基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的游戲旅游地圖系統(tǒng)開發(fā)

吳榕華，阮嘉俊，詹坤展，胡奕純，盧嘉裕，楊晉吉

（1.華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510631；2.華南師范大學(xué)旅游管理學(xué)院，廣州 510631）

0 引言

近年來，智慧旅游建設(shè)逐漸成為熱點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，以下簡稱AR）的興起與發(fā)展和游客的個(gè)性化需求，使得智慧旅游軟件行業(yè)發(fā)展勁頭迅猛。而AR旅游游戲地圖App，將AR、互聯(lián)網(wǎng)與旅游相結(jié)合，一方面，以景區(qū)特色文化為背景，玩家可以在游戲過程加深對(duì)景區(qū)的了解，有助于景區(qū)文化的傳播與弘揚(yáng)，提高景區(qū)的吸引力；另一方面，為用戶提供游戲通關(guān)形式的行前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，實(shí)景還原景區(qū)，為用戶出行決策提供幫助，是集AR游戲、智能路徑規(guī)劃、電子導(dǎo)游解說等功能于一身的系統(tǒng)。

國外AR技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，90年代發(fā)展迅速，各大高校、實(shí)驗(yàn)室、研究所等將其研究重心放在人機(jī)交互方式、軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)的研發(fā)等。如1999年,ARToolKit項(xiàng)目發(fā)布，極大地推動(dòng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，更是將AR從PC端推廣至手機(jī)端。2004年，An?drew J.Davison提出了廣角視覺下的實(shí)時(shí)三維SLAM算法，開創(chuàng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)新的研究方法。2012年，谷歌公司推出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型穿戴式智能眼鏡風(fēng)靡一時(shí)。2016年，任天堂推出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手機(jī)游戲Poke?mon Go。2017年蘋果公司發(fā)布AR開發(fā)平臺(tái)ARKit，各式各樣的AR應(yīng)用一時(shí)層出不窮。

而我國對(duì)AR的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)最初以高校為主。2006年，北京理工大學(xué)通過AR技術(shù)還原圓明園。同年，華中科技大學(xué)對(duì)基于AR的遙操作關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了基于視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤注冊(cè)方法和基于實(shí)時(shí)定標(biāo)策略的虛實(shí)配準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)了基于標(biāo)示角點(diǎn)與全局單應(yīng)性矩陣相結(jié)合的三維注冊(cè)方法。2015年，亮風(fēng)臺(tái)發(fā)布HiAR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，包括HiARSDK、云識(shí)別、管理者后臺(tái)等開發(fā)工具，使開發(fā)者能利用其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)框架快速開發(fā)AR應(yīng)用。

1 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，App系統(tǒng)功能模塊圖有三大主要功能，分別是AR游戲、電子導(dǎo)游解說、地圖功能，意在為游客提供最智能的旅游指南，為景區(qū)設(shè)計(jì)專屬的智慧旅游平臺(tái)。

1.1 地圖基本功能實(shí)現(xiàn)

地圖功能調(diào)用了BaiduMap官方API來進(jìn)行開發(fā)，在BaiduMap官方網(wǎng)站申請(qǐng)了一個(gè)開發(fā)密鑰，以在程序中使用BaiduMap所提供的地圖服務(wù)、定位服務(wù)及數(shù)據(jù)服務(wù)等。

圖1 AR旅游游戲地圖系統(tǒng)功能模塊圖

基本地圖模塊，用戶賦予了定位權(quán)限之后，調(diào)用GPS與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，并且全屏顯示地圖當(dāng)前位置，右上方按鈕則提供了切換地圖顯示類型。

導(dǎo)航功能分為騎行導(dǎo)航和步行導(dǎo)航，結(jié)合路徑搜索與定位功能，通過GPS與網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)定位實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前位置，并與規(guī)劃路線相比較，輔以正誤偏向?qū)φ眨源_保正確的導(dǎo)航路線。另外，AR實(shí)景導(dǎo)航還需要調(diào)用到攝像頭，攝像頭返回圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后并實(shí)時(shí)糾正用戶的錯(cuò)誤方位。

搜索模塊會(huì)進(jìn)入POI檢索模式，輸入地點(diǎn)并點(diǎn)擊搜索，彈窗會(huì)顯示當(dāng)前搜索地點(diǎn)附近的吃喝玩樂。依次輸入三個(gè)或者多個(gè)地點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的三個(gè)地點(diǎn)自動(dòng)根據(jù)算法【智能路徑規(guī)劃算法】給出當(dāng)前的最佳游覽路線。

（1）POI檢索實(shí)現(xiàn)

POI周邊檢索是一個(gè)圓形范圍，適用于以某個(gè)位置為中心點(diǎn)，自定義檢索半徑值，搜索某個(gè)位置附近的POI。調(diào)用 mPoiSearch.searchNearby（new PoiNearbySe?archOption（）函數(shù)，通過計(jì)算以當(dāng)前坐標(biāo)為圓心、以地圖放大級(jí)別為半徑的圓形范圍區(qū)域，根據(jù)關(guān)鍵詞搜索當(dāng)前區(qū)域內(nèi)相匹配的位置，并以紅點(diǎn)標(biāo)記搜索結(jié)果返回到當(dāng)前地圖上。

（2）最佳路線生成

最佳路線生成采用【智能路徑規(guī)劃算法】，在線路規(guī)劃輸入框輸入景點(diǎn)A、B、C、D后選擇駕車/公交/步行的方式，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成一條線路，游客再通過周邊搜來尋找合適的住宿地址及美食。

1.2 AR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分析

圖2 AR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能圖

（1）作為Activity的響應(yīng)函數(shù)之一，來進(jìn)行Android設(shè)備當(dāng)前方向和重力方向夾角的計(jì)算并為后序的手勢響應(yīng)的互動(dòng)部分作數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。通過這樣的方式實(shí)時(shí)更新設(shè)備角度，同時(shí)對(duì)手勢互動(dòng)部分進(jìn)行校正。

（2）滑動(dòng)手勢的識(shí)別對(duì)應(yīng)及AR模型中的角度的計(jì)算和響應(yīng)，首先通過onScroll函數(shù)和Activity進(jìn)行手勢上的關(guān)聯(lián)，以此響應(yīng)滑動(dòng)手勢，傳入的x、y兩個(gè)方向上的距離，再通過mOrientation（這個(gè)值同樣由另外的回調(diào)函數(shù)來響應(yīng)修改）來確定當(dāng)前對(duì)應(yīng)的手機(jī)方向和重力的夾角，從而判斷對(duì)應(yīng)的手勢行為來確定對(duì)應(yīng)的3D模型應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的方向。在這基礎(chǔ)上，對(duì)不同關(guān)卡物品的拾取角度進(jìn)行匹配，從而決定相應(yīng)的行為。最后再調(diào)用渲染器的不同函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)用戶滑動(dòng)手勢和模型的互動(dòng)。

（3）通過渲染器和Activity的分離，在Activity中進(jìn)行渲染器的各個(gè)接口函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，對(duì)模型處理和相關(guān)的Activity進(jìn)行分離。渲染器進(jìn)行和底層的Vuforia接口還有系統(tǒng)地城圖形接口的交互，而Activity部分盡量避開和底層的系統(tǒng)圖形接口的直接交互。實(shí)際上是軟件工程的解耦合的思想。

（4）AR系統(tǒng)部分實(shí)際上還額外包括了軟件外的一個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理模型。用于將成型的3D模型轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)可以適用于AR系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)用的數(shù)據(jù)文件。在圖中用藍(lán)色進(jìn)行額外標(biāo)注。

1.3 電子導(dǎo)游解說

電子導(dǎo)游解說功能分為電子解說模塊與AR實(shí)景導(dǎo)航模塊。電子解說模塊將景區(qū)情況以聲文并茂的電子解說形式展現(xiàn)給游客；AR實(shí)景導(dǎo)航模塊通過調(diào)用攝像頭指引游客到達(dá)目的地。

（1）電子解說模塊利用MediaPlayer對(duì)象實(shí)現(xiàn)播放語音功能，“play,pause,stop,hint”按鈕實(shí)現(xiàn)“播放，暫停，停止，進(jìn)度條”功能，當(dāng)游客進(jìn)入情景體驗(yàn)?zāi)K后，點(diǎn)擊“播放按鈕Button”，調(diào)用MediaPlayer對(duì)象，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游語音播放的功能。

（2）AR實(shí)景導(dǎo)航模塊利用百度地圖的API接口函數(shù)，需要在AndroidManifest中配置Camera權(quán)限，申請(qǐng)調(diào)用攝像頭；使導(dǎo)航引擎初始化，發(fā)起導(dǎo)航算路。算路成功后，再回調(diào)函數(shù)中設(shè)置跳轉(zhuǎn)至誘導(dǎo)頁面，在導(dǎo)航頁面 WNaviGuideActivity.this的 onCreate方法中，調(diào)用mNaviHelper.onCreate（WNaviGuideActivity.this）創(chuàng)建誘導(dǎo)View。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能路徑規(guī)劃算法

我們將分支限界法應(yīng)用到實(shí)際的最佳游覽路線的生成中去。結(jié)合百度地圖的路徑檢索，返回的具體的時(shí)間成本甚至是其他成本如價(jià)格等因素。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，根據(jù)用戶實(shí)時(shí)選定的地點(diǎn)。生成對(duì)應(yīng)的一個(gè)完整的最佳游覽路線規(guī)劃。

（1）應(yīng)用算法

分支限界法的設(shè)計(jì)類似于回溯法。然而，回溯法搜索滿足給定性質(zhì)（包括最大化或者最小化）的一個(gè)解或者解的集合，而分支限界法通常只關(guān)心給定函數(shù)的最大化或者最小化。此外，在分支限界法中，算法會(huì)為每一節(jié)點(diǎn)x計(jì)算一個(gè)界，任何可能在以x為根的子樹將變紫色，也就是說，不會(huì)生成任何子節(jié)點(diǎn)。

從此以后我們將假定算法要使給定的耗費(fèi)函數(shù)最小化，最大化的情況與此類似。為了使得分支限界法能應(yīng)用，耗費(fèi)函數(shù)必須滿足下面的屬性：對(duì)于所有的部分解和擴(kuò)展的解（x1，x2，…，xk）必須有：

給出了這個(gè)性質(zhì)，部分解x1，x2，…，xk的耗費(fèi)一旦大于等于先前計(jì)算出來的解的耗費(fèi)，就可以丟棄。于是，如果算法找到了一個(gè)耗費(fèi)為c的解，并且有一個(gè)部分解，它的耗費(fèi)至少是c，那么就不會(huì)有該部分解的擴(kuò)展生成。

簡單來說，分支限界法解決的回溯法類型問題中要求先遍歷各個(gè)問題子結(jié)構(gòu)中的局部最優(yōu)其中與其次優(yōu)子結(jié)構(gòu)解相差最大的，也就是先遍歷“最具爭議”的子結(jié)構(gòu)解，首先這個(gè)最具爭議的子結(jié)構(gòu)解較大可能屬于最優(yōu)解的一部分，而且若不是最優(yōu)解的一部分，最優(yōu)解上升的“速度”也是最快的。對(duì)比選下一條的可能性相對(duì)會(huì)減小。

其算法流程：

①確定所有子問題部分最優(yōu)解。

②確定子問題次優(yōu)解相差最大者。

③遍歷子問題最優(yōu)解并添加到暫時(shí)所生成的最優(yōu)解。

④若還剩子問題，將剩余子問題作為問題子結(jié)構(gòu)再進(jìn)一步，回到第一步；若無子問題或者當(dāng)前解無法產(chǎn)出最優(yōu)解，那么將第三步確定的子問題最優(yōu)解封住，返回第三步，若第三步也無法滿足，返回上一個(gè)問題子結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

（2）實(shí)際應(yīng)用及因素的調(diào)整

游覽具體地點(diǎn)由景區(qū)與團(tuán)隊(duì)確定，并由使用軟件的用戶本身去確定最終輸入智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)部分的是哪幾個(gè)點(diǎn)。

對(duì)應(yīng)到我們的智能路徑規(guī)劃當(dāng)中的計(jì)算當(dāng)中，我們對(duì)時(shí)間、路程等通過發(fā)起百度地圖POI檢索、路徑檢索所能夠返回的一系列成本加以權(quán)值分配，并通過對(duì)游客的心理反應(yīng)等去修正權(quán)值分配值。

最終通過以上方法生成輸入數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的分支限界法算法部分運(yùn)行得到完整游覽路線。

2.2 Pokemon Go風(fēng)格景區(qū)

本文將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)與旅游相結(jié)合，給用戶營造一種身臨其境的感覺。結(jié)合Vuforia以及EasyAR并借鑒了Pokemon Go的游戲模式，系統(tǒng)允許用戶在旅游行程中檢測到所在旅行地點(diǎn)的隱藏對(duì)象，就好比Pokemon Go檢測“小精靈”并進(jìn)行捕捉。相似地，根據(jù)用戶所檢測到的隱藏對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行掃描并自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別成功后會(huì)自動(dòng)在手機(jī)端播放一段關(guān)于該“對(duì)象”的“故事”視頻，營造一種娓娓道來的如臨其境的“導(dǎo)游解說”效果。

在實(shí)現(xiàn)原理上，系統(tǒng)借鑒了Pokemon Go的游戲風(fēng)格。根據(jù)當(dāng)前景區(qū)的歷史淵源，從中選取了部分特色景點(diǎn)作為隱藏對(duì)象的承載者。每一個(gè)隱藏對(duì)象就是一個(gè)潛在的“導(dǎo)游”，只有通過掃描并識(shí)別成功后才能獲取到該對(duì)象的“故事”視頻。

系統(tǒng)借助BaiduMap接口進(jìn)行基本地圖的開發(fā)，用戶可以在行程地圖上發(fā)現(xiàn)“懸浮”提示的隱藏點(diǎn)，并通過“AR導(dǎo)航”到達(dá)相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)“隱藏對(duì)象”進(jìn)行掃描，系統(tǒng)根據(jù)手機(jī)攝像頭返回的圖像數(shù)據(jù)，借助EasyAR提供的接口進(jìn)行對(duì)象的識(shí)別處理操作，再通過Vuforia的VideoPlayer對(duì)虛擬視頻進(jìn)行透明度處理，根據(jù)當(dāng)前識(shí)別對(duì)象以選擇返回播放的虛擬彈出式視頻，從而達(dá)到懸浮虛擬“導(dǎo)游解說”的效果。

3 系統(tǒng)測試效果與市場對(duì)比分析

圖3 AR游戲與AR實(shí)景導(dǎo)航

圖3是AR游戲與AR導(dǎo)航的測試效果圖，圖片上半部分圖書館模型展示AR游戲效果，下半部分展示用戶利用App實(shí)現(xiàn)AR實(shí)景導(dǎo)航的過程。

由于智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備和“智慧旅游”概念的普及，旅游類App也快速發(fā)展，而這些旅游App也各有所側(cè)重，可以把它們分成三大類，分別是工具型、導(dǎo)游型和綜合型。

工具型主要指以提供預(yù)訂酒店、交通工具、景點(diǎn)門票及翻譯、匯率換算、實(shí)時(shí)天氣等功能的App，例如Airbnb、booking等，以提供住宿預(yù)訂功能為主。

導(dǎo)游型App側(cè)重于在行程前提供行程規(guī)劃、景區(qū)介紹等功能，旅游過程中提供地圖、導(dǎo)航、語音解說等功能，行程后提供分享旅游心得等功能。

綜合型App則有較豐富的內(nèi)容和功能，不單實(shí)現(xiàn)某一功能，提供“一站式”服務(wù)，既包括出游前期的預(yù)訂和線路規(guī)劃等服務(wù)也包含其他功能，這類App能大大地減少用戶花費(fèi)的時(shí)間和精力，例如攜程、去哪兒等，都能較全面地提供旅游類的各種信息服務(wù)。

AR旅游游戲地圖App在調(diào)用百度地圖的API的基礎(chǔ)上提供AR實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能；其智能路徑規(guī)劃功能則是能在多個(gè)景點(diǎn)中進(jìn)行旅游線路規(guī)劃，同時(shí)提供線路周邊的吃住玩推薦功能，更大程度上方便游客進(jìn)行專屬的線路規(guī)劃；景區(qū)介紹上則是結(jié)合自身根據(jù)景區(qū)歷史文化背景設(shè)計(jì)的AR游戲進(jìn)行提前體驗(yàn)，提高景區(qū)吸引力。同時(shí)，在游覽時(shí)也提供景區(qū)的語音解說，是結(jié)合智能路徑規(guī)劃、AR導(dǎo)航、語音解說和AR游戲體驗(yàn)四大功能的綜合型旅游App。

4 結(jié)語

基于Android平臺(tái)的AR旅游游戲地圖App，集AR游戲體驗(yàn)、智能路徑規(guī)劃、電子導(dǎo)游解說于一身。App基于分支限界法實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃功能，通過Vu?foria接口將原有的3D模型改成具有景點(diǎn)特色的模型并加入視頻功能實(shí)現(xiàn)AR游戲，該App的實(shí)現(xiàn)對(duì)AR游戲和旅游地圖具有一定的參考價(jià)值。