張正柱， 羅成立

(1.陽(yáng)光學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院，福建 福州 350015； 2.陽(yáng)光學(xué)院 人工智能學(xué)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(fèi)也成了刺激經(jīng)濟(jì)的一種方式.應(yīng)國(guó)家“文化強(qiáng)國(guó)”政策號(hào)召，文化旅游熱潮開(kāi)始盛行.將AR技術(shù)應(yīng)用到文化旅游的景區(qū)、游樂(lè)、住宿和旅途等場(chǎng)景中，能較好地讓游客感受到景點(diǎn)的相關(guān)文化內(nèi)涵，使游客的旅行過(guò)程變得更具娛樂(lè)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(jìn)行文化旅游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，結(jié)合馬尾船政文化、景區(qū)旅游景點(diǎn)、特色文創(chuàng)文物產(chǎn)業(yè)進(jìn)行合作，通過(guò)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(wèn)題，推動(dòng)馬尾船政文化旅游業(yè)與文創(chuàng)業(yè)發(fā)展，保護(hù)并向群眾宣傳普及中國(guó)傳統(tǒng)文化歷史，助推文旅產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)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(duì)于旅游的認(rèn)識(shí)也不再是單純的到此一游，更注重旅游的文化底蘊(yùn)，如旅游景點(diǎn)的人文歷史、文化傳承、趣事趣聞等[1].近年來(lái)，隨著旅游者對(duì)文化旅游體驗(yàn)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(zhǎng)，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(wèn)題.AR技術(shù)作為當(dāng)前研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，可用于為用戶(hù)提供增強(qiáng)體驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外許多研究都對(duì)AR技術(shù)在旅游領(lǐng)域的應(yīng)用前景做出了展望.比如AR可以幫助考古學(xué)家、歷史學(xué)家、景區(qū)管理者復(fù)原遺址或重現(xiàn)歷史場(chǎng)景，因而其在歷史古跡的虛擬重建中展現(xiàn)出了無(wú)限發(fā)展?jié)摿Γ嗫杀挥糜诼糜晤I(lǐng)域[2].此外，在大型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究項(xiàng)目方面，主要有由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所、武漢大學(xué)和浙江大學(xué)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(xué)的AR技術(shù)圓明園重建項(xiàng)目，湖北大學(xué)的AR技術(shù)少數(shù)民族文化可視化領(lǐng)域的應(yīng)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(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù).

1.2 馬尾船政文化

馬尾作為中國(guó)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(jī)體，作為中國(guó)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(chǎng)和船政學(xué)堂為起點(diǎn)，以中國(guó)船政文化博物館為中心，包括英國(guó)領(lǐng)事分館、昭忠祠、中坡炮臺(tái)、繪事院等船政遺址.馬尾船政文化代表中國(guó)近代先進(jìn)文化，通過(guò)AR文創(chuàng)產(chǎn)品來(lái)促進(jìn)船政文化精神的學(xué)習(xí)和傳播，有著深遠(yuǎn)的意義.

1.3 AR技術(shù)

AR技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)[4].目前AR SDK廠(chǎng)商參差不齊，國(guó)外主要有Vuforia, Facebook AR Studio, Metaio和ARToolKit等，國(guó)內(nèi)的主要是網(wǎng)易洞見(jiàn)AR、百度AR、騰訊QAR和支付寶AR等.本文以Unity為開(kāi)發(fā)工具，由于Unity為游戲引擎，其內(nèi)部提供了對(duì)Vuforia引擎的內(nèi)置支持.因此，本文所設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)AR技術(shù)，該引擎通過(guò)Unity游戲引擎擴(kuò)展了多種語(yǔ)言的應(yīng)用程序編程接口，用戶(hù)可以通過(guò)Unity引擎將所開(kāi)發(fā)的AR應(yīng)用快速移植到iOS和Android平臺(tái)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(fēng)格，以新穎的方式增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)景區(qū)文化內(nèi)容知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣.

1.4 AR文創(chuàng)產(chǎn)品總體框架

通過(guò)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(guò)掃描文創(chuàng)卡片將這些內(nèi)容實(shí)時(shí)地疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，讓用戶(hù)通過(guò)交互式的操作體驗(yàn)深入了解文化內(nèi)涵.本項(xiàng)目軟件主要采用Vuforia AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將靜態(tài)卡片圖像轉(zhuǎn)換成3D模型或動(dòng)態(tài)的視頻簡(jiǎn)介，用戶(hù)可以通過(guò)觸發(fā)交互按鈕在現(xiàn)實(shí)生活中體驗(yàn)人機(jī)交互的樂(lè)趣，同時(shí)學(xué)習(xí)和了解馬尾船政文化內(nèi)容.AR文創(chuàng)產(chǎn)品總體框架見(jiàn)圖1.馬尾船政文化文創(chuàng)產(chǎn)品展示圖見(jiàn)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(jì)

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(kāi)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(shí)現(xiàn).項(xiàng)目選取船政文化的代表性建筑和文物進(jìn)行建模，包括中國(guó)船政文化博物館、船政學(xué)堂、馬尾羅星塔、閩安樓等主要建筑和甲型一號(hào)飛機(jī)、平遠(yuǎn)艦、阿姆斯特朗炮臺(tái)等船政元素.模型制作時(shí)需要收集船政景區(qū)的各種數(shù)據(jù)，包括建筑CAD圖、實(shí)景航拍、現(xiàn)場(chǎng)拍攝等形式，并需合理的匯總和處理.為了讓用戶(hù)有良好的體驗(yàn)，不但需要考慮模型的真實(shí)還原效果，還要減少模型面數(shù)以提高應(yīng)用的流暢性.系統(tǒng)部分三維模型見(jiàn)圖3和4.

圖3 中國(guó)船政文化博物館模型圖

圖4 甲型一號(hào)飛機(jī)模型圖

2.2 文創(chuàng)產(chǎn)品的包裝及卡片設(shè)計(jì)

一款好的文創(chuàng)產(chǎn)品要能借助于現(xiàn)代科技手段對(duì)文化資源、文化用品進(jìn)行創(chuàng)造與提升，通過(guò)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，而產(chǎn)出的高附加值產(chǎn)品[5].本文基于AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“船政在AR”App，利用Photoshop軟件設(shè)計(jì)App掃描所需的卡片.

卡片的設(shè)計(jì)采用卡通風(fēng)格，簡(jiǎn)潔符合現(xiàn)代潮流的設(shè)計(jì)易為大眾所接受.采用圓角的設(shè)計(jì)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(lèi)型.部分卡片效果見(jiàn)圖5.

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

2.3 基于Vuforia的船政文化AR展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用Unity引擎工具設(shè)計(jì)，首先將所設(shè)計(jì)的三維建筑和文物模型導(dǎo)入到場(chǎng)景中，調(diào)整模型大??；其次設(shè)計(jì)展示系統(tǒng)相關(guān)場(chǎng)景；最后應(yīng)用Vuforia引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)AR掃描實(shí)體卡片展示相應(yīng)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(jiàn)圖6和圖7.

圖6 船政文化AR展示系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以分為基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)建立現(xiàn)實(shí)世界與屏幕之間的映射關(guān)系，獲取到屏幕坐標(biāo)，然后將AR識(shí)別物所關(guān)聯(lián)的視頻或三維模型顯示到對(duì)應(yīng)的屏幕坐標(biāo)位置.因此，屏幕上疊加的虛擬場(chǎng)景就可以達(dá)到依附在識(shí)別物上的效果.將模板坐標(biāo)系映射為屏幕坐標(biāo)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(jī)內(nèi)參矩陣；矩陣Tm為攝像機(jī)外參矩陣.其中內(nèi)參矩陣是事先進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定得到的，而外參矩陣是未知的，需要根據(jù)屏幕坐標(biāo)(xC,yC)和事先定義好的識(shí)別物坐標(biāo)系以及內(nèi)參矩陣來(lái)估計(jì)Tm，根據(jù)Tm來(lái)繪制圖形[6].

Unity官方內(nèi)置Vuforia組件可以方便地進(jìn)行 AR 項(xiàng)目的開(kāi)發(fā).在 AR 項(xiàng)目開(kāi)始之前，需要在 Vuforia 官網(wǎng)上注冊(cè)項(xiàng)目并上傳識(shí)別數(shù)據(jù)，識(shí)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(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)并下載到項(xiàng)目中，設(shè)置好AR Camera及License Key，即可進(jìn)行AR掃描識(shí)別.Vuforia引擎系統(tǒng)工作流程見(jiàn)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(shí)交互是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大特征之一，是指用戶(hù)對(duì)增強(qiáng)后的物理現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的過(guò)程.在AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，目前常用的交互方式主要有眼球追蹤、語(yǔ)音識(shí)別交互、動(dòng)作手勢(shì)交互和觸屏交互，其中觸屏交互實(shí)現(xiàn)門(mén)檻較低，包括單擊、雙擊和多點(diǎn)觸控等.在船政文化AR展示系統(tǒng)中，通過(guò)觸屏交互實(shí)現(xiàn)三維模型的放大和旋轉(zhuǎn)，有助于用戶(hù)觀看船政建筑和文物的細(xì)節(jié).具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖9.

圖9 用戶(hù)交互流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將AR技術(shù)與地區(qū)博物館、景區(qū)旅游景點(diǎn)、特色文創(chuàng)文物產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(lèi)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(guò)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)文化知識(shí)的傳達(dá)并且兼具了創(chuàng)意樂(lè)趣，以新穎的方式傳播各個(gè)旅游景區(qū)的文化，實(shí)現(xiàn)游客與景區(qū)文化的深度融合交流，給用戶(hù)帶來(lái)更好的視覺(jué)享受.本系統(tǒng)具有很好的可復(fù)制性，可方便地修改或擴(kuò)展以應(yīng)用于其他文化旅游市場(chǎng)等，能夠推動(dòng)旅游業(yè)與文創(chuàng)業(yè)發(fā)展，保護(hù)并向群眾宣傳普及中國(guó)傳統(tǒng)文物歷史，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益并推動(dòng)市場(chǎng).