武漢東湖綠道

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增強現實技術，即將計算機生成的虛擬的三維模型疊加

到現實玉米饅頭 場景中，使用戶可與之進行實時的交互，獲得沉浸式

體驗的計算機技術。本文運用增強現實技術，設計并實現了

一個具有交互性的增強現實系統，在武漢東湖綠道上向游人

交互式地展示武漢百年復興之路，弘揚革命精神，增強文化

自信。首先，根據實際場景運用建模軟件進行場景和模型的

制作；選擇健壯性好、識別精度高的高通Vuforia算法進行目

標識別；使用可跨平臺的三維游戲制作引擎Unity3D進行系統

開發。基于AR技術的武漢東湖綠道交互展示系統實現了對旅游景點和歷史文化的數字化呈現，高中生學習 帶給用戶全新的體驗。

增強現實技術（AugmentedReality，簡稱AR）是將計算

機生成的虛擬場景或對象與現實世界連接起來的一種計算機

技術，它可使虛擬物體與現實場景共同顯示，使用者可通過

多種方式結合硬件設備與虛擬對象進行交互，收獲超越現實

的感官體驗。“AugmentReality”這個專業名詞最早出現于

1網件路由器登陸網址 990年，波音公司的TomCaudell（康紹鵬：增強現實關鍵技

術研究）等人提出“AugmentReality”這個專業名詞。90年

代以后，國際增強現實工作會議(IWA安全無小事 R)、國際增強現實研

討會(ISAR)和國際混合與增強現實會議(ISMAR)每年都會召

開，來自世界各地的增強現實技術的專家和學者一起共同商

討AR研究的發展。

國內對于增強現實技術的研究起步較晚，在1998年中國

智能自動化學術會議上，楊斌（楊斌，葉榛，王家廞：虛擬

環境中立體視覺的技術與應用）等提出“虛擬環境中有3種

技術：虛擬現實、增強現實和臨場感”。北京理工大學貢菊花 的王

涌天（陳靖，王涌天，林精敦等：基于增強現實技術的圓明

園景觀數字重現）教授利用增強現實技術復現圓明園昔日美

景，佛山市非物質文化遺產保護中心聯合佛山郵政發行佛山

國家級非遺項目AR明信片。本文旨在基于AR技術，選擇最

佳的圖像特征識別框架，開發武漢東湖綠道游人交互式展示

系統，解決城市文化傳播、意識形態建設方面抽象、枯燥等問題，為游人者提供具有交互性、趣味性的全新體驗環境。

1關鍵技術

1.13D建模技術

本系統多使用多邊形建模。建模前首先分析模型可由

哪個基礎圖形變形而來，然后經過Extrude工具擠壓，Split

PloygonTool工具加線等步驟進行初步打磨處理，得到模型

的基本形狀，在制作過程中多次使用圓滑效果處理，優化模

型。確定模型形狀后進行賦予材質和貼圖工作。最后開發增強現實系統，首先要選擇并確定虛擬對象，獲取真實對象的

三視圖，然后利用3DMAX、MAYA、

CINIMA4D軟件進行3D模型制作。1.2圖像識別技術

圖像識別技術是增強現實系統開

發中的核心技術之一，只有通過高效的

識別算法將識別圖精準地匹配到數據庫

中，才能夠順利地展現出對應模型。圖

像識別是根據圖像特征，如顏色、紋

理、空間關系等來區分圖像中的對象，

其中，圖像特征分為全局特征與局部特

征。基于特征點的圖像識別一般分為圖

像與處理、特征點檢測、特征描述、特

征點匹配識別四個步驟。Vuforia是高通

公司推出的一款針對移動端AR應用開

發的SDK，是目前在AR開發中應用最

廣泛的圖像識別算法。它提供用于實現

圖像識別的接口，使用者可以直接通過

輸入參數和數據進行使用。1.3跟蹤注冊技術

跟蹤注冊技術就是通過算法快速

計算虛擬空間與現實空間坐標之間的映

射關系，實現虛擬對象與真實場景的完

美疊加，這就要求對現實場景的對象進

行準確跟蹤與定位。虛擬世界和現實世

界均有自己的三維坐標，找到兩個世界

之間的轉換坐標，將二者統一起來，這

個過程就是注冊（Registration）。在用

戶使用系統的過程中，其所在位置等因

素不斷發生改變，此時，虛擬世界坐標

與現實世界坐標之間的轉換關系也會隨

著用戶狀態情況的實時變化產生相應變

化，這一轉換關系的變化過程就是追蹤

（Tracking）。

2系統技術框架

2.1系統架構

增強現實系統通常有以下幾個部分

組成：識別圖預處理、特征檢測、特征

匹配、三維匹配、UV紋理匹配、虛實

結合。其中，圖像識別、匹配部分是保證增強現實系統顯示的關鍵技術。本系

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統依托于常規增強現實系統框架進行拓展，具體系統架構如圖2.1所示。

其中，數據庫搭建在Vuforia提供的TargetManager網頁工具上，以package

的方式導入Unity開發引擎。場景采集由硬件設備攝像頭捕捉獲取，圖像

識別和三位注冊模塊選擇最佳對應算法，以確保系統效率。交互功能分

為模型旋轉、模型縮放、交互動畫、三維動畫、普通視頻五大部分，通

過c#腳本控制。

圖2.1系統架構

2.2Unity3D建模

本系統采用專業三維創作引擎Unity3D實現增強現實系統的跟蹤注冊

部分，并通過C#語言編寫控制腳本實現所需功能。在Unity中，可以操控

模型對象、布局模型位置、制作動畫，通過添加c#腳本實現所需交互功

能或補充豐富的多媒體資源(如圖2.2所示)。

圖2.2Unity3D中的3D模型

2.3圖像特征識別步驟

角點是圖像的重要特征，所含信息含量很高，是圖像識別的關鍵所

在。在增強現實系統中，由于高通Vuforia提供的第三方接口在性能、質量以及準確率方面相當平衡，得到的特征點足夠滿足需求，運行時間最

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快，具有較好的魯棒性，故本系統選擇高通Vuforia作為圖像

識別算法。圖2.3所示為利用高通Vuforia算法對識別圖典故“高山流水”進行特征點檢測的結果。

圖2.3高通Vuforia算法識別結果

3基于AR技術的武漢東湖綠道交互展示系統

本項目將習主席與印度總理莫迪在東湖綠道的會談，毛

澤東武漢農民講習所、黃鶴樓、武漢辛亥革命紀念館、九女

墩、屈原亭等多處武漢著名地標進行實地考察，深入調研、

拍攝，結合文獻資料，最終選擇運用3DMAX建模軟件實現

模型設計。

3.1識別圖制作與導入

我們采用Vuforia為提供了一個圖片數據庫管理工具

TargetManager，用它創建了相應的數據庫，上傳符合格式

要求的識別圖target，并操控增刪工作。每個Vuforia引擎支

持的項目都需要有唯一的licenkey與之對應，因此在導入

數據庫之前我們要先申請一個licenkey，再將此Unity項

目中的AR攝像頭與這個licenkey進行綁定，充分使用了

Vuforia提供的功能。完成識別圖上傳之后，下載網頁生成

的.unitypackage資源包，將其導入Unity即可使用。3.2Unity3D場景搭建

首先打開Unity3D引擎，新建一個工程，刪除默認相機

Camera，新建一個ARCamera。然后，在場景中添加Image

Target對象，將對應3D模型或多媒體資源拖至ImageTarget對

象成為其子對象，這樣當成功識別圖片之后就會呈現對應的

內容及功能。圖3.1、圖3.2所示分別為黃鶴樓3D模型、九女

墩3D模型的設計。圖3.3所示為Animator制作動畫方式。

圖3.1黃鶴樓3D模型圖3.2九女墩3D模型

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圖3.3Animator制作動畫方式

對于任意3D模型，可將c#腳本添加至右側Inspector腳本

控制區域，再將c#控制腳本添加模型上兒童故事網 ，賦予其交互功能。

本系統的交互功能包括縮放、旋轉、移動。以掛靠c#腳本控

制模型縮放為例，圖3.4所示為c#控制模型縮放腳本。

圖3.4c#控制模型縮放腳本

對于三維動畫和普通視頻資源，以mp4格式導入，新建

Canvas畫布對象，選擇Button控件，添加c#腳本實現視音頻

播放控制。通過點擊播放或暫停按鈕，可實現視頻的播放

控制，且在識別匹配失敗時終止音頻播放，重新匹配成功

后繼續播放（如圖3.5所示）。圖3.6所示為c#控制視頻播放腳本。

圖3.5Unity3D中多媒體資源文件放置圖3.6c#控制視頻播放腳本

3.3將工程文件生成應用程序

Unity3D引擎可直接將工程文件發布為可在Android系統上運行的apk。

導出的apk可直接在手機上下載安裝，直接使用，也可以在安裝有安卓模擬

器的PC機上直接運行。圖3.7所示為本系統在魅藍手機上的運行效果。

圖3.7為項目整體模型

4系統性能測試

本系統在移動端和PC端均可順利運行，通過攝像頭照射項目模型上的

識別圖或者二維碼即可在屏幕上呈現對應的3D模型或多媒體資源，用戶可

以通過觸摸屏幕或識別圖進行交互，本系統使用可交互的3D模型，自制3D動畫，普通視頻和音頻等多種方式展現武漢著名景點和紅色故事。

本系統完成后由中國合格評定國家認可委員會認可的武漢光庭信息

技術股份公司測評中心對本軟件系統進行了測試。4.1二維碼識別

用戶在使攝像頭照射到二維碼后約0.03秒即在設備上呈現對應3D模

型或多媒體資源，基本達到肉眼不可辨的程度，測試過程中未出現響應

無效或緩慢的情況。4.23D圖片識別效果

用戶在使攝像頭照射到識別圖后約0.05秒即在設備上呈現對應3D模

型或多媒體資源，基本達到肉眼不可辨的程度，測試過程中未出現響應

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無效或緩慢的情況。4.3交互功能效果

本系統中的所有3D模型均添加有縮放、移動、旋轉的控制腳本。

交互過程中模型動作實現順利，未出現卡頓等異常狀況。以模型縮放為

例，圖4.1(a)為模型放大前，(b)為模型放大后。

5結語

本文以前增強現實技術為出發點，選擇具有良好魯棒性

與識別效率的圖像識別算法，開發武漢東湖綠道復興之路交

互展示系統。本系統嘗試突破傳統的人機交互形式，選擇三

維模型、三維動畫、主題視頻等多角度的展現方式，旨在為

用戶提供更全面、可觀可感可悟的用戶體驗。本系統將武漢

歷史遺跡、紅色景點等著名地標數字化，其便攜性、共享

性使得用戶足不出戶即可切身體驗武漢韻味，用戶可在體驗

AR技術的同時，感悟中華復興之路，品味荊楚文化，增強文化自信。

基金項目：國家社會科學基金項目（項目批準號：

圖4.1(a)手機端運行效果展示圖4.1(b)為模型放大后

17BYY111）。

4.4視頻播放情況

本系統共包含普通視頻、三維動畫6個。在運行過程中，需要通過點

擊硬件設備顯示器上呈現的開始播放按鈕啟動視頻播放，點擊暫停按鈕即可暫停視頻播放，再點擊開始播放按鈕會從終止處繼續播放。

作者簡介：

劉念【通訊作者】（1998—），女，大學本科，研究方向為虛擬現實和增強現實。

鄭世玨（1955—），男，博士，教授，博士生導師。

（上接第132頁）

圖5常規PID控制實驗結果圖6模糊PID參數自整定實驗結果

調整PID規則進行優化，將優化后的規則通過simulink仿真和在天

煌THFCS-1A型過控綜合自動化控制實驗系統上的實驗也都證明模

糊自整定PID控制具有反應動作快，穩態誤差小的、魯棒性好的控制效果。

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