基于Unity3D的仙都鼎湖峰景区智能导游系统的研究与实现

王梅亮 卢韬全

摘要：随着大众旅游时代的到来，越来越多的人选择自助旅游，传统的旅游方式已經无法满足游客对旅游活动多元化、个性化和灵活性的需要。该文利用VR和AR交互技术以及倾斜摄影三维重建等建模技术，以仙都鼎湖峰景区为例，研究和开发在旅游景区内可以自助导览的智能导游系统，让游客通过电脑或手机等智能终端，就可以身临其境般游览旅游景区的美丽风景，还可以为游客以图文并茂或虚拟再现的方式介绍景点知识及有关民间传说故事等，满足游客自主性、个性化旅游的需求。

关键词：Unity3D;AR交互技术;智慧旅游;景区智能导游

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）10-0060-03

1背景

近年来随着互联网和通讯技术的飞速发展，特别是电脑和智能手机的普及和大众旅游时代的到来，越来越多的人选择自助旅游，人们对旅游业发展的要求不断提高，智慧旅游是大势所趋。利用当前最新的虚拟现实等技术对旅游景区智能导游系统的开发和应用，一方面让游览者利用互联网在电脑或智能手机等终端就可以身临其境般得感受旅游景区美丽风景，从而激发他们去旅游景区游览的热情;其次，当游览者亲身来到景区旅游时，可以利用智能手机等便携工具通过智能导游系统，与景区中的景物进行交互，实现为游览者介绍景点特色、文物古迹等有关知识以及讲解有关民间传说和故事等智能导游功能，提高游览者的旅游兴趣和积极性，提升旅游信息服务、改善游客旅游体验，从而吸引更多的游客来此旅游，提高景区的社会影响和经济效益。另外，还可以通过对重点文物三维数字化建模和历史文献资料数字媒体的建设，达到文物资料数字化保护的功能;对于一些景区中由于历史的原因已经毁灭的文物古迹，可以通过智慧旅游系统虚拟再现，从而完善和丰富景区的旅游资源，提高景区的知名度，增强旅游景区的竞争力。

2国内外研究研发现状和发展趋势

在国外，从20世纪90年代初如麻省理工学院等便开始了虚拟现实技术在旅游业的理论、技术和应用研究。R.Cheong学者认为虚拟旅游可能会取代现实旅游和旅行，成为一种新兴的旅游产品;在技术方面国外主要在三维模型的创建、卫星遥感影像的处理、虚拟现实和GIS相结合等方面的技术进行了大量的研究。

在国内，虽然“智慧旅游”被国家旅游局写入了“十二五旅游发展规划”当中。但目前主要是通过360度全景图片来实现3D效果的各种景区智慧旅游系统。研究的内容主要集中在对旅游景点虚拟、文物再现、遗址重建等方面，比如虚拟校园、虚拟城市、产品展示等，交互方面主要还是实现三维漫游，其他交互方面的研究较少。但这种用通过360度全景图片拼合之后用专门的播放软件在设备上显示风景的方式并不是真正的3D技术，实质还是二维的，真实感和沉浸感都远远不够。由此可见，虽然当前我国政府各部门和旅游企业都十分重视开展智慧旅游技术的研究和相关系统的开发和建设，但对智慧旅游的研究在广度和深度上都还有待提高。

3景区智能导游系统研究的主要内容

本系统的研究主要是利用三维建模技术对仙都旅游景区的最主要部分鼎湖峰景区的三维场景和重要的景点物体进行建模，然后将这些三维场景和景点物体经过贴图、渲染或烘焙等处理后导入Unity 3D等VR/AR制作引擎中进行交互设计，完成一个场景逼真，人机交互良好，具有虚拟与现实融合交互功能的旅游景区智能导游系统。该系统可以实现虚拟导游和实景辅助导游功能，一方面游览者可以在电脑或手机等智能终端上通过本系统进行虚拟游览景区：在走进景区前可以获得景点概况的介绍;进入景区后可以按照路线图控制游客角色在虚拟三维景区场景中身临其境般游览美丽的风景;在虚拟游览过程中，当游览者对文物古迹或重要的景点感兴趣，可以通过单击鼠标或触屏等交互方式，弹出文字或视频等方式详细介绍文物古迹的有关知识，以及有关民间传说和故事等。另外，游客如果是到景区实地旅游，还可以利用智能手机等便携终端，通过该系统扫描景区中的特定景物或标示牌，就可以在智能终端屏幕上出现相关景点的虚拟物体、人物或动画视频等，以虚实结合或虚拟再现等增强现实方式为游客讲解有关民间传说和故事。

4系统设计中的关键技术及功能实现

4.1旅游景区大型三维场景和主要景观三维模型的创建

由于仙都鼎湖峰景区是集自然景观和历史人文景观于一体的风景区，其中不仅有被誉为“天下第一峰”的鼎湖峰;还有历史悠久、规模宏大的黄帝祠宇，相传这里是轩辕黄帝的三大行宫之一，在鼎湖峰峰巅置鼎炼丹，后驭龙升天。所以该景区的场景比较复杂，不但有大量奇形怪状的岩石和山体树木构成的自然景观，而且还有数量较多的亭台楼阁。为了尽可能真实地体现风景区的原貌，减少大型场景的建模工作量，我们尝试采用无人机倾斜摄影得到的各个角度的多组图片，然后经过三维重建的方法，得到鼎湖峰景区核心的三维场景模型。最终完成的无人机倾斜摄影三维重建的鼎湖峰景区场景模型如图1所示。

但是目前上述经过三维重建而成的鼎湖峰景区场景模型总体比较粗糙，近观时树木和亭台楼阁等建筑模型比较模糊。所以我们只能对其中模型精细度要求不高，只需表现整体轮廓形状的如鼎湖峰等岩石景点及其他只需远观，不需走进观看的场景部分模型取出来，放到Unity3D中的地形场景中，然后利用Unity3D自带的地形编辑工具-Terrain Editor，将场景其余部分按照景区的实际情况按比例创建编辑地形，添加树木、道路、河流、池塘和桥梁等，将整个场景补充完整。另外，为了让游客能够身临其境般参观游览黄帝祠宇等景点，我们采用3d Max三维建模软件，按照游览能看到的部分如屋顶、外侧门窗、四周屋檐采用精细建模，阁楼内部看不到的复杂结构采用粗略建模，建筑物上的图案尽量采用贴图的原则，完成黄帝祠宇等各种亭台楼阁的三维模型。总之，在所有建模过程中，模型面数要尽可能精简，以保证系统流畅运行。创建好的黄帝祠字模型如图2所示，鼎湖峰景区核心场景模型如图3所示。

4.2三维虚拟物体之间的碰撞检测

碰撞檢测是虚拟现实系统不可或缺的一个重要功能，有了它可以使用户以更自然的方式与虚拟场景中的对象进行交互。如果设置了碰撞检测，当一个物体碰到另一个物体时，就不会产生“穿树而过”的效果。由于本系统需要让虚拟游客角色在虚拟的三维旅游景区中游览，就难免会与景区中的景物发生碰撞，系统中不能出现虚拟角色“穿墙而过”的现象发生。因此在系统中必须能够实时、精确地判断场景中物体之间是否发生碰撞。碰撞检测由碰撞检测和碰撞响应两部分的内容组成。Unity3d内置的物理引擎可以方便地实现基于包围盒的空间碰撞检测算法。

4.3人机交互控制技术及场景漫游和景点介绍功能的实现

人机交互控制是虚拟现实或增强现实技术的重要特征。通过人机交互手段可以控制虚拟角色在虚拟场景中任意行走或对其中的物体进行实时地操作，并能从虚拟环境中得到反馈的信息等。本系统中需要实现利用键盘、鼠标或智能手机等交互工具对旅游景区场景中的摄像机视角进行移动和旋转变换，实现在景区场景中漫游功能;另外对特定的景物做出响应，弹出景点介绍、讲解经典故事的文字或视频等。

4.3.1景区漫游功能的实现

本系统采用给摄像机添加角色控制器的方法，以第一人称角色视角的方式对整个景区进行参观游览，实现对整个景区的漫游功能，具体实现方法为：

首先在场景中创建一台用于漫游的摄像机，然后给该摄像机添加一个角色控制器组件CharacterController，这样该摄像机和角色控制器就组成有眼睛可以观看场景中景色且带有碰撞检测功能的游客角色。然后我们通过给该摄像机添加如下的脚本程序，就可以通过键盘上的前后方向键或“w”“S”键控制这个游客角色前后“走动”，左右方向键或“A”“D”可以控制角色的旋转，从而实现游客角色在景区场景中的参观游览功能。

4.3.2景点介绍导览功能的实现

智能导游系统除了引导游客在景区场景中漫游参观外，还需要对景区中的主要景点和人文景观进行介绍。本系统主要通过在景区主页面上点击景区介绍按钮，弹出文本框为游客介绍景区的总体概况、各主要景点分布及路线图的方法引导游客进入景区游览，然后根据路线图，让游客漫游到各景点附近就会发现有一块写着该景点名称的标示牌，游客便可以用鼠标单击或在手机上用手触控该标示牌，再通过以下脚本的交互控制，就可以在系统的界面上弹出介绍该景点的详细介绍文字或语音讲解。对于像鼎湖峰景点，还可以弹出轩辕黄帝在其上面炼丹的动画，对于黄帝祠宇还可以弹出民间祭祀等活动的视频等，让游客真实感受到景点的民间故事和历史文化活动。鼎湖峰景点标示牌和景点介绍示意图如图4和图5所示。

另外，如果游客实地游览鼎湖峰景区，我们还利用增强现实AR技术，对鼎湖峰景点进行进一步交互设计，游客通过安装专门的App应用程序，就可以用手机等便携终端通过拍摄鼎湖峰的顶端位置，就会在手机上跳出有人在炼丹的情景动画，该动画与实际看到的鼎湖峰峰叠加在一起，让游客仿佛真的看到轩辕黄帝在鼎湖峰顶炼丹一样。

5旅游景区智能导游系统的设计与实现

完成鼎湖峰景区主要场景和其中亭台楼阁等三维模型的创建后，还需经过贴图、设置灯光，烘焙等模型优化工作，最后分别导出成fbx格式的文件，就可以导入到Unity3D开发环境中，进行具有漫游和各种交互功能的智能导游系统的设计开发。首先，利用Unity3D中的地形工具，根据景区的实际情况结合导入的无人机摄影经三维重建得到的有效鼎湖峰场景模型，补充完成整个景区的三维场景，做到创建的地形与导人的场景模型进行无缝连接，并对其中的小溪利用unity3D系统资源包中的waterProDaytime添加流动的溪水;再将景区大门及各种亭台楼阁放置到相应的位置，最后对整个场景根据实际进行优化，就可完成鼎湖峰景区的场景设计。其次，我们利用前面已完成的系统所需关键技术的研究成果，通过C#脚本编程即可实现以第一人称角色方式对整个鼎湖峰景区的自主漫游和各种景点介绍导览的交互操作功能;最后，利用unity3D的uGuI界面系统完成对整个智能导游系统的界面设计，得到人机界面友好的系统操作界面，再经过性能测试并对模型及交互功能优化后，就可以根据需要发布到PC平台或移动终端平台，得到可执行应用程序，完成仙都鼎湖峰智能导游系统的设计开发。

6总结与展望

景区智能导游系统作为智慧旅游的一个重要组成部分，其实从完整意义上讲还要包括景区周边的住宿、餐饮、交通路线及交通状况等方面的服务信息，本系统只是对景区智能导游系统中最主要的景区导览部分进行研究和系统设计，所以从系统的服务内容上还有待扩充;在技术方面，特别是AR虚实结合的交互技术在系统开发应用上只是在一个景点进行尝试，还可以进一步对其他景点开发出更多、更精彩、体验效果更好的作品。