基于Unity3D的仙都鼎湖峰景區智能導游系統的研究與實現

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，傳統的旅游方式已經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交互技術以及傾斜攝影三維重建等建模技術，以仙都鼎湖峰景區為例，研究和開發在旅游景區內可以自助導覽的智能導游系統，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的美麗風景，還可以為游客以圖文并茂或虛擬再現的方式介紹景點知識及有關民間傳說故事等，滿足游客自主性、個性化旅游的需求。

關鍵詞：Unity3D;AR交互技術;智慧旅游;景區智能導游

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

近年來隨著互聯網和通訊技術的飛速發展，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，人們對旅游業發展的要求不斷提高，智慧旅游是大勢所趨。利用當前最新的虛擬現實等技術對旅游景區智能導游系統的開發和應用，一方面讓游覽者利用互聯網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美麗風景，從而激發他們去旅游景區游覽的熱情;其次，當游覽者親身來到景區旅游時，可以利用智能手機等便攜工具通過智能導游系統，與景區中的景物進行交互，實現為游覽者介紹景點特色、文物古跡等有關知識以及講解有關民間傳說和故事等智能導游功能，提高游覽者的旅游興趣和積極性，提升旅游信息服務、改善游客旅游體驗，從而吸引更多的游客來此旅游，提高景區的社會影響和經濟效益。另外，還可以通過對重點文物三維數字化建模和歷史文獻資料數字媒體的建設，達到文物資料數字化保護的功能;對于一些景區中由于歷史的原因已經毀滅的文物古跡，可以通過智慧旅游系統虛擬再現，從而完善和豐富景區的旅游資源，提高景區的知名度，增強旅游景區的競爭力。

2國內外研究研發現狀和發展趨勢

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實技術在旅游業的理論、技術和應用研究。R.Cheong學者認為虛擬旅游可能會取代現實旅游和旅行，成為一種新興的旅游產品;在技術方面國外主要在三維模型的創建、衛星遙感影像的處理、虛擬現實和GIS相結合等方面的技術進行了大量的研究。

在國內，雖然“智慧旅游”被國家旅游局寫入了“十二五旅游發展規劃”當中。但目前主要是通過360度全景圖片來實現3D效果的各種景區智慧旅游系統。研究的內容主要集中在對旅游景點虛擬、文物再現、遺址重建等方面，比如虛擬校園、虛擬城市、產品展示等，交互方面主要還是實現三維漫游，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備上顯示風景的方式并不是真正的3D技術，實質還是二維的，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都十分重視開展智慧旅游技術的研究和相關系統的開發和建設，但對智慧旅游的研究在廣度和深度上都還有待提高。

3景區智能導游系統研究的主要內容

本系統的研究主要是利用三維建模技術對仙都旅游景區的最主要部分鼎湖峰景區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過貼圖、渲染或烘焙等處理后導入Unity 3D等VR/AR制作引擎中進行交互設計，完成一個場景逼真，人機交互良好，具有虛擬與現實融合交互功能的旅游景區智能導游系統。該系統可以實現虛擬導游和實景輔助導游功能，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進行虛擬游覽景區：在走進景區前可以獲得景點概況的介紹;進入景區后可以按照路線圖控制游客角色在虛擬三維景區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知識，以及有關民間傳說和故事等。另外，游客如果是到景區實地旅游，還可以利用智能手機等便攜終端，通過該系統掃描景區中的特定景物或標示牌，就可以在智能終端屏幕上出現相關景點的虛擬物體、人物或動畫視頻等，以虛實結合或虛擬再現等增強現實方式為游客講解有關民間傳說和故事。

4系統設計中的關鍵技術及功能實現

4.1旅游景區大型三維場景和主要景觀三維模型的創建

由于仙都鼎湖峰景區是集自然景觀和歷史人文景觀于一體的風景區，其中不僅有被譽為“天下第一峰”的鼎湖峰;還有歷史悠久、規模宏大的黃帝祠宇，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。所以該景區的場景比較復雜，不但有大量奇形怪狀的巖石和山體樹木構成的自然景觀，而且還有數量較多的亭臺樓閣。為了盡可能真實地體現風景區的原貌，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，然后經過三維重建的方法，得到鼎湖峰景區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場景模型如圖1所示。

但是目前上述經過三維重建而成的鼎湖峰景區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的實際情況按比例創建編輯地形，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、外側門窗、四周屋檐采用精細建模，閣樓內部看不到的復雜結構采用粗略建模，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。總之，在所有建模過程中，模型面數要盡可能精簡，以保證系統流暢運行。創建好的黃帝祠字模型如圖2所示，鼎湖峰景區核心場景模型如圖3所示。

4.2三維虛擬物體之間的碰撞檢測

碰撞檢測是虛擬現實系統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。如果設置了碰撞檢測，當一個物體碰到另一個物體時，就不會產生“穿樹而過”的效果。由于本系統需要讓虛擬游客角色在虛擬的三維旅游景區中游覽，就難免會與景區中的景物發生碰撞，系統中不能出現虛擬角色“穿墻而過”的現象發生。因此在系統中必須能夠實時、精確地判斷場景中物體之間是否發生碰撞。碰撞檢測由碰撞檢測和碰撞響應兩部分的內容組成。Unity3d內置的物理引擎可以方便地實現基于包圍盒的空間碰撞檢測算法。

4.3人機交互控制技術及場景漫游和景點介紹功能的實現

人機交互控制是虛擬現實或增強現實技術的重要特征。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對其中的物體進行實時地操作，并能從虛擬環境中得到反饋的信息等。本系統中需要實現利用鍵盤、鼠標或智能手機等交互工具對旅游景區場景中的攝像機視角進行移動和旋轉變換，實現在景區場景中漫游功能;另外對特定的景物做出響應，彈出景點介紹、講解經典故事的文字或視頻等。

4.3.1景區漫游功能的實現

本系統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進行參觀游覽，實現對整個景區的漫游功能，具體實現方法為：

首先在場景中創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帶有碰撞檢測功能的游客角色。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，從而實現游客角色在景區場景中的參觀游覽功能。

4.3.2景點介紹導覽功能的實現

智能導游系統除了引導游客在景區場景中漫游參觀外，還需要對景區中的主要景點和人文景觀進行介紹。本系統主要通過在景區主頁面上點擊景區介紹按鈕，彈出文本框為游客介紹景區的總體概況、各主要景點分布及路線圖的方法引導游客進入景區游覽，然后根據路線圖，讓游客漫游到各景點附近就會發現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，我們還利用增強現實AR技術，對鼎湖峰景點進行進一步交互設計，游客通過安裝專門的App應用程序，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旅游景區智能導游系統的設計與實現

完成鼎湖峰景區主要場景和其中亭臺樓閣等三維模型的創建后，還需經過貼圖、設置燈光，烘焙等模型優化工作，最后分別導出成fbx格式的文件，就可以導入到Unity3D開發環境中，進行具有漫游和各種交互功能的智能導游系統的設計開發。首先，利用Unity3D中的地形工具，根據景區的實際情況結合導入的無人機攝影經三維重建得到的有效鼎湖峰場景模型，補充完成整個景區的三維場景，做到創建的地形與導人的場景模型進行無縫連接，并對其中的小溪利用unity3D系統資源包中的waterProDaytime添加流動的溪水;再將景區大門及各種亭臺樓閣放置到相應的位置，最后對整個場景根據實際進行優化，就可完成鼎湖峰景區的場景設計。其次，我們利用前面已完成的系統所需關鍵技術的研究成果，通過C#腳本編程即可實現以第一人稱角色方式對整個鼎湖峰景區的自主漫游和各種景點介紹導覽的交互操作功能;最后，利用unity3D的uGuI界面系統完成對整個智能導游系統的界面設計，得到人機界面友好的系統操作界面，再經過性能測試并對模型及交互功能優化后，就可以根據需要發布到PC平臺或移動終端平臺，得到可執行應用程序，完成仙都鼎湖峰智能導游系統的設計開發。

6總結與展望

景區智能導游系統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周邊的住宿、餐飲、交通路線及交通狀況等方面的服務信息，本系統只是對景區智能導游系統中最主要的景區導覽部分進行研究和系統設計，所以從系統的服務內容上還有待擴充;在技術方面，特別是AR虛實結合的交互技術在系統開發應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出更多、更精彩、體驗效果更好的作品。