AR技術(shù)在青海歷史古跡數(shù)字化重建中的應(yīng)用

唐傳謙+劉志強(qiáng)+劉曉靜

摘要：青海作為一個(gè)多民族聚居的省份，至今已有6000多年歷史，積淀的歷史古跡由于自然災(zāi)害或人為破壞等原因，部分湮沒(méi)在歷史煙云中。利用數(shù)字技術(shù)對(duì)目前尚存的古跡重建是保護(hù)歷史文化傳承的一個(gè)新的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)青海古跡保護(hù)方法及存在問(wèn)題的剖析，結(jié)合獨(dú)特的民族文化，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)把歷史古跡殘缺部分建模修補(bǔ)，將歷史信息如珍貴老照片、視頻、三維動(dòng)畫(huà)等與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景“疊加”，使虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境存在于一個(gè)空間中。同時(shí)以AR技術(shù)在國(guó)內(nèi)數(shù)字化重建中的成功應(yīng)用為例，進(jìn)一步突出在青海歷史古跡保護(hù)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。使得古跡延續(xù)下去的同時(shí)，保護(hù)數(shù)據(jù)資料，傳承悠久的文化。

關(guān)鍵詞： 青海；歷史古跡；數(shù)字化重建；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；疊加；文化傳承

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）35-0239-04

Application Prospect of AR Technology in Digital Reconstruction of Historical Monuments in Qinghai

TANG Chuan-qian，LIU Zhi-qiang，LIU Xiao-jing

（Department of Computer Technology and Application， Qinghai University， Xining 810016， China）

Abstract： Qinghai as a multi-ethnic province， has been 6000 years of history， the accumulation of historical monuments due to natural disasters or man-made destruction and other reasons， part of the annihilation in the historical clouds. The use of digital technology to restore the existing historical monuments is to protect the historical and cultural heritage of a new trend. Through the analysis of the methods and problems of the protection of monuments in Qinghai， combined with the unique national culture， with the Augmented Reality （AR） technique， the digital catalogs of historical monuments are patched and the historical information such as precious old photographs， And so on with the reality of the scene "superimposed"， so that the virtual environment and the reality of the environment exists in a space. At the same time to AR technology in the domestic digital reconstruction of the successful application of example， to further highlight the application of historical protection in Qinghai. So that the monuments continue at the same time， the protection of data， heritage of a long culture.

Key words：Qinghai； historical monuments； digital reconstruction； enhancement of reality； superposition； cultural heritage

1 概述

AR技術(shù)全稱(chēng)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)，是指把計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象基于某種媒介并經(jīng)過(guò)模擬仿真后疊加到真實(shí)世界，被人類(lèi)感官感知后，確信虛擬場(chǎng)景是真實(shí)場(chǎng)景一部分的技術(shù)。該技術(shù)呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果的真實(shí)古跡環(huán)境，具有將歷史與現(xiàn)實(shí)虛實(shí)結(jié)合、三維注冊(cè)、實(shí)時(shí)交互的新特點(diǎn)[1]。同時(shí)古跡信息以AR技術(shù)的方式呈現(xiàn)給觀光者，不僅能夠看到文字、圖片甚至三維動(dòng)畫(huà)等形式的解說(shuō)，還能看到古跡上殘缺部分的虛擬重構(gòu)，以及歷史形態(tài)的疊加，重現(xiàn)歷史的痕跡。此新興數(shù)字化重建技術(shù)對(duì)于古跡外部形態(tài)數(shù)字式、地理式資料的傳承以及指導(dǎo)人工修復(fù)具有深遠(yuǎn)的意義。

本文從青海省歷史古跡重建的現(xiàn)狀著手，闡明在古跡重建中存在的問(wèn)題，找準(zhǔn)AR技術(shù)在古跡重建中的應(yīng)用并列舉具體實(shí)例，進(jìn)而說(shuō)明AR技術(shù)在青海省歷史古跡重建中的優(yōu)勢(shì)和必要性。

2 青海省歷史古跡重建的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

2.1 青海省的簡(jiǎn)介

青海位于中國(guó)西北部，早在遠(yuǎn)古時(shí)期就有古老的民族——羌族在此活動(dòng)。羌族以部落群聚的形式生活，秦始皇時(shí)期以西羌為界修筑長(zhǎng)城，魏晉南北朝時(shí)期，是西北地區(qū)民族戰(zhàn)爭(zhēng)最為頻繁且民族矛盾最為尖銳的時(shí)期。因此在政治、軍事上，青海省具有十分重要的戰(zhàn)略地位，是許多政權(quán)和民族爭(zhēng)奪的目標(biāo)，也是中原地區(qū)的重要屏障，素有“天然國(guó)防”之稱(chēng)[2]。青海也一直是漢族文化和少數(shù)民族文化交匯的地區(qū)，具有濃厚的民族特色。據(jù)2016年12月23日青海省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)工作會(huì)議上獲悉，目前該省各類(lèi)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)達(dá)2023項(xiàng)，青海省文化和新聞出版廳統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該省入選人類(lèi)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)代表作名錄的有熱貢藝術(shù)、格薩（斯）爾、“花兒”等5項(xiàng)，中國(guó)國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄73項(xiàng)，省級(jí)136項(xiàng)，州（市）級(jí)572項(xiàng)，縣級(jí)1237項(xiàng)[3]。悠久的歷史積淀下寶貴的文化遺跡，從中石器時(shí)代的彩陶到分布廣泛的石刻、巖畫(huà)、壁畫(huà)，再到眾多氣勢(shì)恢宏的藏傳佛教寺院如塔爾寺、丹斗寺、尕讓白馬寺等，成為青海省人文景觀和歷史傳承的重要組成部分[4]。endprint

2.2 青海省古跡重建的現(xiàn)狀與特征

青海歷經(jīng)時(shí)間的洗禮留下一批特色的歷史古跡，由于日曬雨淋，地震等自然災(zāi)害，以及戰(zhàn)爭(zhēng)、破四舊的人為破壞等原因，遭受到不同程度的損害，其造成的后果是歷史文化與民族特色的嚴(yán)重缺失。為保護(hù)歷史古跡，國(guó)家每年斥巨資修繕和保護(hù)。古跡見(jiàn)證了國(guó)家的興衰與繁榮，因此青海省政府響應(yīng)國(guó)家出臺(tái)的《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》，撥專(zhuān)項(xiàng)資金用來(lái)拯救古寺等文物古跡，從文物古跡的調(diào)查、評(píng)估到確定文物的保護(hù)單位來(lái)制定和實(shí)施保護(hù)規(guī)劃，并定期檢查規(guī)劃的合理性。

一系列的工作推進(jìn)，希望在古跡的外觀上恢復(fù)原貌。建筑外觀是文化的載體，提供給游客直觀的游覽體驗(yàn)，親身處于古跡環(huán)境之中，感受濃濃的文化氛圍。目前青海省對(duì)于古跡外觀重建的方法主要有以下幾個(gè)：

1） 原址重建：對(duì)于在城市發(fā)展和舊時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)中損壞的古跡，政府采用原址重建的方式。這里以拱辰門(mén)為例，拱辰門(mén)是原青海省西寧市衛(wèi)城的北門(mén)，也叫做北門(mén)城樓。距今已有600多年的歷史，在20世紀(jì)50年代，因年久失修和城市建設(shè)需要拆除[5]。2007年，為延續(xù)西寧歷史文脈，西寧城中區(qū)政府又投資900多萬(wàn)元，以歷史資料為依據(jù)，按原貌重建了西寧北門(mén)城樓。如圖1、2所示，為青海省舊時(shí)的北門(mén)城樓與現(xiàn)在重建之后的對(duì)比。

原址重建在大體上重建了外部形態(tài)，具體細(xì)節(jié)難以再現(xiàn)。主要因?yàn)橹亟ㄊ掷m(xù)復(fù)雜、無(wú)資料保存或資料過(guò)少提高了重建的技術(shù)難度、且具有成本投入高、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2） 傳統(tǒng)手工藝人手工修復(fù)：青海省湟中的陳家灘木雕是當(dāng)?shù)鬲?dú)特的農(nóng)耕文化、牧文化和伊斯蘭教文化結(jié)合的產(chǎn)物，是青海各民族文化的縮影，青藏高原上獨(dú)有的瑰麗奇葩。這些木雕身影出現(xiàn)在塔爾寺等眾多寺廟中，作為青海省的一項(xiàng)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，雕刻工藝復(fù)雜，導(dǎo)致手工藝人越來(lái)越少，雕刻的精細(xì)度也達(dá)不到舊時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，木雕一旦損壞，修復(fù)起來(lái)極其麻煩。在青海省南禪寺的部分修復(fù)重建中，為還原舊時(shí)雕刻的形態(tài)，請(qǐng)了非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的手工藝人修復(fù)或者重新雕刻古跡木雕。圖3為手工藝人正在雕刻木雕，圖4為木雕成品。

圖3 雕刻木雕 圖4 木雕成品

3） 保持原狀：對(duì)于自然災(zāi)害中損壞的古跡，例如文成公主廟在青海省玉樹(shù)地震時(shí)墻體裂縫，廟頭山體石頭經(jīng)過(guò)地震已大面積松動(dòng)，危在旦夕，目前的修復(fù)只能是將松動(dòng)的巖石固定，保持原狀。

2.3 古跡重建中存在的問(wèn)題

古跡重建中存在的問(wèn)題除了原址重建涉及的地理位置、整體景觀效果和不影響交通等諸多因素的限制，還涉及施工的難度、周期等。手工藝人的修復(fù)方式主要受到傳統(tǒng)手工藝人的減少、獨(dú)特的漢藏結(jié)合方式以及西北的民間風(fēng)俗等因素的制約。對(duì)于保持原狀的古跡，可能會(huì)隨著自然環(huán)境的更替越來(lái)越破敗。因此當(dāng)前古跡的數(shù)字化重建就顯得尤為重要了，它能縮短古跡重現(xiàn)的周期，降低修復(fù)難度，不僅是對(duì)古跡現(xiàn)存資料的保存，同時(shí)也為后期修復(fù)提供依據(jù)。

3 AR技術(shù)在歷史古跡數(shù)字化重建中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)目前青海省歷史古跡重建的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題的分析，引入一種新的技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題成為一種必然。AR作為融合信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、多媒體技術(shù)和可視化技術(shù)等多種數(shù)字化技術(shù)為一體的技術(shù)成為了首選。

3.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即AR技術(shù)，是指在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)之上，注重把動(dòng)態(tài)的、背景專(zhuān)門(mén)化的信息加載到用戶(hù)的視覺(jué)域上，讓虛擬世界服務(wù)于真實(shí)世界。AR技術(shù)是多領(lǐng)域交叉和融合的創(chuàng)新型技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的二維或三維的虛擬環(huán)境（文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、聲音、三維模型等）與用戶(hù)周?chē)默F(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，形成與真實(shí)環(huán)境疊加的效果，使用戶(hù)從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周?chē)鎸?shí)環(huán)境的組成部分，實(shí)時(shí)地進(jìn)行人機(jī)交互[6]。

AR技術(shù)的原理是通過(guò)跟蹤注冊(cè)算法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀的創(chuàng)建與標(biāo)定，通過(guò)圖像匹配算法來(lái)搜索圖像上的特征點(diǎn)，并進(jìn)行特征點(diǎn)的匹配[7]來(lái)確定真實(shí)場(chǎng)景中追蹤攝像機(jī)的位置與虛擬場(chǎng)景中模型的位置與方位的檢測(cè)，并完成虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的坐標(biāo)統(tǒng)一，最終完成虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的疊加顯示在手機(jī)端或者其他設(shè)備上[8]。圖5為AR技術(shù)的原理示意圖。

3.2 AR技術(shù)古跡數(shù)字化重建上的應(yīng)用

目前AR技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)、教育教學(xué)、醫(yī)療研究、游戲開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、古跡重建以及營(yíng)銷(xiāo)策略等多領(lǐng)域[9]。AR在生活中的應(yīng)用如圖6、7所示。

在古跡重建中，傳統(tǒng)的古跡重建方式參考老照片及平面圖等圖片、數(shù)據(jù)資料進(jìn)行人工重建，但數(shù)據(jù)資料的缺失對(duì)古跡的重建產(chǎn)生很大的影響，因此，采用AR技術(shù)數(shù)字化重建古跡，保護(hù)數(shù)據(jù)資源、圖片資源、模型資源也是為以后的古跡修繕留下依據(jù)。在數(shù)字化古跡的同時(shí)，疊加古跡的歷史信息到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，完成一條線的古跡軌跡：過(guò)去的場(chǎng)景——現(xiàn)在的場(chǎng)景——未來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

現(xiàn)以著名的圓明園AR數(shù)字重建為例，說(shuō)明AR技術(shù)在古跡中的應(yīng)用。自康熙四十六年始建，到1860年秋被焚，圓明園以夢(mèng)幻般的建筑形態(tài)存在了150年。夕陽(yáng)下矗立的斷壁殘?jiān)?，以自身的遭遇，默默地折射著這片國(guó)土的榮辱興衰[10]。2017年5月18日，《“看見(jiàn)”圓明園》數(shù)字體驗(yàn)展在中國(guó)園林博物館二號(hào)展廳開(kāi)幕。這次展示手段采用了實(shí)體搭建與AR、VR、數(shù)字影片等多種虛擬體驗(yàn)的結(jié)合，圓明園中正大光明AR景色重現(xiàn)如圖8、9所示，

對(duì)于圓明園是否重建是一個(gè)頗具爭(zhēng)議的問(wèn)題，作為中國(guó)人，應(yīng)該時(shí)刻銘記歷史，但舊時(shí)圓明園的盛況又吸引著民眾的眼球。隨著社會(huì)的進(jìn)步，我們用科技穿越時(shí)空，數(shù)字化重建了圓明園的盛況。圓明園的遺跡及AR化重建的效果圖分別如圖10，11所示。

觀眾可體會(huì)到歷史重新展現(xiàn)在眼前的沉浸式游覽。重現(xiàn)古跡，又不會(huì)抹殺歷史，我們將以滿(mǎn)滿(mǎn)的愛(ài)國(guó)情懷來(lái)看待這百年之殤。

4 AR技術(shù)在青海歷史古跡數(shù)字化重建中的應(yīng)用

AR技術(shù)在青海歷史古跡數(shù)字化重建中的應(yīng)用應(yīng)從青海的特色出發(fā)，結(jié)合技術(shù)的可實(shí)施性來(lái)談應(yīng)用。

首先青海作為一個(gè)多民族聚居的省份，古跡類(lèi)型繁多，不同的古跡具有不同的文化內(nèi)涵，比如清真大寺，主要用來(lái)給信仰伊斯蘭教的民眾做禮拜，在參觀清真寺時(shí)有很多禁忌，如不要在禮拜者面前過(guò)路，除了贊真主外不許大聲喧嘩，不得觸碰《古蘭經(jīng)》等。在中國(guó)，彼此尊重民族獨(dú)特的文化，是民族團(tuán)結(jié)的首要條件。

其次根據(jù)AR技術(shù)的特點(diǎn)和目前技術(shù)的可實(shí)施性，將在以下方面發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)：

1） 收集舊時(shí)古跡的圖片、文字、視頻等資料，在古跡的某個(gè)區(qū)域上疊加該區(qū)域的歷史史實(shí)，為古跡附上飽滿(mǎn)的文化內(nèi)涵。

2） 通過(guò)AR技術(shù)將特色的民族文化資料疊加在古跡上，展示在民眾眼前，尊重不同民族之間的文化差異。

3） 結(jié)合青海特色的藏傳佛教寺院，殿堂多而路線繁雜，通過(guò)添加標(biāo)簽的形式作為一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹或者說(shuō)小型導(dǎo)航。

4） 對(duì)于歷史上經(jīng)歷過(guò)多次修繕、發(fā)生過(guò)重大事件、造就過(guò)著名的人物的古跡，通過(guò)三維技術(shù)、或者動(dòng)畫(huà)等形式把古跡隨著歷史變遷的變化過(guò)程疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

5） 利用AR技術(shù)提取古跡舊照片中的圖片紋理，作為貼圖貼到虛擬場(chǎng)景的建筑中，三維化、立體直觀重現(xiàn)以前古跡建筑的特征，增加古跡軌跡中的過(guò)去場(chǎng)景的真實(shí)性。

6） 虛擬場(chǎng)景的建立保存了古跡的多方位視圖及數(shù)據(jù)資料，為以后物質(zhì)重建古跡保存資源。

7） 對(duì)于旅游紀(jì)念品，如明信片、海報(bào)等，疊加簡(jiǎn)單介紹到紀(jì)念品上，此小類(lèi)AR化目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將AR技術(shù)在青海草原景色明信片上的疊加效果做一個(gè)簡(jiǎn)單的展示，當(dāng)我們使用移動(dòng)設(shè)備對(duì)這張圖片進(jìn)行掃描時(shí)，顯示該圖是美麗青海的風(fēng)景，如圖12所示。

AR技術(shù)將在青海省古跡重建中發(fā)揮其特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，把不同古跡的原建筑風(fēng)格、歷史上重要事件的發(fā)生過(guò)程以及青海特色的民族文化通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)展現(xiàn)給民眾，在現(xiàn)實(shí)游覽古跡的同時(shí)，增加了歷史資料，保護(hù)了現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，使文化得到傳承，數(shù)據(jù)得到延續(xù)[11]。因此將此技術(shù)應(yīng)用到青海省歷史古跡的重建中具有重要的意義。

總結(jié)起來(lái)，AR技術(shù)將古跡殘缺部分?jǐn)?shù)字化建模修補(bǔ)，將歷史信息如珍貴老照片、視頻等與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景疊加，使用戶(hù)感覺(jué)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境存在于一個(gè)空間中，重建古跡的同時(shí)重建了歷史。同時(shí)虛擬場(chǎng)景的建立保護(hù)了古跡的建筑數(shù)據(jù)，為以后的真實(shí)重建提供資料。AR技術(shù)在數(shù)字化重建古跡上的圖例說(shuō)明如圖13所示。

5 結(jié)束語(yǔ)與展望

社會(huì)的發(fā)展使得國(guó)家和人民越來(lái)越注重歷史古跡保護(hù)的重要性，歷史文化是古跡之中蘊(yùn)含的最珍貴的產(chǎn)物[12]。本文結(jié)合青海古跡獨(dú)特的文化特點(diǎn)，將AR技術(shù)作為工具對(duì)古跡數(shù)字化重建的應(yīng)用做出了說(shuō)明。其數(shù)字化重建過(guò)程中的虛擬建筑信息及歷史資料將為以后古跡的現(xiàn)實(shí)重建提供寶貴的資源。使得真實(shí)環(huán)境中的切身體驗(yàn)與虛擬環(huán)境中展示的文化古跡融為一體，給予超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

目前基于AR技術(shù)的古跡數(shù)字化重建正在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)方法上考慮青海作為旅游城市，在使用新興技術(shù)傳播文化內(nèi)涵的同時(shí)，增加旅游的趣味性[13]，疊加三維動(dòng)畫(huà)，多互動(dòng)性等方面入手，將旅游打造為科技旅游，彌補(bǔ)傳統(tǒng)手段對(duì)古跡重建的缺陷，推動(dòng)文化傳承。

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