基于增强现实技术的环境解说系统研究

边 策

(国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100013)

1 引言

随着生态旅游的发展和环境教育的需要，环境解说环节变得十分重要。虽然许多生态旅游区有环境解说，但解说媒介还仅限于导游、解说牌等，形式单一。即使资金投入较多的生态旅游区增添了多媒体设备、解说出版物等，其效果也不尽人意。可见，当前环境解说远远不能满足生态旅游发展的需要。

通过一系列的线上问卷调查发现，大部分经常进行旅游或者生态旅游的游客了解AR技术，并且对于将AR这一新技术应用于环境解说中持正面态度。86.5%的游客愿意去生态旅游区旅游并接受环境教育，82.2%的游客愿意把有趣的AR体验活动分享给亲朋好友。

因此将目前新兴的AR技术作为一种媒介形式运用到环境解说中，使其变得生动、有趣，吸引游客的注意，使游客与解说资源产生互动，并沉浸到其中。这种注重游客的体验的解说形式是值得使用和推广的。

2 增强现实技术的内涵和特征

2.1 增强现实技术的内涵

2.1.1 增强现实技术

增强现实(Augmented Reality，简称“AR”)(图1)，是由计算机系统提供信息，在现实世界的基础上叠加虚拟的物体、元素，营造一个虚拟场景，使用户增加对现实世界感知的技术，是把真实世界和虚拟世界进行“无缝”衔接的新技术。通过这种技术，实现人们对真实世界认知的补充，感受在现实世界中无法亲身经历的体验。

AR技术自问世以来，至今已有近30年的历史。AR有广义和狭义两种不同的概念。广义概念中的AR被定义为“用模拟线索增强自然场景并反馈给操作者”，而狭义概念中的AR则被定义为“是一种参与者戴着透明的头盔显示器以清晰看到真实世界的虚拟现实的形式”。根据Milgram等人提出的“米尔格拉姆真实虚拟连续集”定义，这是一种从完全真实的环境到完全虚拟环境的模式，这个连续集中真实环境与虚拟环境之间的空间被称为混合现实(mixed reality，简称“MR”)，是真实到虚拟的统一体(图2)[2,3]。

图1 增强现实

图2 真实到虚拟的统一体

目前，AR技术已经应用到许多领域，如医学、教育、军事、游戏、建筑、设计、营销、会展等。作为一门新兴的技术，已经越来越深入我们的生活。尤其是在打破传统教育模式中比较凸显，它以简洁、直观的互动方式，满足人们的发掘和探索的心理需求。比如，利用AR技术对圆明园进行数字重建，使断壁残垣得以复原(图3)。基于AR技术的圆明园数字重建可以在完整保持遗址风貌的基础上，在遗址现场全面、立体、精致地再现圆明园无与伦比的园林艺术，同时展现中华民族古典文化的博大精深以及对现代科技的发展和应用[4]。

2.1.2 增强现实与虚拟现实的区别

虚拟现实(Virtual Reality，简称“VR”)(图4)也称人工环境，是一项利用计算机技术合成图像、声音、气味等，使用户产生逼真的三维的视、听、嗅觉等感觉，人们作为参与者对这个形成的虚拟世界进行体验。该技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果。

图3 真实场景及游人通过定点式AR系统所见效果

图4虚拟现实

通俗地说，在VR中，人们感受到的场景和人物全是假的，是借助一种技术手段把人们带入一个虚拟的世界。而在AR中，人们所感受到的场景和人物一部分是真一部分是假，是把虚拟的信息带入到现实世界中。AR和VR的区别大致可概括为以下两点(表1)。

(1)适合运用两种技术的场地不同。VR技术适合在室内运用，可通过显示屏营造一个完全虚拟的空间，画面的生成和渲染由相连的计算机、游戏机或手机操作产生，使人们有身临其境的感觉。

AR技术在室内、室外都可以运用，可通过计算机等高科技设备，突破真实环境的限制，在真实的世界中叠加虚拟内容，对真实的环境以及其中的内容进行详细地解释与渲染，让人们能够在真实环境中，产生某种特别的体验。

(2)两种技术的主宰者不同。VR是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是VR技术中的主宰者。

不同的是，AR技术的环境是真实环境，只是技术依靠计算机。人们利用环境特点，使用特殊的功能、装置来进行不同的渲染，不同的环境特点有不同的渲染效果，最终达到人与环境互动的目的。因此，AR是人依据环境进行功能的设定，是人和环境互动的。

由此看来，AR技术是VR技术的延伸，是在VR的基础上发展起来的新技术。

表1增强现实和虚拟现实的区别比较

区别项虚拟现实技术增强现实技术运用场地室内室内、室外主宰者人主宰人和环境互动

2.2 增强现实技术的特征

AR技术有很多特征，其中虚实结合、实时交互和三维跟踪是它的三大基本特征。

2.2.1 虚实结合

AR技术是通过真实环境叠加虚拟景象产生的，类似于X光透视。这项技术最大的特点就是虚拟与现实的融合，它可以将显示器屏幕扩展到真实环境，在现实对象中将计算机窗口与图标相互叠映，由眼睛凝视或手势指点进行操作。AR技术的增强效果是没有隔离感的，能够让人们在操作的时候感觉到虚拟景象和真实环境是融合在一起的。比如，在生态旅游区的环境解说系统中，将地图信息直接嵌入现实景观，能够引导游客进行参观。

2.2.2 实时交互

AR技术还注重实时和互交，可有效地做到虚实互动。AR技术的互交性不再是具备明确的位置，它能够扩展到整个环境，从简单的人面对屏幕交流发展到将自己融合于周围的空间与对象中。在有AR技术的现实场景中，人们可以通过实时互交对某个具体事物进行即时而详尽地了解。比如，在生态旅游区中，游客只需要“看”或“点击”一株植物、一个小品、一种生态技术等，就能显示这些事物的信息。

2.2.3 三维跟踪

三维跟踪，也叫三维注册，是指实时地辨别摄像机与场景之间的相对空间方位。三维跟踪是AR的核心技术[5]。依靠此技术，可以把虚拟的图像和文字与现实世界中的场景相结合。因此，在生态旅游区的环境解说系统中，通过三位跟踪技术，能够准确地对真实环境中的物体、场景进行定位、分类，使得给游客提供的自然环境知识准确无误并自然地呈现在人们的面前，给人们身临其境的感觉。

3 增强现实技术的应用

3.1 环境解说及环境解说系统

环境解说(environmental interpretation)是一种融教育、信息传递、管理为一体的交流服务过程，是一种特殊的解说，凭借原始事物以及游客自身经历，借助各种媒体，通过激励、交流、引导和娱乐等方式，揭示当地景物的意义和相互关系，培养人们对面然遗产、资源及环境保护的道德和价值观。

环境解说系统(environmental interpretation system)是以人与环境的关系为主线，以环境教育为核心，以环境保护为目标，通过环境解说要素资源的有效配置，实现各种要素之间的良性互动。

环境解说系统由三要素构成，即解说资源、解说媒介和解说受众。本文讨论的AR技术就是解说媒介——多媒体设备中的一种支持技术。构建环境解说系统是为了处理好人与环境的关系，彰显环境教育的重要性，并通过环境解说提升人们的环境保护的意识与自觉性，明确保护环境是环境解说的主要目标。

3.2 增强现实技术在环境解说中的作用

环境解说系统在生态旅游中起着关键作用，尤其是像具有AR技术的多媒体设备这样的解说媒介，具有和游客的互动环节，能够使游客和解说资源发生相互依赖的行为，使得信息有效传递。这种情景式、沉浸式、交互式的体感学习方式，能够培养受众的自主性、能动性和创造性，在环境解说系统中起到了重要的作用。AR技术在环境解说中可以发挥以下3个方面的作用。

3.2.1 能够增强环境解说的趣味性

AR技术能够增加环境教育活动的趣味性。游客在生态旅游区接受环境教育时，接受环境解说的方式不再是以前浏览景区简介和参观博物馆等一些简单枯燥的形式，取而代之的是根据AR技术营造的更加新颖的解说方式。解说方式增加了趣味性，环境教育也就变得寓教于乐。游客使用这种具有新技术的科技产品，不仅为了获得有用的信息，还为了享受使用的经历和体验[6]。

3.2.2 有利于环境解说中的互动

环境教育的重要特点之一就是互动。具有AR技术的解说媒介与传统的非解说人员媒介(标牌、解说出版物等)相比，更增添了受众与媒介之间的交流和互动，使受众自然而然地接受知识，并主动提出疑问或寻求更深层面的问题，而非以往被动地接受灌输式讲解，却不能牢记。AR技术建立起来的虚拟导游，与游客的互动更加频繁，拉近了与旅游者之间的距离[7]。

3.2.3 有助于环境解说的普及

随着AR技术的发展，更多的环境解说可以逐渐普及这一技术。生态旅游区AR技术的普及分为两个方面，一方面是AR技术的解说媒介，作为一种较先进的解说媒介，增强户外教学，适用于户外类型的学习，在各个生态旅游区具有较好的普及性；另一方面是随着电子设备的广泛发展，很多AR软件只需使用智能手机或平板电脑，不需要额外的专门设备，能让越来越多的人接触AR技术。

3.3 增强现实技术在环境解说系统中的应用

运用AR技术，以它的3种作用为出发点，规划生态旅游区环境解说系统。在进行规划时，存在着运用什么设备、如何识别、显示什么内容等问题。带着这些问题，可以总结出以下3个要点。

3.3.1 设备的选择

若使用AR技术来进行生态旅游，首先要考虑让用户使用什么设备体验。目前市场上的AR设备主要有头戴设备、手持设备、固定设备、佩戴设备等，不同的设备有其不同的特点(表2)。头戴设备主要指头戴AR智能眼镜，它的优点是基于第一视角的交互更自然[1]，但其价格昂贵，市场普及度较低。手持设备主要指智能手机或平板电脑，它几乎人人具备、携带方便，但可能存在硬件设备的兼容性问题。固定设备主要指全息投影仪，它能给观众带来更震撼的场面、更身临其境的体验，但其价格也很昂贵，而且不能移动。佩戴设备主要指AR隐形眼镜，这是一款正在研发中的高级AR设备，它整合了摄像头、运动感应器、传输器和显示屏，摆脱了头戴AR眼镜的笨重，但造价极为昂贵。

可见，手机和平板电脑易于携带，普及度高，成本低，是规划生态旅游解说系统时的首选设备。AR智能眼镜和全息投影仪可在景区资金条件允许的情况下，在适合的景点处添加。

表2 主要AR设备比较

3.3.2 识别技术的应用

通俗的讲，环境解说就是向受众讲解解说资源，那么基于AR技术的环境解说能够表达地更丰富、讲解地更加淋漓尽致。若要使AR更加自然和逼真，识别便是关键环节之一。在这个环节中需要重点考虑识别技术的选择和识别标志物的设置。

3.3.2.1 识别技术的选择

一般情况下，识别技术分为二维码识别、图像识别和基于位置的识别(LBS)技术。二维码识别是目前最常见的识别技术，在解说资源处设置一个已经生成好的二维码，游客只需用手持设备扫一扫就可以获得解说资源的相关信息(图5)。例如：游客扫描一株植物吊牌上的二维码，得到它的拉丁名、科、属、形态特征、生长习性等信息。这项技术中二维码的生成、制作简单，但是其表现力较弱，限制较大，用户必须专门寻找二维码进行扫描。

图5 二维码识别

图像识别是指根据解说资源制作的带有其特征的图像，游客使用手持设备扫描这个图像就能获得生动的信息(图6)。如，扫描一个博物馆明信片上的文物图案，能看到一个立体的旋转的文物展示，并伴有这个文物的语音解说。该技术比较成熟，能够生动地展示解说资源，但需要事先定义图像，而且功能扩展可能被限制。

基于位置服务的识别技术(Location Based Services，简称“LBS”)，是指通过电信移动运营商的无线电通讯网络或外部定位方式，获取移动终端用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务，如“随便走”APP，可根据用户的位置显示周围酒店、景点、商户、公交车站等信息，用户可以点击了解详细信息，并跟随导航到达目的地(图7)。基于LBS的解决方案在展示效果、丰富性、便利性方面都有较大的优势，但对于使用地区的网络稳定性有较高要求。

图7 基于位置服务的识别

3.3.2.2 识别标志物的设置

大部分的识别技术都需要预先设置识别标志物，识别标志物就是游客扫描的对象，它可以是实物也可以是虚拟的。实物即二维码或图像，虚拟标志物即LBS技术中接受GPS定位的装置。二者都需设置在解说资源附近的适当位置。目前二维码识别和图像识别较容易，一般的解说系统可用这两种技术来识别。而LBS识别技术较复杂，却是未来AR技术发展的一个趋势，在生态旅游区各方面条件允许的情况下也可使用，需要做到网络信号稳定、定位准确。

3.3.3 数据的传输

数据是解说资源信息的表现形式和载体，包含符号、文字、图片、语音、视频等内容。比如2016年，厦门曾厝垵引入AR技术，游客只需要下载“卡播”APP，即可在游览购物的同时，到不同的商家扫描增强现实标志物，观看卡播上呈现的视频故事[8]；中国首家景区AR——神农架《AR观山》，将传统景区游客被动式的信息填塞向游客自主体验的方向转换[9]。由于好的体验效果通常需要传输大量的数据，因此需要预先确定向用户传递什么样的数据以及这些数据如何收集、存储及下发给用户，即数据的收集、数据的存储与下发两个主要问题。

3.3.3.1 数据的收集

构建一个生态旅游区的解说系统需要庞大的数据。数据的来源有两种方式(图8)。一种是由官方完全自主建立数据库，在使用数据的同时不断的更新和补充；另一种是官方建立基础数据库，使用过程中除了用官方发布的数据进行更新补充外，允许用户在进行旅游的过程中自主完善和补充数据，由专业人员对用户提供的数据进行审核后上传数据库。

图8数据的收集方式

两种数据的收集方式各有特点，由官方直接建立数据库，其准确性能够获得较好的保证。若允许用户自行上传，必然会存在不准确的数据，需要聘请专业人员进行审核，但能大幅提升用户在体验环境解说时的互动效果。在进行解说系统的规划时，可以根据生态旅游区的实际情况来确定数据的收集方式。

3.3.3.2 数据的存储与下发

预设的数据存储于服务器中，服务器的部署方式通常有两种，集中式部署和分布式部署。集中式部署是较传统的部署方式，指一个地区(如：北京市)的所有生态旅游区共用一台服务器，所有环境解说及其他方面的数据库都储存在这台服务器上，管理更新数据较方便，但单一服务器负载大，同时网络传输速度会对游客的体验产生较大影响。分布式部署指的是在一个地区中，每个生态旅游区有自己的服务器，分别管理自己区域的数据，这样的多台服务器分担存储，负荷较小，能够提高运行速度，易于管理。在实际配置中，应当根据当地的情况选择合适的方案，满足环境解说系统的需要。

服务器中的数据需要通过某种方式下发到用户端，可以根据数据量的大小选择一次性下发或分部下发的模式。一次性下发是指用户在进入景区前下载APP时将游览过程中可能用到的数据同时下载到设备中，分部式下发则是在用户游览的过程中，根据用户实际需要将对应的数据通过网络逐次下发给用户。一次性下发的优势在于对网络的即时响应速度要求低，在游览过程中的体验稳定，但数据量大，在下载APP时的体验较差。分部式下发在下载APP时需要下载的数据量小，但是对游览过程中的网络响应速度有较高要求，若网络响应速度不快，则无法及时获得需要的数据，严重影响用户的体验。两种方式各有利弊，可以根据景区的网络环境和数据量综合考虑，组合使用，选择最为合理的方案。

数据的传输需要网络作为媒介，以哪种网络下发数据到用户同样在环境解说环节起着至关重要的作用。常用的网络一般分两种，广域网和局域网。广域网(Wide Area Network，简称“WAN”)是指一种跨地区的数据通讯网络，通常包含一个国家或地区，如万维网。局域网(Local Area Network，简称“LAN”)是在某一区域内(如一个学校、一家公司内)，将多台计算机、外部设备等互联组成一个计算机组的通信网。WAN的涉及范围广，但信号受环境影响大，容易出现不稳定的情况。如果生态旅游区设置了无线局域网(WLAN)，供游客连接使用，那么网络信号不稳定的问题就解决了。但建立WLAN体系需要额外的建设成本，需要根据项目资金情况综合考虑，选择适宜的方案。

4 增强现实技术解说体系的建立

生态环境保护的基本问题，是正确认识和处理人与自然的关系。保护生态环境关键在于人们能否树立科学的自然观和生态观。随着AR技术的不断进步，这种技术会更加广泛地应用于环境解说领域，在环境解说中必将发挥越来越重要的作用。

AR技术在环境解说系统中具有独特而不可替代的作用。基于AR技术的环境解说系统，能有效地增强受众与解说资源的良性互动，寓教于乐，使游客在受到教育的同时，积极传播环保知识，为生态环境保护事业做出特殊的贡献。在对以AR技术为基础的环境解说系统进行规划时，除了注重AR技术中设备的选择、识别技术的应用、数据的传输等几个技术要点外，根据生态旅游区不同的特色和性质，提出以下几点建议。

4.1 建立基于AR技术的环境解说基地

在国内选择一些生态旅游点建设AR技术的环境解说基地，并以此作为试点，收集各种数据、总结经验，做一套切实可行的基于AR技术的环境解说系统。试点成功后，在全国的生态旅游区进行普及和推广。最好设计一款专门的APP，适用于全国的景区，但又能展现每个景区的特色。APP的功能不要仅限于环境解说部分，还要带有游览中的其他功能，如标志并指示景点、餐厅、洗手间等景区场所，提升游客的游览体验。

4.2 生产基于AR技术的环境解说的宣传品

为了使游客在离开景区后也能够继续获得解说资源的知识、接受环境教育，可以制造一些AR技术衍生品。如有关生态旅游区景点或植物资源的明信片等，用手机扫描AR明信片，能在屏幕上获取景点或植物、动物的三维模型。再伴有有趣的声音、文字或特效等，让人们近距离地观察和研究景区的植物和动物，培养人们对自然的浓厚兴趣，不断强化人们保护生态环境的意识。

4.3 培养掌握AR技术的环境解说人才

构建一个基于AR技术的环境解说系统，在技术的开发、应用、维护等环节中，需要更多的专业人才。在资金充裕的情况下，引进高科技人才是重中之重，并对保护地的管理人员、周边社区居民进行培训，让他们熟悉AR技术并了解其如何运用，另一方面促进保护区的有效管理，一方面让当地居民参与管理、促进就业，增加社区居民的收入。