增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在承德歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)的應(yīng)用研究

蘇麗萍，李昭勛

（河北民族師范學(xué)院 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 承德 067000）

0 引 言

歷史街區(qū)體現(xiàn)了城市漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。作為記載城市文化的一種非常重要的物質(zhì)文化遺產(chǎn)。承德西大街有著悠久的歷史，是與承德避暑山莊風(fēng)景區(qū)距離最近的歷史街區(qū)，是承德歷史文脈的象征。伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市更新速度的加快對(duì)于城市歷史街區(qū)的存在具有一定的威脅。因此，城市發(fā)展中切實(shí)保護(hù)歷史街區(qū)，并使歷史街區(qū)在城市文化傳承中的作用得到充分發(fā)揮，是非常重要的問題。為更好地推動(dòng)承德歷史街區(qū)的保護(hù)，采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)承德歷史街區(qū)進(jìn)行保護(hù)有著非常重要的意義。

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，新時(shí)代科技與文化融合發(fā)展戰(zhàn)略不僅給歷史街區(qū)文化傳播帶來千載難逢的新機(jī)遇，也提供了新視角。繪畫作品、老照片等靜態(tài)表現(xiàn)形式已難以滿足歷史文化傳播的新語(yǔ)境需求。數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化、場(chǎng)景化的表達(dá)方式受到越來越多人的青睞。數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用在體現(xiàn)承德老街真實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上更具生動(dòng)性；VR技術(shù)的運(yùn)用則讓人身臨其境，從更具體驗(yàn)感的視角捕捉空間的事實(shí)，從而獲得新的認(rèn)知；歷史街區(qū)活態(tài)傳承衍生品的設(shè)計(jì)，豐富了承德旅游紀(jì)念品的種類。歷史街區(qū)的文化活態(tài)呈現(xiàn)，打破了現(xiàn)實(shí)距離的界限，使遠(yuǎn)在千里之外的“游客”也能如同親臨承德，感受承德的歷史記憶和城市魅力。

1 承德歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)概述

1.1 承德歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)的意義

歷史街區(qū)是一個(gè)城市“活”的記憶。隨著城市的發(fā)展，傳統(tǒng)的保護(hù)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人對(duì)文化遺產(chǎn)的認(rèn)知和所衍生出的文化額追求。實(shí)施科技與文化融合戰(zhàn)略，將承德歷史街區(qū)的文化基因進(jìn)行科技創(chuàng)新，使承德歷史街區(qū)文化能夠活態(tài)化地呈現(xiàn)在游客面前，完美呈現(xiàn)承德歷史街區(qū)的歷史底蘊(yùn)和深厚文化。

此外，數(shù)字化技術(shù)可以將承德歷史街區(qū)的文化活態(tài)形象地登上世界舞臺(tái)，吸引到世界各地的游客，用戶可以足不出戶就能體驗(yàn)到承德的民俗文化，在弘揚(yáng)中華民族文化遺產(chǎn)的同時(shí)促進(jìn)承德旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2 承德歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)的原則

歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)是指采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)歷史街區(qū)進(jìn)行數(shù)字化建模和還原的過程，通過對(duì)街道、建筑及周邊環(huán)境的數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史街區(qū)文化的數(shù)字化呈現(xiàn)。近年來，采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)歷史街區(qū)文化進(jìn)行保護(hù)、還原得到人們的廣泛重視。對(duì)歷史街區(qū)文化進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，其主要原則為：

（1）要尊重歷史街區(qū)的風(fēng)貌。歷史街區(qū)是人們?cè)诼L(zhǎng)的歷史發(fā)展中逐漸形成的街區(qū)，是深厚歷史文化的直接呈現(xiàn)。因此，在對(duì)歷史街區(qū)文化進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮歷史街區(qū)在不同歷史時(shí)期的政治、經(jīng)濟(jì)和民俗特點(diǎn)，保留歷史街區(qū)文化的風(fēng)貌和肌理，為歷史保留真實(shí)的歷史街區(qū)文化。

（2）要兼容歷史街區(qū)的歷史演進(jìn)。承德市歷史街區(qū)的建設(shè)歷經(jīng)數(shù)百年，不同歷史時(shí)期的建筑特點(diǎn)和建筑樣式不盡相同，加之近現(xiàn)代以來承德歷史街區(qū)經(jīng)過數(shù)次修復(fù)，街區(qū)內(nèi)的歷史建筑與修復(fù)建筑既互相獨(dú)立又互相依存。因此，在對(duì)承德歷史街區(qū)文化進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)時(shí)應(yīng)充分兼容歷史街區(qū)的歷史發(fā)展，對(duì)歷史建筑和修復(fù)建筑在數(shù)字化呈現(xiàn)過程中實(shí)現(xiàn)兼容性。

（3）要精確重現(xiàn)歷史街區(qū)的細(xì)節(jié)。對(duì)承德歷史街區(qū)內(nèi)的不同建筑的造型、材質(zhì)、表面色彩和裝飾構(gòu)件等都應(yīng)經(jīng)過仔細(xì)觀察，通過測(cè)繪、攝影、錄像和航拍等方式，認(rèn)真記錄不同建筑的特點(diǎn)和細(xì)節(jié)，精確地體現(xiàn)出街區(qū)內(nèi)不同建筑的尺度和質(zhì)感。

此外，為了提高承德歷史街區(qū)的數(shù)字化呈現(xiàn)的效果，提高效率，應(yīng)通過觀測(cè)歷史街區(qū)整體建筑的宏觀形態(tài)，發(fā)揮中心軸線、元素重復(fù)等方法對(duì)歷史街區(qū)進(jìn)行建模，提高承德歷史街區(qū)的數(shù)字化呈現(xiàn)效果。

1.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality, AR）技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality, VR）技術(shù)發(fā)展而形成的視覺顯示技術(shù)，AR技術(shù)不僅具有VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還能將真實(shí)環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)融合在一起，并綜合應(yīng)用交互、定位等技術(shù)相互配合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視覺混合顯示效果。

AR技術(shù)具有實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維注冊(cè)和虛擬現(xiàn)實(shí)融合三大特點(diǎn)。實(shí)時(shí)互動(dòng)是指用戶能通過AR系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)時(shí)交互有效拓展了人機(jī)交互的渠道，除了鍵盤和鼠標(biāo)，用戶能以更加自由的方式與AR系統(tǒng)進(jìn)行交互。三維注冊(cè)是指AR技術(shù)能將虛擬對(duì)象或虛擬信息準(zhǔn)確的放置在真實(shí)場(chǎng)景的位置上，并與真實(shí)世界實(shí)現(xiàn)無縫融合。三維注冊(cè)要求計(jì)算機(jī)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確還原至三維空間中，并無縫集成的顯示給用戶。虛擬現(xiàn)實(shí)融合是指能給用戶展現(xiàn)虛擬融合的事件或物體，是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的虛擬擴(kuò)展，是AR技術(shù)區(qū)別于VR技術(shù)的重要標(biāo)志。

2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的承德歷史街區(qū)文化數(shù)字化呈現(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)到承德歷史街區(qū)的調(diào)研可知，對(duì)承德歷史街區(qū)AR識(shí)別卡片進(jìn)行制作，借助于移動(dòng)端對(duì)承德歷史街區(qū)AR識(shí)別卡片進(jìn)行掃描，人們能夠看到承德歷史街區(qū)相應(yīng)的三維模型，由此使人們的感官體驗(yàn)得到增強(qiáng)。

人們?cè)跉v史街區(qū)AR識(shí)別卡片的展示部分，借助于掃描卡片獲取相關(guān)建筑的三維模型，同時(shí)有動(dòng)態(tài)文字與音樂的介紹。文字與音樂的疊加增加了街區(qū)展示的魅力。同時(shí)，借助于掃描可以播放相應(yīng)的視頻，增強(qiáng)人們的體驗(yàn)。

2.2 AR識(shí)別卡片的設(shè)計(jì)

基于景區(qū)展示的復(fù)原模型、平面圖等對(duì)承德歷史街區(qū)建筑外形進(jìn)行確定，借助于對(duì)歷史文獻(xiàn)的查閱，對(duì)歷史街區(qū)的真實(shí)造型形態(tài)進(jìn)行明確。對(duì)于AR的識(shí)別風(fēng)格來說，選擇現(xiàn)階段較為流行的插畫方式，只是把建筑物的輪廓通過簡(jiǎn)單的線條或者是色塊進(jìn)行提煉，在處理顏色過程中，以文獻(xiàn)資料、出土的文物顏色為依據(jù)，顏色的主基調(diào)選擇“藍(lán)天灰瓦”。圖1為承德歷史街區(qū)建筑物插畫形象。

圖1 承德歷史街區(qū)建筑物形象

在制作承德歷史街區(qū)的AR識(shí)別卡完成后，采用Target Manager模塊對(duì)識(shí)別卡進(jìn)行星標(biāo)并判斷識(shí)別圖的等級(jí)，星標(biāo)級(jí)別越高表示識(shí)別圖質(zhì)量越好，要淘汰低于三星級(jí)的識(shí)別圖。承德歷史街區(qū)識(shí)別圖星標(biāo)為五星，說明識(shí)別度較高，圖像中的十字表示識(shí)別點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 承德歷史街區(qū)識(shí)別圖星標(biāo)

2.3 AR展示的3D視覺設(shè)計(jì)

完成識(shí)別卡制作后，采用3D MAX建模后再使用Unity3D完成AR系統(tǒng)的搭建。首先在3D MAX中搭建承德歷史街區(qū)白模。如圖3所示為承德歷史街區(qū)的整體模型，圖4為承德歷史街區(qū)的細(xì)節(jié)模型白模。

圖3 承德歷史街區(qū)整體模型

圖4 承德歷史街區(qū)細(xì)節(jié)模型白模型

建模完成后制作并導(dǎo)出UV。由于沿街商鋪并非規(guī)則立體形狀，因此需要沿3D承德歷史街區(qū)的表面法線創(chuàng)建二維平面，并繪制貼圖。貼圖中的每面棋盤均呈現(xiàn)為方形，UV展開細(xì)節(jié)圖如圖5所示。

圖5 UV展開圖

隨后，對(duì)白模貼圖進(jìn)行處理，構(gòu)建豐富的模型視覺效果。一般某個(gè)模型的貼圖素材會(huì)較多，經(jīng)UV貼圖后再經(jīng)Photoshop進(jìn)行加工和潤(rùn)色，如圖6所示。

圖6 承德歷史街區(qū)模型貼圖

上述環(huán)節(jié)完成后，承德歷史街區(qū)的三維模型文件已完成創(chuàng)建，如圖7所示。對(duì)模型文件另存為fbx格式后再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中進(jìn)一步完成AR作品制作。

圖7 承德歷史街區(qū)三維全景模型

2.4 AR展示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程

本設(shè)計(jì)采用Unity3D 2018完成承德歷史街區(qū)的R展示系統(tǒng)，選擇需要的平臺(tái)支持組件（iOS、Android、UWP）并完成安裝。安裝完成后創(chuàng)建新的3D項(xiàng)目，選用Vuforia工具包，并對(duì)該工具包的本地屬性進(jìn)行配置，再使用該工具包實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景預(yù)設(shè)。隨后將先前制作的AR識(shí)別卡上傳至Vuforia工具包并進(jìn)行信息識(shí)別，并將識(shí)別圖SDK文件另存為至本地。

在Unity3D 2018中添加ARCamera，并將mageTarget拖入Hierarchy中。隨后在Unity3D導(dǎo)入3D MAX做好的模型，并在ARCamera文件夾導(dǎo)入該模型。在Vuforia工具包中該項(xiàng)目模型，并對(duì)ImageTargrt完成激活。此外，并利用Unity3D 2018中的Xdreamer插件完成承德歷史街區(qū)AR系統(tǒng)的交互，完成承德歷史街區(qū)的AR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

對(duì)該設(shè)計(jì)采用Android 系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)出測(cè)試。采用Unity3D 2018將Android的安裝包apk到處并在智能手機(jī)上安裝測(cè)試，效果如圖8所示。該AR測(cè)試效果能較好地展示承德歷史街區(qū)的主要場(chǎng)景，還可以在左側(cè)的滑動(dòng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，實(shí)現(xiàn)多角度和多分辨率觀看，實(shí)現(xiàn)較好的AR展示效果。此外，還可以增加承德歷史街區(qū)的音視頻信息來豐富AR系統(tǒng)的展示效果，為游客提供更加便捷的展示手段。

圖8 承德歷史街區(qū)AR 測(cè)試效果

3 結(jié) 論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality, AR）技術(shù)可以幫助人們將歷史文化遺跡進(jìn)行可視化傳播。對(duì)承德歷史街區(qū)采用AR展示技術(shù)進(jìn)行展示，采取有效措施不斷提高成像質(zhì)量以及分辨率。使用AR 技術(shù)不僅能良好的展示承德歷史街區(qū)的歷史文化遺產(chǎn)，還能推動(dòng)承德文化創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)承德市旅游產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。