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基于AR技术的景区显示应用前景
李泰钊 刘志锋 朱建云
华东理工大学信息工程学院，江西南昌330013
摘要 – 随着科学技术的不断发展，各项技术也在各个领域被不断加深探索和研究。 在探索真实世界的同时，科学家已经将他们的探索扩展到虚拟世界。 增强现实技术的出现使得它将现实世界和虚拟世界连接在一起。 虚实结合已成为一个新课题。 随着越来越多智能手机的普及，智能手机已经成为了人们生活中不可缺少的一部分。 本文主要提出将日益成熟的AR技术与景点结合起来，通过智能显示设备如智能手机，让人们感受到不一样的景点展示和景点认知。
关键字 - AR技术; 虚实结合;景区显示
一．导言
改革开放以来，随着生活质量不断提高，人们在吃得饱，穿得暖的基础上，想多走走多看看。如大家经常说，世界这么大，我想去看看。对于许多人来说，旅行已成为一种时尚趋势。出发之前，去哪里，哪个景点参观，怎么样规划一个完美的旅行策略对很多人来说都是一个问题。随着数字信息时代的到来，各种强大的技术都有涌现出来，这些技术可以使事物形象化，通过虚拟网络投影到现实世界网络，这样我们通过风景照片和信息来帮助我们制定一项攻略。 AR技术的出现加强了这一功能，AR技术关键是在于它的虚实结合。 AR技术可以简单地理解为组合虚拟物体和逼真的图像来增强环境效果的一项技术。与此同时，人们可以通过与虚拟对象进行交互来增强现实。结合图像识别和跟踪注册两个核心技术，AR技术可以将虚拟世界的 3D图像添加到真实世界中，我们看到的非实体的虚拟场景就像真实场景一样。结合AR技术，通过智能显示终端，立体景区的形象将显示出来，让人们看到可以体验风景的视觉立体效果。基于AR技术，对宣传景点也是大有帮助。
二．AR技术简介
时下，科学技术的发展是全世界的焦点。许多新技术正在兴起，而AR技术就是其中之一。 AR技术，即增强现实技术，是一种将虚拟世界信息移植到真实世界的技术。无论何时何地，AR技术能让用户体验到真实世界中虚拟出来的物体的存在。AR技术目前有两种学术界一般定义：一个是由北卡罗来纳州立大学罗纳德阿祖马教授在1997年提出的，他认为AR技术包括虚拟实际的三个方面组合，实时，人机交互和立体化。另一个是在1994年由Paul Milgramal和Fumio Kishino共同提出“现实 - 虚拟连续”系统“（Milgrams ality-Virtuality Continuum）[1]。AR技术是视觉（或其他感官）增强技术，它可以从中获取实时数据，将真实世界通过计算机模拟技术添加到虚拟世界，并通过智能显示设备，被人们的视觉所感知（或其他感官），以达到感官体验真实。更受欢迎的是它提供了一种新的人机交互方式，你可以使用相机，位置传感器，实时计算技术和位置匹配技术，将真正的环境效果和虚拟图形实时叠加到相同的视觉或感知空间[2]。AR技术的实现如图1所示，人们认为是一个新的模拟场景结合现实信息和虚拟信息。人们可以将来自虚拟和现实设备（智能手机或电脑等）的场景进行融合，然后体验到一个相对真实的感官效果。
AR技术主要体现以下三个特点：
（1）虚实组合：AR技术将计算机生成的虚拟对象与现实结合构建出虚拟空间，虚拟场景和真实场景的数据信息被整合在这里。虚拟信息是叠加在逼真的场景中，通过智能显示，让人们可以通过手动操作控制场景转换。虚实结合增强了人们的视觉效果，并使人们更好地实现可操作性。
（2）实时交互：AR的原理技术是实现虚拟现实的结合，但最终还是需要实现与用户无缝连接，因此虚拟和现实之间的数据实时交互可以更好地满足用户的需求。通过获取真实场景中的新数据并实时更新虚拟场景，可以更好地把人带入到感官体验的环境中。
（3）三维定位：虚拟3D图像中使用三维空间中的实物定位技术和角度信息并通过使用实时更新对象的位置跟踪和定位技术，准确定位现实世界中的虚拟物体，以便更好地为人们服务从而带来虚实结合的效果。
AR技术主要处理两种数据：
真实数据和虚拟数据。
真正数据，也就是要增强的数据，主要是通过真实场景中的智能设备获取然后进行处理，并通过显示设备显示。
虚拟数据，即数据加固后，使用图像识别，跟踪，定位等技术来处理，然后结合现实的场景。
AR技术的虚实结合是如图2所示。
完整的AR系统的构建涉及多学科，包括实时跟踪，3D注册，图像处理，人机交互，电脑网络，场景融合，传感器设计等等，并且在组成中AR系统中有几个关键部分，比如图像获取和处理，跟踪注册，虚拟模型渲染和虚拟现实融合显示技术[3]。显示技术增强现实的主要技术框架在图3中。真实世界的图像信息是通过相机获得，这些图像的特征点被提取和追踪，然后按照三维方式获得世界坐标系得到真实的3D结构，注册被虚拟对象，并最终显示在各种显示设备上。
在虚拟现实领域，增强现实（AR）是一个先进的研究分支。 AR是结合3D图形和物体来虚拟现实场景的视觉追踪技术，在视觉上完美融合3D虚拟图形和逼真的环境来达到增强真实环境的效果。 人们可以通过AR技术与虚拟对象交互[4]。
三．AR技术在家的研究现状和国外
在国外AR技术已有数十年的研究历史，第一个AR设备原型是由伊万·爱德华制作的电脑图形，也是著名的电脑科学家，伊万·爱德华夺得图灵奖是由于发明了被称为“达摩克利斯之剑”的头戴式显示装置。AR技术的提出是在1990年，两年后即1992年AR的名称正式出台，同时“增强现实”这个词也诞生出来。
增强现实就是模拟过程现实的发展，它的出现在一方面弥补虚拟中缺乏现实元素世界，也表达了虚拟与现实结合的时代到来。此前，波音利用增强现实技术开发了一套数字操作流程用来替换实体的布局，为他们的工作人员安装飞机电气系统提供了大大的方便，同时节省了大量时间和资金。2012年，谷歌公司也正式宣布谷歌眼镜产品计划[5]，通过使用增强现实技术，制作眼镜为智能手机的各种服务提供具有微显示功能的镜头，并获取信息可以传输到镜头，佩戴者也可以通过声音控制信息的传输与接收功能，这在当时是非常强悍的功能。另外，微软公司，西门子等一些科技公司与哥伦比亚大学，维也纳大学等相关大学采取合作，合作同意优化摄影算法和加强算法的研究并加强对AR系统中的硬件显示设备的研究。
与发达国家相比，中国的AR技术起步较晚，不过随着各项科学技术的飞速发展加上国内经济实力不断增强，政府对于新型技术的大力支持等，增强现实技术正在逐渐赶上。2013年，央视春节联欢晚会首次决定采用增强现实技术，具体体现在电视演示中运用电脑产生一个逼真的虚拟环境的同时，随着空间环境不断变化，图像不断更换，视觉听觉感受真切。看晚会竟然如同在现场传达一般，将节目巧妙地呈现在电视屏幕上，让观众在电视机前就能沉浸在晚会的热闹氛围里，如果没有这项技术，观众根本不可能有如此真切的观看体验。此外，在国内诸多高校也参与到增强现实这项技术的研究中来，例如国防科学技术大学，中国电子科技大学和华中科技大学等大学首先在对增强现实技术的研究中取得了进展。例如，在增强现实中基于Teleoperation Based的一项关键技术已经被华中科技大学用一种基于视觉的增强现实跟踪注册提出，对于增强现实操作系统的构建是由以立体显示为原理的头盔显示器和提供远程呈现视觉遥控操作员的反馈来完成的[6]。
增强现实作为虚拟现实的重要分支，具有很好的探索和应用前景。将虚拟物体移入现实世界不仅可以改善现实世界的信息，同时也赋予人们更有趣的视觉体验。
四．AR技术的应用前景在风景区的显示区域
近年来，旅游业发展迅速，旅游业进入了一个新的黄金时代。 旅游业在刺激国家和城市经济中发挥主导作用，各国都重视旅游业。 随着经济全球化，旅游业发展强劲并已经从一个普通的服务业发展成为一个全球最强大的行业经济。 2011-2021年旅游经济影响报告3月份由世界旅游和旅行理事会发布说， 由于2011年3月遇到很多挑战和不确定性，虽然世界经济增长有所下降，但旅游行业一直是增长最快的部门行业之一，并成为推动经济增长和提高就业率的主要力量[7]。 对于我们国家，旅游业在改善我们的生活质量和推动我们的国际竞争力方面作出重大贡献，对增强经济实力和促进就业增长功不可没。
随着AR技术的成熟，将AR技术应用于旅游景点的展示越来越受游客欢迎。它不仅可以让游客更详细的了解景点，也能起到很好的宣传效果。通过目前普遍的Unity3D开发平台，我们可以达到很好的增强现实效果。 Unity3D是一款由Unity开发出来并允许用户创建诸如3D视频游戏，建筑可视化，实时3D动画和其他类型的交互式平台游戏开发工具，是一款全面整合专业游戏引擎。通过Unity3D平台结合增强现实和图像识别技术，制作一个景点的独家标识图，然后将这个景点的3D立体模型匹配到识别图。类似快速扫描响应，通过智能手机或电脑的相机进行扫描身份识别，我们可以清楚地看到模拟3D投影的景点，提前了解景点的整体轮廓。同样的，3D立体投影可以通过手动互动和其他操作来调整投影视图位置来达到预期的效果。总的来说，基本过程可以分为三个步骤：图像识别，特征匹配和虚实结合。
为了便于提取图像特征点的坐标，许多研究人员都选用特殊的几何构造标记形状，主要由于具有易于提取特征标志点的特点[8]。 图4展示了一些常见的标志点（通常称为识别图）。
识别图像中的这些标志点并找到它们关键的已知功能，对相应的2D功能图像中的点和真实场景中的3D的点采用姿态估计算法来估测用户的真实想法并完成跟踪注册，最后，准确的虚拟信息是经过渲染后叠加到真实的场景或显示设备[8]。 图5是增强现实显示中虚拟场景叠加到真实的场景上的效果图。
结合上述AR技术，图像识别技术，跟踪注册等先进的技术，确定页面进入景区标识图后，然后对被3D立体模型所取代的景区效果图进行游览，最后，我们可以通过移动智能显示设备轻松看到全景景点。 由于智能手机的普及，我们只需要发送出去景区标识图，人们可以通过他们的智能手机扫描并识别。 与之相反的传统纸张宣传和网络宣传，结合增强现实技术进行宣传，人们只需要在手机下载一个APP，就可以看到3D景点全景。 它不仅节省资源，也使人们更容易了解景区，更好达到全方位3D宣传的效果。
五．结论
如今，对我们来说增强现实技术不再是一项新奇的技术，AR技术在现实世界和虚拟世界中发挥作用。增强现实起着连接作用，并且它结合了现实世界与虚拟世界的信息。随着科学技术的不断发展，研究人员不再满足在二维空间的探索。从二维空间到三维空间，然后到多维空间，从现实世界到现实虚拟世界，再到虚拟世界，研究人员一步一步探索。 AR的出现巧妙地将二维图像转化为三维信息，并且完美实现了虚实结合的效果，增强用户体验，让人们可以感受到不会在现实世界中感受到的东西。虚实结合和增强现实技术不只适用于旅游，也适用于游戏，商业，建筑，军事等领域。同时，增强现实技术仍然需要探索和完善，其潜力和前景非常好。今天是数字信息的时代，数据信息从二维到三维，向移动设备转移，例如可以在移动设备中看到景点的3D全景。如何从现实世界到虚拟世界，并最终实现两者的完美结合，这是个新概念，也是研究人员面临的新挑战。
致谢：
本文由华东理工大学博士基金（No. DHBK201101）资助。
参考文献：
[1]廖玉峰。增强现实应用研究（AR）技术在图书馆中的应用[J]。信息和文件服务，2017，38（1）：62-66。
[2]杨国强。卡牌游戏的设计与实现基于AR技术的手机。吉林大学，2016。
[3]陈灿新。跟踪与跟踪关键技术研究移动增强现实注册。华南科技大学，2013年。
[4]杨国强。卡牌游戏的设计与实现基于AR技术的手机。吉林大学，2016。
[5]匿名。新秀网络外接显示器“AR智能物流系统“[J]。物流技术与应用，2016（11）：118-118。
[6]熊有军。基于遥操作的关键技术研究增强现实[D]。华中科技大学技术，2005年。
[7]刘文海。发展现状，趋势与启示世界旅游业的发展[J]。中国市场，2012（33）：62-65。
[8]桂振文。场景识别与注册研究移动增强现实技术[D]。北京研究院技术，2014年。
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