍攝等形式，并需合理的匯總和處理.為了讓用戶有良好的體驗，不但需要考慮模型的真實還原效果，還要減少模型面數(shù)以提高應用的流暢性.系統(tǒng)部分三維模型見圖3和4.

圖3 中國船政文化博物館模型圖

圖4 甲型一號飛機模型圖

2.2 文創(chuàng)產(chǎn)品的包裝及卡片設(shè)計

一款好的文創(chuàng)產(chǎn)品要能借助于現(xiàn)代科技手段對文化資源、文化用品進行創(chuàng)造與提升，通過對知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)和運用，而產(chǎn)出的高附加值產(chǎn)品[5].本文基于AR技術(shù)實現(xiàn)“船政在AR”App，利用Photoshop軟件設(shè)計App掃描所需的卡片.

卡片的設(shè)計采用卡通風格，簡潔符合現(xiàn)代潮流的設(shè)計易為大眾所接受.采用圓角的設(shè)計提高卡片的使用率，選用環(huán)保材質(zhì)使卡片圖案色彩不易褪色.卡通化卡片主要包括建筑、文物和人物三種類型.部分卡片效果見圖5.

圖5 馬尾船政文化文創(chuàng)產(chǎn)品部分卡片設(shè)計圖

2.3 基于Vuforia的船政文化AR展示系統(tǒng)設(shè)計

本項目使用Unity引擎工具設(shè)計，首先將所設(shè)計的三維建筑和文物模型導入到場景中，調(diào)整模型大??；其次設(shè)計展示系統(tǒng)相關(guān)場景；最后應用Vuforia引擎技術(shù)實現(xiàn)AR掃描實體卡片展示相應的建筑、文物或人物的模型或介紹宣傳視頻.船政文化AR展示系統(tǒng)流程及界面見圖6和圖7.

圖6 船政文化AR展示系統(tǒng)運行流程

圖7 船政文化AR展示系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 Vuforia AR技術(shù)實現(xiàn)

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以分為基于計算機視覺的AR和基于地理位置信息的AR.本文所介紹的船政文化AR展示系統(tǒng)采用的是基于計算機視覺的AR技術(shù)，該技術(shù)通過建立現(xiàn)實世界與屏幕之間的映射關(guān)系，獲取到屏幕坐標，然后將AR識別物所關(guān)聯(lián)的視頻或三維模型顯示到對應的屏幕坐標位置.因此，屏幕上疊加的虛擬場景就可以達到依附在識別物上的效果.將模板坐標系映射為屏幕坐標系的矩陣變換公式如下：

(1)

式中：h為比例因子；矩陣C為攝像機內(nèi)參矩陣；矩陣Tm為攝像機外參矩陣.其中內(nèi)參矩陣是事先進行攝像機標定得到的，而外參矩陣是未知的，需要根據(jù)屏幕坐標(xC,yC)和事先定義好的識別物坐標系以及內(nèi)參矩陣來估計Tm，根據(jù)Tm來繪制圖形[6].

Unity官方內(nèi)置Vuforia組件可以方便地進行 AR 項目的開發(fā).在 AR 項目開始之前，需要在 Vuforia 官網(wǎng)上注冊項目并上傳識別數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)可以是圖像、圓柱體、文字、多面體和虛擬按鈕等.建立識別數(shù)據(jù)庫并下載到項目中，設(shè)置好AR Camera及License Key，即可進行AR掃描識別.Vuforia引擎系統(tǒng)工作流程見圖8.

圖8 Vuforia引擎系統(tǒng)工作流程圖

3.2 三維模型交互

即時交互是增強現(xiàn)實技術(shù)的三大特征之一，是指用戶對增強后的物理現(xiàn)實環(huán)境中的虛擬對象進行實時交互的過程.在AR增強現(xiàn)實技術(shù)中，目前常用的交互方式主要有眼球追蹤、語音識別交互、動作手勢交互和觸屏交互，其中觸屏交互實現(xiàn)門檻較低，包括單擊、雙擊和多點觸控等.在船政文化AR展示系統(tǒng)中，通過觸屏交互實現(xiàn)三維模型的放大和旋轉(zhuǎn)，有助于用戶觀看船政建筑和文物的細節(jié).具體實現(xiàn)流程見圖9.

圖9 用戶交互流程圖

4 結(jié)語

本系統(tǒng)將AR技術(shù)與地區(qū)博物館、景區(qū)旅游景點、特色文創(chuàng)文物產(chǎn)業(yè)進行結(jié)合，以馬尾船政文化為例，制作AR旅游文創(chuàng)產(chǎn)品，包括配套的可建模文物科普類APP，并附相關(guān)文物創(chuàng)意卡片搭配使用.創(chuàng)新船政等旅游文化的傳播形式，通過技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合來實現(xiàn)文化知識的傳達并且兼具了創(chuàng)意樂趣，以新穎的方式傳播各個旅游景區(qū)的文化，實現(xiàn)游客與景區(qū)文化的深度融合交流，給用戶帶來更好的視覺享受.本系統(tǒng)具有很好的可復制性，可方便地修改或擴展以應用于其他文化旅游市場等，能夠推動旅游業(yè)與文創(chuàng)業(yè)發(fā)展，保護并向群眾宣傳普及中國傳統(tǒng)文物歷史，實現(xiàn)經(jīng)濟效益并推動市場.