李軼

摘 要：隨著智能手機(jī)等移動(dòng)顯示設(shè)備的高度普及，AR技術(shù)迎來(lái)了大規(guī)模發(fā)展的契機(jī)。本文通過(guò)歷史文化景觀游覽中的主要AR應(yīng)用分析，提出了相關(guān)的三維注冊(cè)技術(shù)要求，并在對(duì)三維注冊(cè)技術(shù)進(jìn)行分類研究的基礎(chǔ)上，提煉出更適用于歷史文化景觀游覽的AR系統(tǒng)三維注冊(cè)技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);AR;三維注冊(cè)技術(shù);歷史文化景觀;數(shù)字化建設(shè)

中圖分類號(hào)：G202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）34-0011-03

Analysis of AR 3D Registration Technology Suitable

for Historical and Cultural Landscape Tour

LI Yi

（Library of Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： With the high popularity of mobile display devices such as smartphones， AR technology has ushered in a large-scale development opportunity. Based on the analysis of the main AR applications in historical and cultural landscape tours， this paper proposed related technical requirements for 3D registration， and based on the classification study of the 3D registration technology， extracted the 3D registration technology and application scenarios of AR systems that were more suitable for historical and cultural landscape tours.

Keywords： augmented reality technology;AR;3D registration technology;historical and cultural landscape;digital construction

在歷史文化景觀的游覽過(guò)程中嵌入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（以下簡(jiǎn)稱“AR”）應(yīng)用，能夠使數(shù)字文化內(nèi)容實(shí)現(xiàn)視覺(jué)呈現(xiàn)或擴(kuò)增，滿足參觀者對(duì)屬地的歷史文化認(rèn)知需求，提升歷史文化景觀及周邊旅游產(chǎn)品的文化附加值，進(jìn)一步擴(kuò)大歷史文化的表現(xiàn)、傳播、繼承空間。

AR系統(tǒng)的核心支撐就是三維注冊(cè)技術(shù)，其通過(guò)復(fù)雜的儀器設(shè)備和精確的底層算法鎖定鏡頭與真實(shí)場(chǎng)景的空間對(duì)應(yīng)位置，從而將虛擬圖像等信息精密疊加在顯示端的真實(shí)場(chǎng)景上。三維注冊(cè)技術(shù)的優(yōu)劣直接影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和展示效果。

1 歷史文化景觀游覽的主要AR應(yīng)用和三維注冊(cè)技術(shù)性能要求

AR最突出的特點(diǎn)是通過(guò)以三維注冊(cè)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的移動(dòng)端展示，其在歷史文化景觀中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。一是文化信息附加，以多維度的展示內(nèi)容來(lái)豐富信息傳達(dá)的生動(dòng)性。二是AR導(dǎo)覽，讓游覽者通過(guò)AR導(dǎo)覽有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，對(duì)游覽地歷史景觀的概況、文化內(nèi)涵有更為完整、清晰的認(rèn)知。三是三維復(fù)原，既保護(hù)了歷史遺跡原貌，又解決了參觀者對(duì)于“歷史重現(xiàn)”的需求。四是真實(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)，通過(guò)AR技術(shù)將視頻或動(dòng)畫(huà)注冊(cè)到真實(shí)歷史文化景觀內(nèi)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，以更加真實(shí)直觀的感受觸景生情、寄情于景、情景交融，從而獲得更加深層次的文化互動(dòng)體驗(yàn)[1]，引起內(nèi)心深處情感共鳴。

可見(jiàn)，AR系統(tǒng)在歷史文化景觀游覽中更加強(qiáng)調(diào)交互性和實(shí)時(shí)性，其對(duì)歷史文化景觀的識(shí)別精準(zhǔn)度、虛擬信息的疊加精密度以及交互的實(shí)時(shí)性都有非常高的要求。因此，三維注冊(cè)技術(shù)在歷史文化景觀游覽體驗(yàn)AR系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)該滿足以下幾個(gè)方面要求。一是跟蹤注冊(cè)精度。注冊(cè)精度是虛擬信息附著于真實(shí)場(chǎng)景的準(zhǔn)確度和精密度，是AR系統(tǒng)應(yīng)用于歷史文化景觀游覽的最重要、最基本的要求，如果跟蹤注冊(cè)精度不足，對(duì)虛實(shí)疊加的完成度就會(huì)大打折扣，從而降低對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)。二是實(shí)時(shí)性。延遲是系統(tǒng)跟蹤注冊(cè)時(shí)產(chǎn)生誤差的主要原因之一，如果注冊(cè)延時(shí)將會(huì)使得圖像疊加滯后，從而使信息獲取出現(xiàn)偏差，大大降低用戶體驗(yàn)。三是魯棒性。魯棒性指AR系統(tǒng)在外部環(huán)境改變的同時(shí)依然能夠穩(wěn)定地疊加三維物體在目標(biāo)場(chǎng)景中，不出現(xiàn)抖動(dòng)或偏差的性能[2]。歷史文化景觀多處于戶外，在游覽過(guò)程中，環(huán)境因素尤其不可控，如光線、氣壓、溫濕度、遮擋物變化等，因此三維注冊(cè)技術(shù)必須具有很高的魯棒性，這樣才具有實(shí)操性。四是跟蹤識(shí)別范圍。跟蹤識(shí)別范圍是指增強(qiáng)設(shè)備與目標(biāo)場(chǎng)景的作用距離等空間廣度范疇，在景觀過(guò)程中尤其需要多角度、長(zhǎng)距離的識(shí)別。所以，AR系統(tǒng)在歷史文化景觀游覽的應(yīng)用中對(duì)注冊(cè)技術(shù)的跟蹤識(shí)別范疇[3]有更高的要求。

2 三維注冊(cè)技術(shù)的分類

目前，應(yīng)用于AR系統(tǒng)的三維注冊(cè)技術(shù)大致可分為基于傳感器、基于視覺(jué)和混合應(yīng)用三類注冊(cè)技術(shù)。基于傳感器的注冊(cè)技術(shù)主要利用聲、光、電等各類儀器發(fā)出的波對(duì)目標(biāo)物體或場(chǎng)景進(jìn)行跟蹤識(shí)別[4]，對(duì)反饋參數(shù)矩陣進(jìn)行計(jì)算注冊(cè)，疊加于真實(shí)場(chǎng)景;基于視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)方式主要是識(shí)別攝像元件獲取的真實(shí)場(chǎng)景圖像中的人工標(biāo)識(shí)或自然特征點(diǎn)，再通過(guò)相對(duì)復(fù)雜的算法計(jì)算出目標(biāo)場(chǎng)景的顯示矩陣，進(jìn)而對(duì)其注冊(cè)虛擬信息，進(jìn)行虛實(shí)疊加;混合注冊(cè)技術(shù)則是將兩種及以上的注冊(cè)技術(shù)混合應(yīng)用，即將多種跟蹤技術(shù)應(yīng)用于同一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，相互配合、互為補(bǔ)充，以取得更好的三維注冊(cè)效果?；趥鞲衅鞯娜S注冊(cè)技術(shù)分類及優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示，基于視覺(jué)的三維注冊(cè)技術(shù)分類及優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。結(jié)合三類三維注冊(cè)技術(shù)特征，設(shè)計(jì)者可以更加直觀、清晰地提煉出適用于歷史文化景觀的三維注冊(cè)技術(shù)。

3 適用于歷史文化景觀游覽的AR注冊(cè)技術(shù)

3.1 基于傳感器的三維注冊(cè)技術(shù)

基于傳感器的三維注冊(cè)技術(shù)通過(guò)硬件設(shè)備獲取真實(shí)場(chǎng)景位置、角度等信息，在圖像處理方面相對(duì)直接，不需要大量的運(yùn)算，因此，AR系統(tǒng)運(yùn)行速度快，效率高，在忽略環(huán)境干擾的情況下，能夠滿足游覽體驗(yàn)的實(shí)時(shí)性要求和定位精度。但是，其大多價(jià)格相對(duì)昂貴、設(shè)備復(fù)雜，基本為佩戴式頭盔[5]，大體量的設(shè)備本身在用戶的游覽過(guò)程中帶來(lái)不便，成為負(fù)擔(dān)。再者，大多數(shù)設(shè)備需要在場(chǎng)景中率先布置好，并且要排除其他干擾信息，在實(shí)際戶外游覽過(guò)程中，不可能在景點(diǎn)布置這些設(shè)施，不可避免地存在各種環(huán)境干擾。因此，除了注冊(cè)技術(shù)相對(duì)特殊的GPS技術(shù)以外[6]，基于傳感器的三維注冊(cè)技術(shù)并不適用于歷史文化景觀游覽的AR系統(tǒng)中。

GPS是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，屬于廣義上的基于傳感器定位。GPS通過(guò)全球定位衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)用戶實(shí)時(shí)定位跟蹤，主要基于定位信息進(jìn)行位置注冊(cè)，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)虛擬信息的真實(shí)場(chǎng)景疊加，由于算法簡(jiǎn)單，單純利用GPS無(wú)法注冊(cè)比較復(fù)雜的虛擬信息，如歷史古跡復(fù)原等。但是，由于其全球定位的優(yōu)越性和智能手機(jī)的普遍性，GPS可以廣泛地應(yīng)用于歷史文化景觀的AR導(dǎo)覽。如果混合注冊(cè)技術(shù)中有GPS的參與，就能進(jìn)一步提高定位精度。

3.2 基于視覺(jué)的三維注冊(cè)技術(shù)

基于視覺(jué)的三維注冊(cè)技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理方面的算法，不需要額外的特殊裝備，跟蹤注冊(cè)精度雖然比基于硬件的三維注冊(cè)方式要弱一些[7]，但可以通過(guò)注冊(cè)算法彌補(bǔ)?；谝曈X(jué)的跟蹤注冊(cè)方式主要可通過(guò)手持移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，體積小、易于攜帶的智能手機(jī)在國(guó)內(nèi)幾乎達(dá)到全覆蓋。目前，智能手機(jī)己集成了GPS和傳感器等功能完善的硬件模塊，而5G的逐步推廣將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用提供絕佳的硬件條件。

3.2.1 基于人工標(biāo)識(shí)物的跟蹤注冊(cè)技術(shù)。顧名思義，基于人工標(biāo)識(shí)物的三維注冊(cè)技術(shù)是在目標(biāo)識(shí)別物體上添加識(shí)別點(diǎn)，一般為矩形或三角形黑白圖案，通過(guò)攝像頭識(shí)別，利用邊緣捕獲的方法推導(dǎo)出單應(yīng)性矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別物的空間定位與快速跟蹤，從而進(jìn)行虛擬信息的實(shí)物注冊(cè)。基于標(biāo)識(shí)物的三維注冊(cè)方式設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，但是精準(zhǔn)度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此這種方法在教育、軍事、醫(yī)療和工業(yè)[8]等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。但對(duì)于歷史文化景觀來(lái)說(shuō)，遍布人工設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)物是不現(xiàn)實(shí)的，忽略高昂的成本不說(shuō)，其還會(huì)破壞歷史景觀的整體美觀和文化氛圍，嚴(yán)重造成游覽者視覺(jué)體驗(yàn)缺失。因此，基于人工標(biāo)識(shí)物的跟蹤注冊(cè)技術(shù)在歷史文化景觀游覽中的應(yīng)用同樣不可行。

3.2.2 基于自然特征點(diǎn)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)。這種基于視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)無(wú)標(biāo)識(shí)點(diǎn)限制，單純對(duì)點(diǎn)、線、面和3D模型等自然圖像特征進(jìn)行識(shí)別跟蹤注冊(cè)。其大致的技術(shù)線路為：圖像特征提取—特征跟蹤與匹配—單應(yīng)性矩陣計(jì)算—投影矩陣計(jì)算—虛擬信息投影。目前，主流的自然特征注冊(cè)技術(shù)主要有基于3D模型與關(guān)鍵幀圖像的注冊(cè)方法、基于Harris角點(diǎn)檢測(cè)KLT跟蹤的注冊(cè)方法、基于SIFT特征點(diǎn)檢測(cè)與跟蹤的方法。它克服了基于人工標(biāo)識(shí)物需要依托于黑白矩形標(biāo)記和僅適用于較小的目標(biāo)物體的缺點(diǎn)，使得AR系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用范圍大大擴(kuò)增。

歷史文化景觀的AR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及更多的戶外環(huán)境，因此要考慮到光照、氣溫、濕度、氣壓和遮擋物等各種自然環(huán)境變化因素?；谧匀惶卣鞯母欁?cè)技術(shù)剛好能夠較好地規(guī)避這些因素的影響，具有較高的魯棒性。通過(guò)較為復(fù)雜且不斷改進(jìn)的算法，注冊(cè)的精密度也得到了保障，該技術(shù)符合歷史文化景觀的AR系統(tǒng)體驗(yàn)要求。特殊場(chǎng)景下，輔以GPS或基于人工標(biāo)識(shí)物的注冊(cè)跟蹤方式將有助于獲得更好的游覽體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

5G時(shí)代已經(jīng)悄然而至，隨著智能手機(jī)等移動(dòng)終端的高度普及，AR大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展的契機(jī)也已來(lái)臨。未來(lái)，三維注冊(cè)技術(shù)的日趨完善將給AR應(yīng)用帶來(lái)更為廣闊的空間，同時(shí)使得城市歷史景觀的數(shù)字化建設(shè)、展示、保護(hù)與文化傳播擁有更多可能。

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