AR增強(qiáng)技術(shù)在展示歷史遺跡中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何苗 張?zhí)N

摘 ?要：文章主要研究陜西歷史文化遺產(chǎn)遺跡博物館展品在虛擬展示方面的問(wèn)題，目的在于加強(qiáng)游客在于參觀時(shí)的體驗(yàn)及對(duì)歷史文化的理解。通過(guò)以唐大明宮為例進(jìn)行針對(duì)歷史遺跡的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目展示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總結(jié)出計(jì)算機(jī)技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)規(guī)則。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)證明研究的設(shè)計(jì)規(guī)則與開(kāi)發(fā)方法是可行的，為面對(duì)文化歷史遺跡以及博物館展示項(xiàng)目方面提供一定參考。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);歷史文化遺產(chǎn);數(shù)字虛擬展示;大明宮

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）04-0083-05

Abstract：This paper mainly studies the virtual display of the exhibits in Shaanxi Historical and Cultural Heritage Museum，aiming to enhance the tourists experience and understanding of history and culture. By taking the Daming Palace of Tang Dynasty as an example，this paper summarizes the design rules during the production and development of the augmented reality project display. Practice has proved that the design rules and development methods of this project are feasible. Through the research of this topic，we can form a certain reference for the augmented reality display project of related cultural and historical sites and museum exhibits.

Keywords：AR;historical and cultural heritage;digital virtual display;Daming Palace

0 ?引 ?言

陜西歷史悠久，自古以來(lái)都是帝王建都之地，在西安這片土地上，見(jiàn)證了四大王朝建都，留下了79座帝王陵墓。然而，陜西歷史遺跡的大多數(shù)展覽只能使用傳統(tǒng)顯示器和死板的櫥窗進(jìn)行沉悶的展示，展品配上單調(diào)的文字及圖片孤零零地?cái)[放著，展品之間關(guān)聯(lián)較少且游客獲取知識(shí)非常被動(dòng)。[1]

使用AR技術(shù)的移動(dòng)設(shè)備能夠很好地解決以上的諸多問(wèn)題，只要將這項(xiàng)技術(shù)的移動(dòng)應(yīng)用程序安裝到智能設(shè)備，就可以從本地多媒體信息庫(kù)加載各種文本、音頻、視頻、照片或3D動(dòng)畫(huà)到現(xiàn)實(shí)世界，多維度展現(xiàn)信息，因此也打破信息傳達(dá)不暢、缺乏交互等帶來(lái)的局限性，使游覽變得更有趣，且實(shí)現(xiàn)高交互，可以使信息傳達(dá)更生動(dòng)，信息接受更深刻，同時(shí)也能增強(qiáng)人們對(duì)文物的感受，使參觀不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，將文物保護(hù)和大眾參與最大化。

1 ?陜西歷史遺跡數(shù)字化現(xiàn)狀

1.1 ?遺跡現(xiàn)狀

陜西地域分布的歷史遺跡具有的特點(diǎn)如下：

（1）龐大陵墓群為主。從殷商開(kāi)始，受到習(xí)俗影響的民眾之中開(kāi)始盛行厚葬之風(fēng)，上到皇家貴族，下到平民都不惜財(cái)力地經(jīng)營(yíng)喪葬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜西共有歷代帝王陵墓79座。

（2）不完整的歷史遺址。自唐朝后的1 100多年間，受到人為以及自然因素的侵蝕，目前遺留的遺跡，僅有部分經(jīng)過(guò)修繕供人參觀[2]。因此，西安的古跡大多殘缺不全。

（3）數(shù)量龐大。據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，陜西省內(nèi)不可移動(dòng)文物49 058處，其中包括古遺址、古墓葬、古建筑等類別[3]。

1.2 ?數(shù)字化技術(shù)建設(shè)現(xiàn)狀

（1）展品孤立。目前各展區(qū)文物的展示大多以文物名片信息的簡(jiǎn)單排列為主，游客對(duì)文物的背景及其他人文信息知之甚少[4]。

（2）高科技展示無(wú)交互[5]。雖然很多文物的展示使用了高科技方式進(jìn)行，如全息投影、互動(dòng)屏幕等，但是展示信息僅僅是實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的電子化，與游客互動(dòng)很少[6]。

（3）體感交互設(shè)備維護(hù)成本高?，F(xiàn)有的交互設(shè)備價(jià)格昂貴且維護(hù)成本高，許多博物館為了節(jié)省開(kāi)支、保護(hù)設(shè)備，甚至不開(kāi)啟設(shè)備。

因此裝載AR技術(shù)的移動(dòng)設(shè)備能夠很好地解決以上的諸多問(wèn)題，擁有移動(dòng)設(shè)備的游客都可以通過(guò)手機(jī)或平板電腦感知AR技術(shù)帶來(lái)的多媒體體驗(yàn)[7]。

2 ?AR技術(shù)在歷史文化遺跡展示方面的應(yīng)用

2.1 ?AR技術(shù)概念及特征

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）是將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境相互疊加融合后的場(chǎng)景呈現(xiàn)給體驗(yàn)者的一種新技術(shù)[8]。與虛擬現(xiàn)實(shí)相反，AR技術(shù)并沒(méi)有將用戶與現(xiàn)實(shí)隔離開(kāi)，而是保留了對(duì)世界的完全感知[9]。利用AR技術(shù)可以將歷史文化資源內(nèi)容向可保存、可交互的數(shù)字化內(nèi)容方向轉(zhuǎn)化，同時(shí)疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中[10]。

2.2 ?研究?jī)?nèi)容及目的

當(dāng)今社會(huì)數(shù)字媒體信息爆炸，大多數(shù)人們的娛樂(lè)活動(dòng)都是以數(shù)字信息為基礎(chǔ)的[11]。將AR技術(shù)運(yùn)用到歷史遺跡的展示中，進(jìn)行虛實(shí)融合的整合研究和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，將使人們對(duì)歷史文化遺產(chǎn)進(jìn)行多維度體驗(yàn)成為未來(lái)發(fā)展的方向[12]。

本文基于校內(nèi)自然科學(xué)類研究項(xiàng)目“AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文化旅游中的應(yīng)用與研究”，嘗試將AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與陜西歷史遺跡的虛擬展示相結(jié)合，以大明宮為例構(gòu)建并總結(jié)出AR展示項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)步驟。

3 ?大明宮項(xiàng)目AR展示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ?設(shè)計(jì)思路

通過(guò)去大明宮多次調(diào)研得出：可以制作大明宮的AR識(shí)別卡片，通過(guò)移動(dòng)端掃描大明宮AR識(shí)別卡片可以看到大明宮相應(yīng)宮殿的三維模型，加深游客的感官體驗(yàn)[13]。

在AR卡片展示部分，游客可以通過(guò)卡片掃描出對(duì)應(yīng)宮殿的三維模型，并能夠伴隨著音樂(lè)和動(dòng)態(tài)文字介紹。音樂(lè)和文字的疊加使宮殿的展示更加具有韻味[14]，此外，還可以通過(guò)掃描識(shí)別進(jìn)行視頻播放[2]。

3.2 ?AR識(shí)別卡片的設(shè)計(jì)

卡片設(shè)計(jì)根據(jù)景區(qū)展示出的復(fù)原模型及平面圖確定大明宮含元殿的建筑外形，通過(guò)歷史文獻(xiàn)查閱確定其真實(shí)造型形態(tài)[15]。

AR識(shí)別圖風(fēng)格上選用當(dāng)前流行插畫(huà)形式，僅僅將宮殿輪廓用簡(jiǎn)單色塊或線條進(jìn)行提煉，在顏色處理上，主要根據(jù)文獻(xiàn)資料以及出土文物顏色分析，選取唐代建筑顏色風(fēng)格——“紅墻灰瓦”作為主要的顏色基調(diào)[16]。圖1所示為含元殿插畫(huà)形象。

到此，含元殿的AR識(shí)別卡制作完畢，將識(shí)別卡上傳至Vuforia的Target Manager模塊中查看識(shí)別圖星級(jí)并根據(jù)星標(biāo)判斷識(shí)別圖等級(jí)，星級(jí)越高表示識(shí)別圖容易被識(shí)別，低于三星表示識(shí)別圖不可用。如圖2所示，含元殿識(shí)別圖星標(biāo)為五星，說(shuō)明識(shí)別度較高，圖像中的十字表示識(shí)別點(diǎn)。

3.3 ?AR展示的3D視覺(jué)設(shè)計(jì)

AR識(shí)別卡制作完畢后可以通過(guò)Unity3D來(lái)實(shí)現(xiàn)AR系統(tǒng)的搭建。由于主流3D建模軟件能夠滿足Unity3D對(duì)于模型的需求，因此可以選用3D Max進(jìn)行建模，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后三維模型格式為fbx，同時(shí)也是建模軟件之間通用格式。另外，對(duì)于導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中的模型來(lái)說(shuō)需要有以下要求：

（1）由于模型等虛擬物需要由AR加載，因此模型面數(shù)過(guò)多會(huì)使加載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，展示生動(dòng)性減弱，影響用戶體驗(yàn)，因此整個(gè)場(chǎng)景中出現(xiàn)的模型面數(shù)不能超過(guò)20萬(wàn)個(gè)，單個(gè)模型面數(shù)不能超過(guò)5萬(wàn)個(gè)。

（2）模型不能出現(xiàn)五邊以上的面以及凹面，否則Unity3D中的模型會(huì)破裂。

（3）模型中單面法線要正確且不能出現(xiàn)重復(fù)的面，這樣做可以防止Unity3D中模型面顯示錯(cuò)誤。

根據(jù)現(xiàn)有資料，首先在3D Max軟件中進(jìn)行含元殿白模搭建，且因?yàn)槟Ｐ托枰谑謾C(jī)中運(yùn)行，因此，建模時(shí)盡量減少模型面數(shù)并盡量使用貼圖來(lái)顯示模型細(xì)節(jié)。如圖3所示為含元殿整體模型，圖4為細(xì)節(jié)模型白模。

建模完成后制作并導(dǎo)出UV。由于宮殿并非規(guī)則立體形狀，因此需要沿3D宮殿表面的法線展開(kāi)成2D平面，便于貼圖師進(jìn)行繪制貼圖。模型中每一個(gè)面的棋盤(pán)格呈規(guī)則方形，若正方形有明顯拉伸說(shuō)明UV沒(méi)有完全展開(kāi)。建筑類三維模型相對(duì)規(guī)則，UV展開(kāi)比較容易，圖5為UV展開(kāi)細(xì)節(jié)圖。

接下來(lái)由貼圖師為建好的白模貼圖，豐富模型的視覺(jué)效果。一個(gè)模型的貼圖素材有很多，我們將展開(kāi)的UV貼圖保存后導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行貼圖繪制，圖6展示了含元殿貼圖素材。

經(jīng)過(guò)上述步驟，含元殿三維模型創(chuàng)建完畢，模型成品如圖7所示。將其文件導(dǎo)出fbx格式，后續(xù)單向?qū)險(xiǎn)nity3D中進(jìn)行AR展示制作。

3.4 ?AR展示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)移動(dòng)展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，我們使用Unity 2018新版本[17]，可以直接通過(guò)選擇組件環(huán)節(jié)選擇需要的平臺(tái)支持組件（iOS、Android、UWP）以及主角（Vuforia Augmented Reality Support），然后安裝。安裝完成后我們創(chuàng)建新的3D項(xiàng)目，通過(guò)菜單欄→GameObject→Vuforia可以看到Vuforia的物體預(yù)設(shè)，在Build Settings和Player Settings可以看到Vuforia的配置屬性等。由于必須要在項(xiàng)目中激活Vuforia才可以發(fā)布和應(yīng)用其功能，因此我們繼續(xù)在Vuforia官網(wǎng)進(jìn)行操作。

（1）開(kāi)發(fā)人員需要在官網(wǎng)進(jìn)行注冊(cè)獲取項(xiàng)目密鑰并復(fù)制保存。

（2）上傳之前制作的AR識(shí)別卡片并獲得識(shí)別信息，點(diǎn)進(jìn)去后獲取識(shí)別圖SDK到本地[18]。

在Unity3D中的菜單項(xiàng)GameObject→Vuforia中將AR-Camera進(jìn)行添加，并將ImageTarget拖入Hierarchy中。接著將使用3D Max做好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，并將其同時(shí)拖入ARCamera文件夾下。此時(shí)可以在場(chǎng)景中看到創(chuàng)建的模型。

將Vuforia官網(wǎng)上導(dǎo)出的識(shí)別圖SDK導(dǎo)入項(xiàng)目，并通過(guò)Hierarchy面板中的ARCamera添加密鑰，激活I(lǐng)mageTargrt即可。AR系統(tǒng)的布置基本完成，下面進(jìn)行Android系統(tǒng)的導(dǎo)出測(cè)試，使用Unity3D導(dǎo)出Android的安裝包apk并在手機(jī)中進(jìn)行測(cè)試。效果如圖8所示。

目前展現(xiàn)的效果是通過(guò)掃描識(shí)別卡片可以展現(xiàn)出含元殿的宮殿，通過(guò)左側(cè)滑動(dòng)軸進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多角度觀看，但是模型的效果欠佳，因此AR展示的效果有限。除了可以通過(guò)掃描識(shí)別卡片展現(xiàn)宮殿的三維模型，還可以添加視頻影音播放來(lái)豐富AR展示，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了掃描后的脫卡展示，能夠更加方便游客使用移動(dòng)設(shè)備獲取信息[19]。因此需要在Unity3D中通過(guò)編碼實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵代碼如下：

using UnityEngine;

using System.Collections;

public class Demo ：MonoBehaviour

{

public MovieTexturemovieDemo;

private void Start（）

{

movieDemo.loop = true;

}

private void OnGUI（）

{

GUI.DrawTexture（new Rect（0， 0， Screen.width， Screen.height）， movieDemo， ScaleMode.StretchToFill）;

if （GUILayout.Button（"PLAY"））

{

if （！movieDemo.isPlaying）

{

movieDemo.Play（）;

}

}

if （GUILayout.Button（"PAUSE"））

{

movieDemo.Pause（）;

}

if （GUILayout.Button（"STOP"））

{

movieDemo.Stop（）;

}

}

}

4 ?結(jié) ?論

AR技術(shù)可以幫助我們將歷史文化遺跡進(jìn)行可視化傳播，隨著科技的發(fā)展以及越來(lái)越多的學(xué)者們投入到AR展示技術(shù)的研究中，AR展示中關(guān)于成像質(zhì)量以及分辨率等困擾人們的問(wèn)題會(huì)慢慢被攻克[20]。同時(shí)利用AR技術(shù)與數(shù)字技術(shù)不僅能夠更合理地保護(hù)歷史文化遺產(chǎn)資源，還能帶動(dòng)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)社會(huì)繁榮以及和諧發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：何苗（1983-），女，漢族，陜西西安人，講師，工程碩士，主要研究方向：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù);張?zhí)N（1984-），女，漢族，陜西西安人，講師，博士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、人工智能。