王梅亮 盧韜全

摘要：隨著大眾旅游時代的到來，越來越多的人選擇自助旅游，傳統(tǒng)的旅游方式已經(jīng)無法滿足游客對旅游活動多元化、個性化和靈活性的需要。該文利用VR和AR交互技術(shù)以及傾斜攝影三維重建等建模技術(shù)，以仙都鼎湖峰景區(qū)為例，研究和開發(fā)在旅游景區(qū)內(nèi)可以自助導(dǎo)覽的智能導(dǎo)游系統(tǒng)，讓游客通過電腦或手機等智能終端，就可以身臨其境般游覽旅游景區(qū)的美麗風景，還可以為游客以圖文并茂或虛擬再現(xiàn)的方式介紹景點知識及有關(guān)民間傳說故事等，滿足游客自主性、個性化旅游的需求。

關(guān)鍵詞：Unity3D;AR交互技術(shù);智慧旅游;景區(qū)智能導(dǎo)游

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0060-03

1背景

近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電腦和智能手機的普及和大眾旅游時代的到來，越來越多的人選擇自助旅游，人們對旅游業(yè)發(fā)展的要求不斷提高，智慧旅游是大勢所趨。利用當前最新的虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，一方面讓游覽者利用互聯(lián)網(wǎng)在電腦或智能手機等終端就可以身臨其境般得感受旅游景區(qū)美麗風景，從而激發(fā)他們?nèi)ヂ糜尉皡^(qū)游覽的熱情;其次，當游覽者親身來到景區(qū)旅游時，可以利用智能手機等便攜工具通過智能導(dǎo)游系統(tǒng)，與景區(qū)中的景物進行交互，實現(xiàn)為游覽者介紹景點特色、文物古跡等有關(guān)知識以及講解有關(guān)民間傳說和故事等智能導(dǎo)游功能，提高游覽者的旅游興趣和積極性，提升旅游信息服務(wù)、改善游客旅游體驗，從而吸引更多的游客來此旅游，提高景區(qū)的社會影響和經(jīng)濟效益。另外，還可以通過對重點文物三維數(shù)字化建模和歷史文獻資料數(shù)字媒體的建設(shè)，達到文物資料數(shù)字化保護的功能;對于一些景區(qū)中由于歷史的原因已經(jīng)毀滅的文物古跡，可以通過智慧旅游系統(tǒng)虛擬再現(xiàn)，從而完善和豐富景區(qū)的旅游資源，提高景區(qū)的知名度，增強旅游景區(qū)的競爭力。

2國內(nèi)外研究研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

在國外，從20世紀90年代初如麻省理工學院等便開始了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在旅游業(yè)的理論、技術(shù)和應(yīng)用研究。R.Cheong學者認為虛擬旅游可能會取代現(xiàn)實旅游和旅行，成為一種新興的旅游產(chǎn)品;在技術(shù)方面國外主要在三維模型的創(chuàng)建、衛(wèi)星遙感影像的處理、虛擬現(xiàn)實和GIS相結(jié)合等方面的技術(shù)進行了大量的研究。

在國內(nèi)，雖然“智慧旅游”被國家旅游局寫入了“十二五旅游發(fā)展規(guī)劃”當中。但目前主要是通過360度全景圖片來實現(xiàn)3D效果的各種景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)。研究的內(nèi)容主要集中在對旅游景點虛擬、文物再現(xiàn)、遺址重建等方面，比如虛擬校園、虛擬城市、產(chǎn)品展示等，交互方面主要還是實現(xiàn)三維漫游，其他交互方面的研究較少。但這種用通過360度全景圖片拼合之后用專門的播放軟件在設(shè)備上顯示風景的方式并不是真正的3D技術(shù)，實質(zhì)還是二維的，真實感和沉浸感都遠遠不夠。由此可見，雖然當前我國政府各部門和旅游企業(yè)都十分重視開展智慧旅游技術(shù)的研究和相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)，但對智慧旅游的研究在廣度和深度上都還有待提高。

3景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容

本系統(tǒng)的研究主要是利用三維建模技術(shù)對仙都旅游景區(qū)的最主要部分鼎湖峰景區(qū)的三維場景和重要的景點物體進行建模，然后將這些三維場景和景點物體經(jīng)過貼圖、渲染或烘焙等處理后導(dǎo)入Unity 3D等VR/AR制作引擎中進行交互設(shè)計，完成一個場景逼真，人機交互良好，具有虛擬與現(xiàn)實融合交互功能的旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)虛擬導(dǎo)游和實景輔助導(dǎo)游功能，一方面游覽者可以在電腦或手機等智能終端上通過本系統(tǒng)進行虛擬游覽景區(qū)：在走進景區(qū)前可以獲得景點概況的介紹;進入景區(qū)后可以按照路線圖控制游客角色在虛擬三維景區(qū)場景中身臨其境般游覽美麗的風景;在虛擬游覽過程中，當游覽者對文物古跡或重要的景點感興趣，可以通過單擊鼠標或觸屏等交互方式，彈出文字或視頻等方式詳細介紹文物古跡的有關(guān)知識，以及有關(guān)民間傳說和故事等。另外，游客如果是到景區(qū)實地旅游，還可以利用智能手機等便攜終端，通過該系統(tǒng)掃描景區(qū)中的特定景物或標示牌，就可以在智能終端屏幕上出現(xiàn)相關(guān)景點的虛擬物體、人物或動畫視頻等，以虛實結(jié)合或虛擬再現(xiàn)等增強現(xiàn)實方式為游客講解有關(guān)民間傳說和故事。

4系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)及功能實現(xiàn)

4.1旅游景區(qū)大型三維場景和主要景觀三維模型的創(chuàng)建

由于仙都鼎湖峰景區(qū)是集自然景觀和歷史人文景觀于一體的風景區(qū)，其中不僅有被譽為“天下第一峰”的鼎湖峰;還有歷史悠久、規(guī)模宏大的黃帝祠宇，相傳這里是軒轅黃帝的三大行宮之一，在鼎湖峰峰巔置鼎煉丹，后馭龍升天。所以該景區(qū)的場景比較復(fù)雜，不但有大量奇形怪狀的巖石和山體樹木構(gòu)成的自然景觀，而且還有數(shù)量較多的亭臺樓閣。為了盡可能真實地體現(xiàn)風景區(qū)的原貌，減少大型場景的建模工作量，我們嘗試采用無人機傾斜攝影得到的各個角度的多組圖片，然后經(jīng)過三維重建的方法，得到鼎湖峰景區(qū)核心的三維場景模型。最終完成的無人機傾斜攝影三維重建的鼎湖峰景區(qū)場景模型如圖1所示。

但是目前上述經(jīng)過三維重建而成的鼎湖峰景區(qū)場景模型總體比較粗糙，近觀時樹木和亭臺樓閣等建筑模型比較模糊。所以我們只能對其中模型精細度要求不高，只需表現(xiàn)整體輪廓形狀的如鼎湖峰等巖石景點及其他只需遠觀，不需走進觀看的場景部分模型取出來，放到Unity3D中的地形場景中，然后利用Unity3D自帶的地形編輯工具-Terrain Editor，將場景其余部分按照景區(qū)的實際情況按比例創(chuàng)建編輯地形，添加樹木、道路、河流、池塘和橋梁等，將整個場景補充完整。另外，為了讓游客能夠身臨其境般參觀游覽黃帝祠宇等景點，我們采用3d Max三維建模軟件，按照游覽能看到的部分如屋頂、外側(cè)門窗、四周屋檐采用精細建模，閣樓內(nèi)部看不到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用粗略建模，建筑物上的圖案盡量采用貼圖的原則，完成黃帝祠宇等各種亭臺樓閣的三維模型?？傊?，在所有建模過程中，模型面數(shù)要盡可能精簡，以保證系統(tǒng)流暢運行。創(chuàng)建好的黃帝祠字模型如圖2所示，鼎湖峰景區(qū)核心場景模型如圖3所示。

4.2三維虛擬物體之間的碰撞檢測

碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不可或缺的一個重要功能，有了它可以使用戶以更自然的方式與虛擬場景中的對象進行交互。如果設(shè)置了碰撞檢測，當一個物體碰到另一個物體時，就不會產(chǎn)生“穿樹而過”的效果。由于本系統(tǒng)需要讓虛擬游客角色在虛擬的三維旅游景區(qū)中游覽，就難免會與景區(qū)中的景物發(fā)生碰撞，系統(tǒng)中不能出現(xiàn)虛擬角色“穿墻而過”的現(xiàn)象發(fā)生。因此在系統(tǒng)中必須能夠?qū)崟r、精確地判斷場景中物體之間是否發(fā)生碰撞。碰撞檢測由碰撞檢測和碰撞響應(yīng)兩部分的內(nèi)容組成。Unity3d內(nèi)置的物理引擎可以方便地實現(xiàn)基于包圍盒的空間碰撞檢測算法。

4.3人機交互控制技術(shù)及場景漫游和景點介紹功能的實現(xiàn)

人機交互控制是虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)的重要特征。通過人機交互手段可以控制虛擬角色在虛擬場景中任意行走或?qū)ζ渲械奈矬w進行實時地操作，并能從虛擬環(huán)境中得到反饋的信息等。本系統(tǒng)中需要實現(xiàn)利用鍵盤、鼠標或智能手機等交互工具對旅游景區(qū)場景中的攝像機視角進行移動和旋轉(zhuǎn)變換，實現(xiàn)在景區(qū)場景中漫游功能;另外對特定的景物做出響應(yīng)，彈出景點介紹、講解經(jīng)典故事的文字或視頻等。

4.3.1景區(qū)漫游功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用給攝像機添加角色控制器的方法，以第一人稱角色視角的方式對整個景區(qū)進行參觀游覽，實現(xiàn)對整個景區(qū)的漫游功能，具體實現(xiàn)方法為：

首先在場景中創(chuàng)建一臺用于漫游的攝像機，然后給該攝像機添加一個角色控制器組件CharacterController，這樣該攝像機和角色控制器就組成有眼睛可以觀看場景中景色且?guī)в信鲎矙z測功能的游客角色。然后我們通過給該攝像機添加如下的腳本程序，就可以通過鍵盤上的前后方向鍵或“w”“S”鍵控制這個游客角色前后“走動”，左右方向鍵或“A”“D”可以控制角色的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)游客角色在景區(qū)場景中的參觀游覽功能。

4.3.2景點介紹導(dǎo)覽功能的實現(xiàn)

智能導(dǎo)游系統(tǒng)除了引導(dǎo)游客在景區(qū)場景中漫游參觀外，還需要對景區(qū)中的主要景點和人文景觀進行介紹。本系統(tǒng)主要通過在景區(qū)主頁面上點擊景區(qū)介紹按鈕，彈出文本框為游客介紹景區(qū)的總體概況、各主要景點分布及路線圖的方法引導(dǎo)游客進入景區(qū)游覽，然后根據(jù)路線圖，讓游客漫游到各景點附近就會發(fā)現(xiàn)有一塊寫著該景點名稱的標示牌，游客便可以用鼠標單擊或在手機上用手觸控該標示牌，再通過以下腳本的交互控制，就可以在系統(tǒng)的界面上彈出介紹該景點的詳細介紹文字或語音講解。對于像鼎湖峰景點，還可以彈出軒轅黃帝在其上面煉丹的動畫，對于黃帝祠宇還可以彈出民間祭祀等活動的視頻等，讓游客真實感受到景點的民間故事和歷史文化活動。鼎湖峰景點標示牌和景點介紹示意圖如圖4和圖5所示。

另外，如果游客實地游覽鼎湖峰景區(qū)，我們還利用增強現(xiàn)實AR技術(shù)，對鼎湖峰景點進行進一步交互設(shè)計，游客通過安裝專門的App應(yīng)用程序，就可以用手機等便攜終端通過拍攝鼎湖峰的頂端位置，就會在手機上跳出有人在煉丹的情景動畫，該動畫與實際看到的鼎湖峰峰疊加在一起，讓游客仿佛真的看到軒轅黃帝在鼎湖峰頂煉丹一樣。

5旅游景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

完成鼎湖峰景區(qū)主要場景和其中亭臺樓閣等三維模型的創(chuàng)建后，還需經(jīng)過貼圖、設(shè)置燈光，烘焙等模型優(yōu)化工作，最后分別導(dǎo)出成fbx格式的文件，就可以導(dǎo)入到Unity3D開發(fā)環(huán)境中，進行具有漫游和各種交互功能的智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。首先，利用Unity3D中的地形工具，根據(jù)景區(qū)的實際情況結(jié)合導(dǎo)入的無人機攝影經(jīng)三維重建得到的有效鼎湖峰場景模型，補充完成整個景區(qū)的三維場景，做到創(chuàng)建的地形與導(dǎo)人的場景模型進行無縫連接，并對其中的小溪利用unity3D系統(tǒng)資源包中的waterProDaytime添加流動的溪水;再將景區(qū)大門及各種亭臺樓閣放置到相應(yīng)的位置，最后對整個場景根據(jù)實際進行優(yōu)化，就可完成鼎湖峰景區(qū)的場景設(shè)計。其次，我們利用前面已完成的系統(tǒng)所需關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，通過C#腳本編程即可實現(xiàn)以第一人稱角色方式對整個鼎湖峰景區(qū)的自主漫游和各種景點介紹導(dǎo)覽的交互操作功能;最后，利用unity3D的uGuI界面系統(tǒng)完成對整個智能導(dǎo)游系統(tǒng)的界面設(shè)計，得到人機界面友好的系統(tǒng)操作界面，再經(jīng)過性能測試并對模型及交互功能優(yōu)化后，就可以根據(jù)需要發(fā)布到PC平臺或移動終端平臺，得到可執(zhí)行應(yīng)用程序，完成仙都鼎湖峰智能導(dǎo)游系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

6總結(jié)與展望

景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)作為智慧旅游的一個重要組成部分，其實從完整意義上講還要包括景區(qū)周邊的住宿、餐飲、交通路線及交通狀況等方面的服務(wù)信息，本系統(tǒng)只是對景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)中最主要的景區(qū)導(dǎo)覽部分進行研究和系統(tǒng)設(shè)計，所以從系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容上還有待擴充;在技術(shù)方面，特別是AR虛實結(jié)合的交互技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用上只是在一個景點進行嘗試，還可以進一步對其他景點開發(fā)出更多、更精彩、體驗效果更好的作品。