元宇宙AR技術在智慧校園建設過程中的應用研究

馬云龍 曾博璨

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.034

收稿日期：2023-01-01

摘? 要：AR技術將虛擬的信息融入真實的現場情境當中，完成信息的共存、疊加與互補。為智慧校園的建設，提供了一個新的發展方向，完成現實校園和虛擬校園的新形態融合。在Android系統中結合AR技術實現智慧校園中的智慧車管、智慧導航，通過Android平臺實現智慧校園的布局，利用AR技術實現對于校園的智慧導航、人文信息展示和校園資源展示。同時，通過AR技術實現校園內車輛識別、車主信息展示、車主呼叫等功能。

關鍵詞：智慧校園；現實增強；AR導航

中圖分類號：TP39? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0158-04

Research on the Application of Metaverse AR Technology in the Construction Progress of Smart Campus

MA Yunlong， ZENG Bocan

（Quanzhou Huaguang Vocational College， Quanzhou? 362121， China）

Abstract： AR technology integrates virtual information into real on-site scenarios， achieving the coexistence， superposition and complementarity of information. It provides a new development path for the construction of smart campuses and completes the integration of new forms of real and virtual campuses. In the Android system， AR technology is combined to achieve smart vehicle management and navigation in smart campuses. The layout of smart campuses is achieved through the Android platform， and AR technology is used to achieve smart navigation， display of cultural information， and display of campus resources. At the same time， AR technology is used to achieve vehicle identification， owner information display and owner call functions for vehicles on campus.

Keywords： smart campus; reality enhancement; AR navigation

0? 引? 言

隨著移動通信和搜索引擎技術的快速發展，增強現實（Augmented Reality， AR）技術顯示出巨大的發展潛力，正廣泛地影響著許多重大領域[1-3]?；诖?，文章基于AR技術的功能性特征分析，探討了AR技術應用于智慧校園建設的可行性。并在研究過程中對AR技術在Android平臺上的智慧校園建設過程進行架構和實現。利用AR技術對校園環境以及校園實時數據進行顯示和采集，并結合Android平臺以及實時交互進行數據分析控制，實現智慧校園的AR實時導航，校園環境展示，人文以及學校簡介，更為方便的讓校園的管理人員和參觀人員以及學生老師更為親密和直接感受到校園的每一個角落。

1? 研究現狀

隨著不同信息技術的融合，軟件設計也需要引入視覺顯示的新功能。在原有的方法上，基于管理層、網絡層和數據層、智慧校園的思維層和應用層以及服務層。此外，由于AR技術的差異，以及對技術的易用性、改進和服務的深入分析，增強了智慧校園外觀和體驗[4]。

其次，智能學習和AR技術研究。在日?？蒲信c教學中的應用。張凱，裘曉峰，朱新寧在《基于SDN的網絡虛擬化平臺》及其隔離性研究中認為AR技術不僅可以提高學習質量，還可以構建三維空間信息結構，立體模型。結合其他技術完成全景技術和圖像插值[5]。在虛擬數據和現實技術領域之后，虛擬圖像技術應運而生。通過兩種類型的顯示器，頭盔顯示器與非頭盔顯示器實現虛擬圖像的投射和實現。

2? 研究設計

本次研究分為兩個部分。第一部分的重點在于利用Android原生接口實現一個AR導航顯示引擎，通過建立三維坐標模型完成對于建筑和取景框內容的實時計算顯示。結合電子羅盤、三軸傳感器的AR顯示數字定位模型。第二部分的重點在于利用AR技術完成對于車輛智慧管理的實現和應用。

2.1? AR智慧導航模型

通過AR地圖顯示模型，可以將目前的2D平面地圖轉化為3D AR渲染地圖，在用戶視野中直接顯示每一棟建筑的名稱和對應的介紹，視線所及即為地圖顯示區域，直觀讓用戶感受校園內的建筑和方位。讓用戶在視野中實現導航，建筑介紹，校園觀覽等功能，并能夠準確地和最為直接的了解建筑的位置方向以及人文信息。讓使用者最為直接的感受校園文化和校園風景。

Android移動設備內的電子羅盤，能夠進行空間內的地磁場方向測量，通過測量地磁角度獲得當前設備的相對旋轉角度[6]。三軸傳感器可以進行空間內的設備三維角度測量，通過測量設備的三維角度，對設備的旋轉方向進行一個綜合判斷和分析[7]。通過三軸傳感器和電子羅盤可以實現對于設備的位置和方向感知[8]，建立一個電子地圖顯示的數學模型，通過數據的計算和矩陣的轉變實現對于數據到電子地圖顯示模型轉化，通過電子地圖顯示模型將需要顯示的信息反饋給Android設備的顯示界面，通過電子模型實現最終的AR人機交互。

用戶可以實現拿起手機對導航目前以及當前路徑的AR顯示和導航，并在行走和導航過程中，實現對于周邊環境的人文介紹，介紹校園的景觀和關鍵建筑，從而讓用戶可以對校園環境有一個更為直觀的了解。從而讓來訪者更為全面和完整的了解到校園的人文環境和校園文化，提升校園的人文氣息，并且能夠最為準確和方便的完成對于校園的導航和游覽規劃。

2.2? 車輛AR智慧管理

在校園環境中車輛停放存在不規范和臨時性，因此在校園車輛管理中，管理者往往需要花費大量時間在處理車輛的車主信息查找和通知，因此通過AR技術，進行實時的車輛識別，車主信息的顯示和呼叫，完成在校園車輛管理的流程簡化。

在該模塊的日常使用中，用戶不需要手動輸入車牌信息，直接拿起設備對車牌進行掃描，通過實時的AR反饋掃描識別，即可得出車牌信息，并可以通過掃描出的車牌信息獲得車主信息以及車主聯系方式。并通過點擊按鈕觸發或者語音進行直接聯系。通過結合模塊1進一步實現了空余車位的AR導航，更為方便的指引車主到達校園中的空閑停車位。

3? 研究實現

在AR模型的實現和綜合計算中，將把GPS數據以及重要的方向傳感器數據作為模型的實時輸入數據參與顯示計算。

3.1? AR導航實現

AR導航渲染具體分為三步，第一步對用戶和目標建筑物的GPS坐標進行極坐標轉換，第二步通過得出的極坐標和手機設備方向計算用戶和建筑物的角度差，第三步通過得出的角度差計算目標建筑物在取景框內的渲染位置。通過圖1我們可以看出在用戶和目標建筑物的GPS地圖顯示中，我們需要將GPS數據轉換成為關于用戶為零點中心的極坐標數據。

因此我們通過以下公式進行計算轉換。

式中：XC表示計算得出的經度坐標差；XJ表示目標建筑物的經度；Xu表示用戶當前的經度坐標；YC表示計算得出的緯度坐標差；YI表示目標建筑物的緯度；Yu表示用戶當前的緯度坐標；θ表示轉換后的極坐標θ角；γ表示轉換后的極坐標極徑。

在極坐標轉換完成后需要加入手機方向傳感器的相關數據計算，其中計算的公式如下：

式中：θd表示修正后的以東邊為極坐標θ角為0的極坐標角度；θs是來自手機傳感器的原始方向角度數據，范圍（0～360）；θc表示由上一步得出的建筑物與用戶的極坐標θ角；θr表示最終計算得出的用戶與建筑物的角度差值。

在計算得出用戶與建筑物的角度后，進行取景框內容渲染位置計算。其中計算有如下公式：

式中：θr表示上一步計算的用戶與建筑物的真實角度；XW表示手機取景框寬度，當取景框全屏時則為屏幕寬度；Xs表示目標在取景框內的顯示渲染位置，具體相對于取景框左側位置。

3.2? 車輛AR車牌識別實現

在AR車牌識別管理中，首先需要進行車牌的識別，通過識別到的車牌號與數據庫中的車牌信息進行比對，完成信息的查找并顯示在畫面上，通過紅框標識車牌位置，并在車牌旁邊顯示具體的車主姓名、車輛車牌、車主電話和停車時長。結合語音合成，將車主的各項信息進行語音播報，方便管理人員進行綜合管理。

因此，首先設計需要車牌識別算法，通過AR取景框獲取視頻幀，通過視頻幀進行顏色過濾，優先過濾黃色，藍色和綠色部分，通過過濾完成對于車牌大體部分的采集，采集后的車牌部分將會進行模板匹配，通過將每個數字和字母進行模板匹配，將0～9、A～Z、以及省份縮寫字符的模板進行比較，選出與模版最為接近的結果作為識別結果，在車牌每一個數字字母以及中文的識別結果進行匯總，最終得到車牌的識別結果。將識別結果送如車牌數據庫進行查找，獲得車主信息并送回前臺，通過AR方式顯示在AR取景框中，完成最終的數據顯示，并通過android自帶的原生語音合成引擎完成對于信息的語音播報。

在車輛管理中，為了方便車主對空閑車位的查找，通過后臺查找空閑停車位，將停車位數據反饋至用戶APP，用戶APP端計算空閑車位與AR設備的相對角度，并且在AR取景框中進行調用AR導航模塊，通過AR導航顯示并指引車主到空閑停車位。

4? 實現效果

程序開發采用Android Studio開發工具，采用Java開發語言，測試設備采用Samsung Note 10+進行真機測試。開發采用模塊化開發方式，通過建立各個模塊并進行模塊化測試完成開發測試[9，10]。當前開發的應用軟件主要包含以下界面，主頁、AR導航、AR智慧車管。

4.1? 主頁

主頁主要作為用戶入口進行使用，包含了功能選擇和學校各類信息的展示。采用內嵌網頁的實現方式，方便管理和維護。

主頁實現效果如圖2所示。

主頁面包含了多種元素，主要進行了學校介紹和學校各類信息的展示。

4.2? AR導航

AR導航界面包含建筑信息的簡介和建筑方位顯示。通過實現的AR渲染畫面實現了對于建筑物的方位顯示和信息介紹。其中實現效果如圖3所示。

畫面整體為用戶的AR取景框，左上角為略縮地圖，并且繪制用戶當前位置以及朝向，畫面中紅色半透明指示器即為目標建筑方向位置標識。

當用戶轉向目標建筑物并且目標建筑物處于取景框中央時，將會彈出建筑物詳細信息介紹畫面，且為了方便用戶還有語音播報，通過語音介紹詳細的建筑物情況。其實現效果如圖4所示。

在詳細信息的展示中，左側綠色半透明部分為詳細的建筑物介紹信息，且包含建筑物的介紹圖片。同時，在建筑物標識部分將會彈出建筑物的名稱，方便用戶進行識別。

為了能夠方便用戶進行導航，在語音輸入導航目的地后，將會實現路徑指引效果。其實現效果如圖5所示。

在AR導航的路徑指引中，在屏幕的中央下方將會出現藍色箭頭，用來指引用戶到達目的地，箭頭將會隨著AR取景設備的相對目標方向進行轉向，始終指向目的地。對用戶進行目標指引。

4.3? AR智慧車管

AR車管實現效果如圖6所示。

整體畫面為用戶手機取景框，左上角中央為識別區域，通過識別后得到的車牌將被紅框框出，且在旁邊用白色文字顯示通過檢測獲得的車牌信息和匹配的車主信息，顯示包含車牌信息、車主電話，車主姓名，停車時長。左上角手動識別按鈕用于在系統識別異常時進行手動拍照識別。

通過將AR導航結合到AR車管中，可以進一步實現停車位的AR導航。在系統后臺查找空余的停車位并反饋至APP中，在通過AR導航進行定位和相對位置查找，計算出相對方向角后，在AR取景框中顯示箭頭并將車主帶往空余的停車位。其實現效果如圖7所示。

在AR車位導航中，結合AR導航模塊，利用紅色標識空余停車位，并用藍色箭頭進行方向指引，讓車主更為方便和快捷的到達空余停車位。

5? 結? 論

AR技術結合智慧校園，結合智慧導航學?？梢韵騾⒂^者展示其他信息，例如歷史、介紹和展出建筑物、人文建筑的事實。同時利用AR技術對校園內的車輛進行智慧管理，更大地減少了管理人員對于車輛管理的繁雜流程，通過移動設備即可完成對于車輛的綜合管理和信息查找。簡化校園管理流程，提升校園人文氣息，提升校園科技和文化層次，讓校園更智慧。同時，不僅是校園，智慧車管和智慧導航也可以應用在旅游景點、辦公場所等綜合場景下，在社會面上有極廣的應用價值和應用前景。

參考文獻：

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[5] 張凱，裘曉峰，朱新寧.基于SDN的網絡虛擬化平臺及其隔離性研究 [J].電信科學，2016，32（9）：125-131.

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[8] 朱元波.Android傳感器開發與智能設備案例實戰 [M].北京：人民郵電出版社，2016.

[9] 郭宏志.Android應用開發詳解 [M].北京：電子工業出版社，2010.

[10] 周一舟.移動增強現實技術的應用研究 [D].成都：電子科技大學，2011.

作者簡介：馬云龍（1995—），男，漢族，陜西洛川人，助教，本科，研究方向：人工智能、大數據；曾博璨（1996—），男，漢族，福建泉州人，教師，本科，研究方向：物聯網、人工智能。