基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圓明園遺址展示方式研究

李雨靜，孟祥彬

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院）

1 引言

考古遺址公園的概念較為新穎，現(xiàn)階段關(guān)于它的相關(guān)研究?jī)?nèi)容較少，特別是對(duì)于考古遺址公園展示方式的研究還處于起步階段。本文以遺址展示方式為切入點(diǎn)，以圓明園為研究對(duì)象，提出一種新的遺址展示技術(shù)即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

2 研究背景

2.1 考古遺址公園展示的概念與研究

考古遺址公園兼?zhèn)淇脊偶坝斡[的多重功能，除了可以為考古工作者提供較為理想的工作場(chǎng)地，也為遺址的展示和保護(hù)提供了便捷及可能性。遺址展示是考古遺址公園傳達(dá)遺址價(jià)值與信息的重要手段[1]，目前遺址展示主要集中于實(shí)體展示階段，通過對(duì)遺址基質(zhì)的保護(hù)與恢復(fù)乃至重建來達(dá)到遺址展示的目的。雖這種方法具有較好的直觀性，但同時(shí)也存在較多的局限性，有些復(fù)原工作破壞了周圍環(huán)境，對(duì)于遺址的保護(hù)產(chǎn)生了負(fù)面的影響。本文提出一種新的展示方式即增強(qiáng)顯示技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)對(duì)遺址進(jìn)行虛擬展示，避免對(duì)遺址產(chǎn)生物理影響。

2.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念與研究

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近年來一種新興的圖像處理技術(shù)，這種技術(shù)可以把原本在真實(shí)世界中難以體驗(yàn)到的實(shí)體信息，通過算法處理后疊加到真實(shí)世界，從而使其被用戶所感知[2]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域均有較為廣泛的應(yīng)用[3]，然而，該技術(shù)在遺址展示領(lǐng)域[4]確少有涉獵。本文將增強(qiáng)顯示技術(shù)應(yīng)用到圓明園遺址展示中，并對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遺址展示中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理論建模。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在圓明園遺址展示中的運(yùn)用

3.1 圓明園現(xiàn)有遺址展示方式

通過歷史文獻(xiàn)的查閱與現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，圓明園中不同景點(diǎn)遺址的保存狀況與展示方式有很大區(qū)別，可以將圓明園遺址的展示方總結(jié)為以下幾類：

1）保持原狀的遺址

這部分遺址未經(jīng)過清理，保留了被破壞后的原貌。此種遺址展示方式應(yīng)用于圓明園的大部分區(qū)域，以西洋樓景區(qū)（見圖1a）最為突出。

2）經(jīng)過清理的遺址

將遺址廢墟進(jìn)行清理，移走廢棄的石料，除去雜亂的植物，展示出建筑物殘留的基座，山水結(jié)構(gòu)殘留的骨架等碎片化的信息。此種方式應(yīng)用于萬(wàn)方安和、碧桐書院（見圖1b）等大部分景點(diǎn)。

3）被保護(hù)與隔離的遺址

對(duì)于某些較容易被破壞的遺址，將其進(jìn)行保護(hù)與圍合，游客在欄桿外邊，或玻璃房外（見圖1c）來觀看遺址空間。

4）在原有基礎(chǔ)上經(jīng)過恢復(fù)與重建的遺址

對(duì)于經(jīng)過較少破壞的遺址，利用其原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)重建與改造。此種展示方式應(yīng)用于圓明園部分景觀橋的展示，比如碧闌橋（見圖1d）。

5）完全拆除并按照原來樣式重建的遺址

對(duì)于經(jīng)過嚴(yán)重破壞的遺址，將原有的遺址完全拆除，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行重建。此種展示方式應(yīng)用于某些重點(diǎn)景點(diǎn)的展示，比如西洋樓景區(qū)的黃花陣景點(diǎn)（見圖1e）。

6）與活動(dòng)場(chǎng)地相結(jié)合的遺址

針對(duì)形式比較規(guī)整的遺址，將其改造成現(xiàn)代休閑活動(dòng)場(chǎng)地，與休閑座椅和遺址展示牌相結(jié)合（見圖1f）。

圖1 圓明園遺址示例

現(xiàn)圓明園遺址的展示大多采用傳統(tǒng)方式，這種方式無(wú)法讓游客充分了解到遺址的真實(shí)狀態(tài)，且無(wú)互動(dòng)性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的圖像處理技術(shù)，在圓明園遺址展示中具有天然優(yōu)勢(shì)，既能保存遺址的天然狀態(tài)，又能充分展示遺址的原有形式，增強(qiáng)與游客的互動(dòng)性。下面將詳細(xì)分析三種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方式在圓明園遺址展示中的可行性。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯示方式的選擇

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)可分為三類:手持式顯示技術(shù)、頭戴式顯示技術(shù)及空間顯示技術(shù)[5]。本小節(jié)將分析三種顯示技術(shù)在圓明園遺址展示中的可行性，并對(duì)手持式顯示技術(shù)在圓明園遺址展示中實(shí)現(xiàn)的理論方案進(jìn)行介紹。

頭戴式顯示技術(shù)涉及的頭戴式設(shè)備主要為頭盔立體顯示器，其包含兩個(gè)顯示屏，分別放于使用者的雙眼，通過兩個(gè)顯示屏顯示位差圖像以展現(xiàn)立體感。然而，在游覽過程中，過重的設(shè)備會(huì)給游客造成多余的負(fù)擔(dān)，減少了觀察時(shí)的娛樂性、舒適度和自然性。

空間顯示技術(shù)即在二維屏幕上動(dòng)態(tài)的顯示有時(shí)差的二維圖像，以達(dá)到三維顯示效果。然而，這種技術(shù)需在遺址周圍擺設(shè)屏幕等設(shè)備，會(huì)損壞遺址原有的空間結(jié)構(gòu)，并不適用于圓明園這樣的應(yīng)用場(chǎng)景。

手持式顯示技術(shù)基于移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備具有很好的便攜性，自帶處理單元和顯示單元，攝像頭可作為圖像獲取單元，具備進(jìn)行AR開發(fā)的所有必要條件。手持式顯示技術(shù)在遺址展示中已有較為成熟的應(yīng)用，如“謝菲爾德莊園建筑遺址復(fù)原工作”，這給手持式現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)在圓明園遺址展示中的應(yīng)用提供了很好的參考意義及理論支撐。

3.3 手持式顯示技術(shù)在圓明園遺址展示中的實(shí)現(xiàn)

基于手持式顯示技術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)涉及三大關(guān)鍵技術(shù)，即目標(biāo)檢測(cè)、坐標(biāo)匹配和圖像渲染。

①目標(biāo)檢測(cè)即快速地在場(chǎng)景中找到識(shí)別目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的快速理解。目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)通過大量的圓明園遺址實(shí)拍數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，生成圓明園遺址檢測(cè)模型。檢測(cè)模型在使用時(shí)，可自動(dòng)識(shí)別所拍遺址并輸出相關(guān)信息，包括但不限于二維坐標(biāo)信息，遺址名稱等。

②坐標(biāo)匹配即利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，計(jì)算增強(qiáng)內(nèi)容在真實(shí)場(chǎng)景中的實(shí)際位置。目標(biāo)檢測(cè)模型可輸出二維坐標(biāo)信息，可對(duì)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行修改，建立三維坐標(biāo)位置信息分支，將目標(biāo)檢測(cè)和坐標(biāo)匹配集成，減少系統(tǒng)冗余性。

③圖像渲染技術(shù)即將三維虛擬圖像展示至攝像頭拍攝的真實(shí)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的無(wú)縫融合增強(qiáng)效果。根據(jù)在實(shí)施過程中可采用不同的圖像處理方法來增強(qiáng)數(shù)字圖像和遺址環(huán)境的融合感，如復(fù)原圖像邊界、移除模糊區(qū)域等。

手持式顯示技術(shù)在圓明園遺址展示中的整體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示，首先通過手機(jī)拍攝遺址，之后檢測(cè)模型檢出遺址主體并輸出遺址三維坐標(biāo)信息，最終，圖像渲染技術(shù)根據(jù)上述信息進(jìn)行增強(qiáng)渲染并呈現(xiàn)在用戶界面。

圖2 手持式顯示技術(shù)在圓明園遺址展示中的實(shí)現(xiàn)方案

4 結(jié)語(yǔ)

在遺址展示工作中，除了采用以保存與恢復(fù)為主的傳統(tǒng)方式外，還可采用與其它學(xué)科交流融合產(chǎn)生的新穎遺址展示方式，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在圓明園遺址展示中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了可行性分析，并給出了理論指導(dǎo)，該方法在其他遺址展示工作中也有較好的推廣價(jià)值和參考意義。在后續(xù)的工作中，筆者計(jì)劃從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一個(gè)或某幾個(gè)技術(shù)層面出發(fā)，在圓明園遺址中進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，以探索該技術(shù)的適用性與適用方式。