基于Vuforia引擎的船政文化AR文创产品设计

张正柱， 罗成立

(1.阳光学院 设计学院，福建 福州 350015； 2.阳光学院 人工智能学院，福建 福州 350015)

随着人们生活水平的日益提高，旅游成了大家休闲放松的主要方式之一.旅游消费也成了刺激经济的一种方式.应国家“文化强国”政策号召，文化旅游热潮开始盛行.将AR技术应用到文化旅游的景区、游乐、住宿和旅途等场景中，能较好地让游客感受到景点的相关文化内涵，使游客的旅行过程变得更具娱乐性、交互性.本文以马尾船政文化为基石，以文化传播为目的，让逐渐被电子设备取代的传统文化焕发新彩，以更现代化的形式呈现在人们眼前.研究使用AR技术进行文化旅游产品开发，结合马尾船政文化、景区旅游景点、特色文创文物产业进行合作，通过制作AR旅游文创产品解决文化旅游产品创意不足及展示手段单一的问题，推动马尾船政文化旅游业与文创业发展，保护并向群众宣传普及中国传统文化历史，助推文旅产业及市场经济发展.

1 AR技术与文化旅游文创产品结合研究

1.1 文化旅游文创产品的发展

随着人们文化生活水平提高，对于旅游的认识也不再是单纯的到此一游，更注重旅游的文化底蕴，如旅游景点的人文历史、文化传承、趣事趣闻等[1].近年来，随着旅游者对文化旅游体验的需求日益递增，文化旅游相关的文创产品也日益增长，如何在文化旅游文创产品中融入特色文化，让旅游者能更好地感知文化的景观、生态、设施、特色人文等成了产品必须解决的问题.AR技术作为当前研究的前沿热点，可用于为用户提供增强体验，国内外许多研究都对AR技术在旅游领域的应用前景做出了展望.比如AR可以帮助考古学家、历史学家、景区管理者复原遗址或重现历史场景，因而其在历史古迹的虚拟重建中展现出了无限发展潜力，亦可被用于旅游领域[2].此外，在大型增强现实研究项目方面，主要有由中国科学院计算机研究所、武汉大学和浙江大学正在联手打造的包括AR、VR、MR在内的“数字敦煌”工程，北京理工大学的AR技术圆明园重建项目，湖北大学的AR技术少数民族文化可视化领域的应用示范等[3].本文以马尾船政文化为例阐述AR文创产品的设计思路及关键技术.

1.2 马尾船政文化

马尾作为中国船政文化的发源地，它是近代工业企业和科技文化相结合的有机体，作为中国近代造船工业、海军和航空业的先驱，马尾船政以造船厂和船政学堂为起点，以中国船政文化博物馆为中心，包括英国领事分馆、昭忠祠、中坡炮台、绘事院等船政遗址.马尾船政文化代表中国近代先进文化，通过AR文创产品来促进船政文化精神的学习和传播，有着深远的意义.

1.3 AR技术

AR技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术[4].目前AR SDK厂商参差不齐，国外主要有Vuforia, Facebook AR Studio, Metaio和ARToolKit等，国内的主要是网易洞见AR、百度AR、腾讯QAR和支付宝AR等.本文以Unity为开发工具，由于Unity为游戏引擎，其内部提供了对Vuforia引擎的内置支持.因此，本文所设计的马尾船政文化AR展示系统的关键技术采用Vuforia引擎实现AR技术，该引擎通过Unity游戏引擎扩展了多种语言的应用程序编程接口，用户可以通过Unity引擎将所开发的AR应用快速移植到iOS和Android平台上.AR技术与船政文化结合的交互模式打破了市面上传统的文创产品风格，以新颖的方式增强用户对景区文化内容知识的学习兴趣.

1.4 AR文创产品总体框架

通过结合AR技术与旅游文化，可以将传统的船政文化资源转化为可以保存和交互的数字化内容，通过扫描文创卡片将这些内容实时地叠加到现实场景中，让用户通过交互式的操作体验深入了解文化内涵.本项目软件主要采用Vuforia AR技术，实现将静态卡片图像转换成3D模型或动态的视频简介，用户可以通过触发交互按钮在现实生活中体验人机交互的乐趣，同时学习和了解马尾船政文化内容.AR文创产品总体框架见图1.马尾船政文化文创产品展示图见图2.

图1 AR文创产品总体框架图

图2 马尾船政文化文创产品展示图

2 马尾船政文化AR文创产品设计

2.1 马尾船政景区建筑及相关元素三维模型构建

三维模型制作是AR系统开发中非常重要的组成部分，本文所有三维模型均采用Maya建模软件实现.项目选取船政文化的代表性建筑和文物进行建模，包括中国船政文化博物馆、船政学堂、马尾罗星塔、闽安楼等主要建筑和甲型一号飞机、平远舰、阿姆斯特朗炮台等船政元素.模型制作时需要收集船政景区的各种数据，包括建筑CAD图、实景航拍、现场拍摄等形式，并需合理的汇总和处理.为了让用户有良好的体验，不但需要考虑模型的真实还原效果，还要减少模型面数以提高应用的流畅性.系统部分三维模型见图3和4.

图3 中国船政文化博物馆模型图

图4 甲型一号飞机模型图

2.2 文创产品的包装及卡片设计

一款好的文创产品要能借助于现代科技手段对文化资源、文化用品进行创造与提升，通过对知识产权的开发和运用，而产出的高附加值产品[5].本文基于AR技术实现“船政在AR”App，利用Photoshop软件设计App扫描所需的卡片.

卡片的设计采用卡通风格，简洁符合现代潮流的设计易为大众所接受.采用圆角的设计提高卡片的使用率，选用环保材质使卡片图案色彩不易褪色.卡通化卡片主要包括建筑、文物和人物三种类型.部分卡片效果见图5.

图5 马尾船政文化文创产品部分卡片设计图

2.3 基于Vuforia的船政文化AR展示系统设计

本项目使用Unity引擎工具设计，首先将所设计的三维建筑和文物模型导入到场景中，调整模型大小；其次设计展示系统相关场景；最后应用Vuforia引擎技术实现AR扫描实体卡片展示相应的建筑、文物或人物的模型或介绍宣传视频.船政文化AR展示系统流程及界面见图6和图7.

图6 船政文化AR展示系统运行流程

图7 船政文化AR展示系统界面

3 系统关键技术分析

3.1 Vuforia AR技术实现

AR从其技术手段和表现形式上，可以分为基于计算机视觉的AR和基于地理位置信息的AR.本文所介绍的船政文化AR展示系统采用的是基于计算机视觉的AR技术，该技术通过建立现实世界与屏幕之间的映射关系，获取到屏幕坐标，然后将AR识别物所关联的视频或三维模型显示到对应的屏幕坐标位置.因此，屏幕上叠加的虚拟场景就可以达到依附在识别物上的效果.将模板坐标系映射为屏幕坐标系的矩阵变换公式如下：

(1)

式中：h为比例因子；矩阵C为摄像机内参矩阵；矩阵Tm为摄像机外参矩阵.其中内参矩阵是事先进行摄像机标定得到的，而外参矩阵是未知的，需要根据屏幕坐标(xC,yC)和事先定义好的识别物坐标系以及内参矩阵来估计Tm，根据Tm来绘制图形[6].

Unity官方内置Vuforia组件可以方便地进行 AR 项目的开发.在 AR 项目开始之前，需要在 Vuforia 官网上注册项目并上传识别数据，识别数据可以是图像、圆柱体、文字、多面体和虚拟按钮等.建立识别数据库并下载到项目中，设置好AR Camera及License Key，即可进行AR扫描识别.Vuforia引擎系统工作流程见图8.

图8 Vuforia引擎系统工作流程图

3.2 三维模型交互

即时交互是增强现实技术的三大特征之一，是指用户对增强后的物理现实环境中的虚拟对象进行实时交互的过程.在AR增强现实技术中，目前常用的交互方式主要有眼球追踪、语音识别交互、动作手势交互和触屏交互，其中触屏交互实现门槛较低，包括单击、双击和多点触控等.在船政文化AR展示系统中，通过触屏交互实现三维模型的放大和旋转，有助于用户观看船政建筑和文物的细节.具体实现流程见图9.

图9 用户交互流程图

4 结语

本系统将AR技术与地区博物馆、景区旅游景点、特色文创文物产业进行结合，以马尾船政文化为例，制作AR旅游文创产品，包括配套的可建模文物科普类APP，并附相关文物创意卡片搭配使用.创新船政等旅游文化的传播形式，通过技术与艺术的结合来实现文化知识的传达并且兼具了创意乐趣，以新颖的方式传播各个旅游景区的文化，实现游客与景区文化的深度融合交流，给用户带来更好的视觉享受.本系统具有很好的可复制性，可方便地修改或扩展以应用于其他文化旅游市场等，能够推动旅游业与文创业发展，保护并向群众宣传普及中国传统文物历史，实现经济效益并推动市场.