張麗嬋,楊欣怡,江翁百,陳佳,王紫怡,王淑瑤,陳美琪,施妍

(杭州電子科技大學(xué)數(shù)字媒體與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江杭州 310000)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將真實(shí)世界與虛擬信息如圖像、視頻、三維模型與人類感知進(jìn)行結(jié)合并產(chǎn)生實(shí)時(shí)交互，從而增強(qiáng)人的現(xiàn)實(shí)感官體驗(yàn)的技術(shù)。由于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展逐步改變了人們獲取知識(shí)的途徑，AR 技術(shù)能將人們難以感知的內(nèi)容信息實(shí)時(shí)疊加在現(xiàn)實(shí)中，使文物跨時(shí)空共享，形成一種全新的交互模式。

隨著時(shí)代發(fā)展， 文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)也逐漸成為當(dāng)今文化遺產(chǎn)保護(hù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)， 如北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的通過(guò)對(duì)可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究， 完成了對(duì)圓明園景觀的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字重建；《純凈之地： 敦煌莫高窟》展覽中，觀眾通過(guò)提供的iPad 實(shí)時(shí)查看珍貴壁畫(huà)和雕塑的細(xì)節(jié)?，F(xiàn)有的一些國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究工作已經(jīng)表明， 基于AR 技術(shù)對(duì)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)和利用有顯著效果。

但目前大多數(shù)文化體驗(yàn)AR 系統(tǒng)是基于限定場(chǎng)所的指定設(shè)備開(kāi)發(fā)的， 這類系統(tǒng)的缺點(diǎn)是缺乏移動(dòng)性和便捷性，限制用戶的使用范圍，在文化傳播的效果上也不及移動(dòng)設(shè)備的傳播范圍廣。因此該研究以設(shè)計(jì)案例為載體，設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行要素分析。研究采用Unity3D引擎及Easy AR 開(kāi)發(fā)包， 以我國(guó)世界文化遺產(chǎn)西湖為例，實(shí)現(xiàn)一款移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。為了既滿足用戶欣賞需要，又促進(jìn)人們對(duì)歷史文化的交流與傳播，該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)用戶進(jìn)行需求分析來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)內(nèi)容，增加應(yīng)用的趣味性及互動(dòng)性， 使西湖的文化景點(diǎn)受到更好的保護(hù)與共享。

1 總體設(shè)計(jì)

首先通過(guò)需求分析確定所需功能， 在構(gòu)建了系統(tǒng)基本框架后，通過(guò)AR 技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)，并歸納整理了一般文化遺產(chǎn)移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在需求分析、內(nèi)容設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)需要考慮的問(wèn)題。

1.1 需求分析

西湖AR 系統(tǒng)主要是針對(duì)景區(qū)游客進(jìn)行的開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助人們更好地理解文化遺產(chǎn)蘊(yùn)含的社會(huì)價(jià)值， 也使在完全不干擾遺產(chǎn)的前提下對(duì)文化信息進(jìn)行展示和互動(dòng)成了可能。

而隨著當(dāng)下移動(dòng)終端設(shè)備的迅速發(fā)展， 人們?cè)絹?lái)越傾向于使用輕量、便捷的移動(dòng)設(shè)備，因此該文是研究基于移動(dòng)端的應(yīng)用； 此外為了實(shí)現(xiàn)智慧城市、 智慧旅游，我們將識(shí)別對(duì)象設(shè)計(jì)為景點(diǎn)明信片及印章，使其具有一定的收藏價(jià)值和紀(jì)念意義； 并且應(yīng)用的內(nèi)容將展示多元化的數(shù)字媒體信息，如文字介紹、視頻圖片、三維模型、動(dòng)畫(huà)、交互媒體等，充分發(fā)揮數(shù)字化平臺(tái)對(duì)文化展示與傳播的優(yōu)勢(shì)。

1.2 系統(tǒng)框架

西湖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行步驟（見(jiàn)圖1），進(jìn)入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)后，首先將調(diào)用移動(dòng)終端的攝像頭，此時(shí)顯示設(shè)備一直顯示攝像頭抓取到的畫(huà)面； 其次當(dāng)攝像頭檢測(cè)到目標(biāo)識(shí)別圖時(shí)，就會(huì)對(duì)識(shí)別圖進(jìn)行跟蹤定位，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取對(duì)應(yīng)的虛擬信息， 將其渲染到顯示設(shè)備上，疊加在真實(shí)世界中；最后用戶可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備對(duì)虛擬信息進(jìn)行即時(shí)交互操作。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行步驟

根據(jù)以上流程，描繪出AR 系統(tǒng)的大致框架。系統(tǒng)運(yùn)行的每個(gè)步驟都會(huì)用到不同的技術(shù)， 根據(jù)不同的功能可以劃分為四個(gè)模塊（見(jiàn)圖2）。

（1）傳感器模塊：攝像頭用來(lái)捕捉真實(shí)世界的場(chǎng)景，GPS 和IMU 可以實(shí)時(shí)定位用戶的相對(duì)位置和移動(dòng)狀態(tài)。

（2）場(chǎng)景理解模塊：對(duì)攝像頭捕捉的場(chǎng)景進(jìn)行圖像處理后， 通過(guò)算法分析查找標(biāo)識(shí)點(diǎn)與識(shí)別圖匹配的場(chǎng)景，若成功，則進(jìn)入第三個(gè)模塊。

（3）三維感知模塊：即利用SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)，在設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)對(duì)移動(dòng)的坐標(biāo)系進(jìn)行三維重建，使得虛擬信息穩(wěn)定顯示在識(shí)別對(duì)象上。

（4）虛實(shí)融合模塊：通過(guò)GPU 渲染將虛擬信息疊加到真實(shí)世界中，監(jiān)聽(tīng)用戶的觸控操作。

圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架

1.3 內(nèi)容設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目選取的西湖景點(diǎn)主要考慮幾個(gè)方面。

景點(diǎn)的知名度，也是游客最可能參觀游玩的景點(diǎn)，通過(guò)寓教于樂(lè)的形式幫助用戶在游玩過(guò)程中了解景點(diǎn)文化背景知識(shí)， 如用戶可以掃描靈隱寺的識(shí)別圖觀看“靈隱正門為何常年不開(kāi)”的視頻動(dòng)畫(huà)。

景點(diǎn)元素的多樣性， 要根據(jù)每個(gè)景點(diǎn)的特征設(shè)計(jì)不同的內(nèi)容，以此提升內(nèi)容的觀賞性和娛樂(lè)性，如“南屏晚鐘”有響徹云霄的悠揚(yáng)鐘聲，“六和塔”有精巧絕倫的“七明六暗”，可以從不同角度來(lái)突出景點(diǎn)的特色。

在內(nèi)容制作上，要堅(jiān)持以“傳承歷史，突出文化”為中心，保證內(nèi)容的真實(shí)性和完整性，重要的支撐材料和素材需要來(lái)自權(quán)威機(jī)構(gòu)或?qū)嵉乜疾欤?同時(shí)也要兼顧趣味性和新穎性。實(shí)際上，雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文化遺產(chǎn)的展示中有諸多優(yōu)點(diǎn)， 但展示內(nèi)容和交互模式等要素都影響著用戶使用意愿，因此要同樣加以重視。

2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

基于以上功能需求設(shè)計(jì)并對(duì)比了目前主流的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具， 該研究選取了Unity3D 引擎作為主要實(shí)現(xiàn)工具， 利用Easy AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)西湖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。

Target 數(shù)據(jù)庫(kù)： 在EasyAR 官網(wǎng)上注冊(cè)并獲取License Key，就可以在Unity3D 中指定所要識(shí)別的Target（識(shí)別對(duì)象），一般為設(shè)計(jì)的平面圖像、立體模型或二維碼等，將這類識(shí)別對(duì)象整合成為一個(gè)Target 數(shù)據(jù)庫(kù)。

媒體信息數(shù)據(jù)庫(kù)： 利用多種軟件工具設(shè)計(jì)制作的相關(guān)媒體素材，包括文字圖片、視頻動(dòng)畫(huà)、三維模型等，將這類素材整合成為一個(gè)媒體信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 實(shí)現(xiàn)具體技術(shù)及開(kāi)發(fā)流程

EasyAR SDK： 利用這款A(yù)R 引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、本地目標(biāo)識(shí)別、二維碼識(shí)別、SLAM 等功能，可以用它來(lái)識(shí)別并展示2D、3D 物體及透明視頻等媒體內(nèi)容。

Unity3D 平臺(tái)： 整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程是基于U3D 平臺(tái)進(jìn)行處理的，可以在U3D 中使用C#、Javascript 語(yǔ)言編寫(xiě)交互腳本， 在實(shí)現(xiàn)所需功能后， 將應(yīng)用打包集成到Xcode 進(jìn)行調(diào)試，最終發(fā)布到對(duì)應(yīng)平臺(tái)。

3 結(jié)語(yǔ)

從效果展示上看， 現(xiàn)有的AR 技術(shù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)大部分的功能需求， 我們應(yīng)該更注重提升應(yīng)用本身內(nèi)容的吸引力和傳播價(jià)值。作為一款移動(dòng)端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺(tái)， 該案例表明了AR 技術(shù)在文化遺產(chǎn)的展示和保護(hù)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從用戶角度出發(fā)，在旅游中時(shí)常覺(jué)得景點(diǎn)玩法太單調(diào)， 旅游體驗(yàn)跟心理預(yù)期嚴(yán)重不符， 很大程度上是因?yàn)橛慰蛡儾涣私馐澜缥幕z產(chǎn)背后的意義；從市場(chǎng)角度來(lái)看，目前針對(duì)世界文化遺產(chǎn)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)較少，而隨著AR 技術(shù)的發(fā)展，其在文化傳播和遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。為了向公眾更好地展示文化遺產(chǎn)的內(nèi)涵，體現(xiàn)其教育價(jià)值， 也讓更多的人能夠熱愛(ài)并有意識(shí)地保護(hù)我國(guó)的文化遺產(chǎn)，我們宜抓緊時(shí)機(jī)，為保護(hù)世界歷史文化遺產(chǎn)，傳承人類文明做出積極的貢獻(xiàn)。