武汉东湖绿道

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・技术交流

增强现实技术，即将计算机生成的虚拟的三维模型叠加

到现实玉米馒头 场景中，使用户可与之进行实时的交互，获得沉浸式

体验的计算机技术。本文运用增强现实技术，设计并实现了

一个具有交互性的增强现实系统，在武汉东湖绿道上向游人

交互式地展示武汉百年复兴之路，弘扬革命精神，增强文化

自信。首先，根据实际场景运用建模软件进行场景和模型的

制作；选择健壮性好、识别精度高的高通Vuforia算法进行目

标识别；使用可跨平台的三维游戏制作引擎Unity3D进行系统

开发。基于AR技术的武汉东湖绿道交互展示系统实现了对旅游景点和历史文化的数字化呈现，高中生学习 带给用户全新的体验。

增强现实技术（AugmentedReality，简称AR）是将计算

机生成的虚拟场景或对象与现实世界连接起来的一种计算机

技术，它可使虚拟物体与现实场景共同显示，使用者可通过

多种方式结合硬件设备与虚拟对象进行交互，收获超越现实

的感官体验。“AugmentReality”这个专业名词最早出现于

1网件路由器登陆网址 990年，波音公司的TomCaudell（康绍鹏：增强现实关键技

术研究）等人提出“AugmentReality”这个专业名词。90年

代以后，国际增强现实工作会议(IWA安全无小事 R)、国际增强现实研

讨会(ISAR)和国际混合与增强现实会议(ISMAR)每年都会召

开，来自世界各地的增强现实技术的专家和学者一起共同商

讨AR研究的发展。

国内对于增强现实技术的研究起步较晚，在1998年中国

智能自动化学术会议上，杨斌（杨斌，叶榛，王家廞：虚拟

环境中立体视觉的技术与应用）等提出“虚拟环境中有3种

技术：虚拟现实、增强现实和临场感”。北京理工大学贡菊花 的王

涌天（陈靖，王涌天，林精敦等：基于增强现实技术的圆明

园景观数字重现）教授利用增强现实技术复现圆明园昔日美

景，佛山市非物质文化遗产保护中心联合佛山邮政发行佛山

国家级非遗项目AR明信片。本文旨在基于AR技术，选择最

佳的图像特征识别框架，开发武汉东湖绿道游人交互式展示

系统，解决城市文化传播、意识形态建设方面抽象、枯燥等问题，为游人者提供具有交互性、趣味性的全新体验环境。

1关键技术

1.13D建模技术

本系统多使用多边形建模。建模前首先分析模型可由

哪个基础图形变形而来，然后经过Extrude工具挤压，Split

PloygonTool工具加线等步骤进行初步打磨处理，得到模型

的基本形状，在制作过程中多次使用圆滑效果处理，优化模

型。确定模型形状后进行赋予材质和贴图工作。最后开发增强现实系统，首先要选择并确定虚拟对象，获取真实对象的

三视图，然后利用3DMAX、MAYA、

CINIMA4D软件进行3D模型制作。1.2图像识别技术

图像识别技术是增强现实系统开

发中的核心技术之一，只有通过高效的

识别算法将识别图精准地匹配到数据库

中，才能够顺利地展现出对应模型。图

像识别是根据图像特征，如颜色、纹

理、空间关系等来区分图像中的对象，

其中，图像特征分为全局特征与局部特

征。基于特征点的图像识别一般分为图

像与处理、特征点检测、特征描述、特

征点匹配识别四个步骤。Vuforia是高通

公司推出的一款针对移动端AR应用开

发的SDK，是目前在AR开发中应用最

广泛的图像识别算法。它提供用于实现

图像识别的接口，使用者可以直接通过

输入参数和数据进行使用。1.3跟踪注册技术

跟踪注册技术就是通过算法快速

计算虚拟空间与现实空间坐标之间的映

射关系，实现虚拟对象与真实场景的完

美叠加，这就要求对现实场景的对象进

行准确跟踪与定位。虚拟世界和现实世

界均有自己的三维坐标，找到两个世界

之间的转换坐标，将二者统一起来，这

个过程就是注册（Registration）。在用

户使用系统的过程中，其所在位置等因

素不断发生改变，此时，虚拟世界坐标

与现实世界坐标之间的转换关系也会随

着用户状态情况的实时变化产生相应变

化，这一转换关系的变化过程就是追踪

（Tracking）。

2系统技术框架

2.1系统架构

增强现实系统通常有以下几个部分

组成：识别图预处理、特征检测、特征

匹配、三维匹配、UV纹理匹配、虚实

结合。其中，图像识别、匹配部分是保证增强现实系统显示的关键技术。本系

华

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展

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系

统

的

设

计

与

实现

•

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・技术交流

统依托于常规增强现实系统框架进行拓展，具体系统架构如图2.1所示。

其中，数据库搭建在Vuforia提供的TargetManager网页工具上，以package

的方式导入Unity开发引擎。场景采集由硬件设备摄像头捕捉获取，图像

识别和三位注册模块选择最佳对应算法，以确保系统效率。交互功能分

为模型旋转、模型缩放、交互动画、三维动画、普通视频五大部分，通

过c#脚本控制。

图2.1系统架构

2.2Unity3D建模

本系统采用专业三维创作引擎Unity3D实现增强现实系统的跟踪注册

部分，并通过C#语言编写控制脚本实现所需功能。在Unity中，可以操控

模型对象、布局模型位置、制作动画，通过添加c#脚本实现所需交互功

能或补充丰富的多媒体资源(如图2.2所示)。

图2.2Unity3D中的3D模型

2.3图像特征识别步骤

角点是图像的重要特征，所含信息含量很高，是图像识别的关键所

在。在增强现实系统中，由于高通Vuforia提供的第三方接口在性能、质量以及准确率方面相当平衡，得到的特征点足够满足需求，运行时间最

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快，具有较好的鲁棒性，故本系统选择高通Vuforia作为图像

识别算法。图2.3所示为利用高通Vuforia算法对识别图典故“高山流水”进行特征点检测的结果。

图2.3高通Vuforia算法识别结果

3基于AR技术的武汉东湖绿道交互展示系统

本项目将习主席与印度总理莫迪在东湖绿道的会谈，毛

泽东武汉农民讲习所、黄鹤楼、武汉辛亥革命纪念馆、九女

墩、屈原亭等多处武汉著名地标进行实地考察，深入调研、

拍摄，结合文献资料，最终选择运用3DMAX建模软件实现

模型设计。

3.1识别图制作与导入

我们采用Vuforia为提供了一个图片数据库管理工具

TargetManager，用它创建了相应的数据库，上传符合格式

要求的识别图target，并操控增删工作。每个Vuforia引擎支

持的项目都需要有唯一的licenkey与之对应，因此在导入

数据库之前我们要先申请一个licenkey，再将此Unity项

目中的AR摄像头与这个licenkey进行绑定，充分使用了

Vuforia提供的功能。完成识别图上传之后，下载网页生成

的.unitypackage资源包，将其导入Unity即可使用。3.2Unity3D场景搭建

首先打开Unity3D引擎，新建一个工程，删除默认相机

Camera，新建一个ARCamera。然后，在场景中添加Image

Target对象，将对应3D模型或多媒体资源拖至ImageTarget对

象成为其子对象，这样当成功识别图片之后就会呈现对应的

内容及功能。图3.1、图3.2所示分别为黄鹤楼3D模型、九女

墩3D模型的设计。图3.3所示为Animator制作动画方式。

图3.1黄鹤楼3D模型图3.2九女墩3D模型

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图3.3Animator制作动画方式

对于任意3D模型，可将c#脚本添加至右侧Inspector脚本

控制区域，再将c#控制脚本添加模型上儿童故事网 ，赋予其交互功能。

本系统的交互功能包括缩放、旋转、移动。以挂靠c#脚本控

制模型缩放为例，图3.4所示为c#控制模型缩放脚本。

图3.4c#控制模型缩放脚本

对于三维动画和普通视频资源，以mp4格式导入，新建

Canvas画布对象，选择Button控件，添加c#脚本实现视音频

播放控制。通过点击播放或暂停按钮，可实现视频的播放

控制，且在识别匹配失败时终止音频播放，重新匹配成功

后继续播放（如图3.5所示）。图3.6所示为c#控制视频播放脚本。

图3.5Unity3D中多媒体资源文件放置图3.6c#控制视频播放脚本

3.3将工程文件生成应用程序

Unity3D引擎可直接将工程文件发布为可在Android系统上运行的apk。

导出的apk可直接在手机上下载安装，直接使用，也可以在安装有安卓模拟

器的PC机上直接运行。图3.7所示为本系统在魅蓝手机上的运行效果。

图3.7为项目整体模型

4系统性能测试

本系统在移动端和PC端均可顺利运行，通过摄像头照射项目模型上的

识别图或者二维码即可在屏幕上呈现对应的3D模型或多媒体资源，用户可

以通过触摸屏幕或识别图进行交互，本系统使用可交互的3D模型，自制3D动画，普通视频和音频等多种方式展现武汉著名景点和红色故事。

本系统完成后由中国合格评定国家认可委员会认可的武汉光庭信息

技术股份公司测评中心对本软件系统进行了测试。4.1二维码识别

用户在使摄像头照射到二维码后约0.03秒即在设备上呈现对应3D模

型或多媒体资源，基本达到肉眼不可辨的程度，测试过程中未出现响应

无效或缓慢的情况。4.23D图片识别效果

用户在使摄像头照射到识别图后约0.05秒即在设备上呈现对应3D模

型或多媒体资源，基本达到肉眼不可辨的程度，测试过程中未出现响应

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无效或缓慢的情况。4.3交互功能效果

本系统中的所有3D模型均添加有缩放、移动、旋转的控制脚本。

交互过程中模型动作实现顺利，未出现卡顿等异常状况。以模型缩放为

例，图4.1(a)为模型放大前，(b)为模型放大后。

5结语

本文以前增强现实技术为出发点，选择具有良好鲁棒性

与识别效率的图像识别算法，开发武汉东湖绿道复兴之路交

互展示系统。本系统尝试突破传统的人机交互形式，选择三

维模型、三维动画、主题视频等多角度的展现方式，旨在为

用户提供更全面、可观可感可悟的用户体验。本系统将武汉

历史遗迹、红色景点等著名地标数字化，其便携性、共享

性使得用户足不出户即可切身体验武汉韵味，用户可在体验

AR技术的同时，感悟中华复兴之路，品味荆楚文化，增强文化自信。

基金项目：国家社会科学基金项目（项目批准号：

图4.1(a)手机端运行效果展示图4.1(b)为模型放大后

17BYY111）。

4.4视频播放情况

本系统共包含普通视频、三维动画6个。在运行过程中，需要通过点

击硬件设备显示器上呈现的开始播放按钮启动视频播放，点击暂停按钮即可暂停视频播放，再点击开始播放按钮会从终止处继续播放。

作者简介：

刘念【通讯作者】（1998—），女，大学本科，研究方向为虚拟现实和增强现实。

郑世珏（1955—），男，博士，教授，博士生导师。

（上接第132页）

图5常规PID控制实验结果图6模糊PID参数自整定实验结果

调整PID规则进行优化，将优化后的规则通过simulink仿真和在天

煌THFCS-1A型过控综合自动化控制实验系统上的实验也都证明模

糊自整定PID控制具有反应动作快，稳态误差小的、鲁棒性好的控制效果。

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