基于AR技術在南京明故宮遺址數字化復原的技術研究

摘 要：增強現實（Augmented Reality，簡稱“AR”）是通過真實的世界與虛擬現實技術相疊加和“縫合”來刺激人的感官去感受這個世界。闡述了明故宮復原技術中要利用的三種增強現實系組成形式，即定點監控式、光學透視式、視頻透視式以及增強現實利用的最關鍵的組成部分進行了分析。

關鍵詞：AR技術；明故宮數字化復原；三維跟蹤注冊技術

1 AR技術的概述

增強現實（Augmented Reality，簡稱“AR”）[1]在臺灣也被稱為擴增現實，是虛擬現實（Virtual Reality）隨著科技發展延伸出來的一種新的領域。1997年，第一次提出了學術界認同的增強現實的定義。增強現實是一種環境，它同時包括了真實世界和虛擬世界，它是一種通過實時地計算攝影機影像的方位并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在顯示屏幕上把虛擬世界疊加、融合在現實世界并進行互動。增強現實的最終目的是通過加強人的聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等感官感受，讓用戶真實世界能力變強，最后進行真實世界和虛擬現實世界的切換，達到以假亂真的視覺效果。最早增強現實技術運用在發達國家，二十世紀九十年代已經有了初步的研究，目前，其主要運用在軍事、醫療、工業、古跡復原和數字化遺產保護等各個領域。

2 增強現實系統的關鍵部分

2.1 增強現實基礎系統

增強現實系統的最基本的組成部分主要有[2]：（1）真實的場景圖像的獲取；（2）圖像最后的融合；（3）顯示器設備的顯示；（4）3D虛擬對象的數據庫；（5）實時3D轉換和渲染等環節。這也是增強現實最常用的基本流程中的方式之一。

2.2 增強現實關鍵組成部分

根據增強現實的系統的流程，我們不難發現三維跟蹤注冊信息的定位和顯示虛實融合是增強現實最為關鍵的組成部分。

三維跟蹤注冊技術主要分為三種途徑[3]：（1）計算機視覺上的三維跟蹤注冊技術；（2）硬件設備上的三維跟蹤注冊技術；（3）計算機和硬件設備兩種途徑的三維跟蹤注冊技術。現在較為流行也比較常見的途徑主要是基于計算機視覺上的三維跟蹤注冊技術，其中包括有、無標點的跟蹤注冊。而基于計算機視覺上的三維跟蹤注冊技術是系統在真實場景的中的視頻圖像序列的每一幀中，并以此來顯示目標對象的圖像所在的幀為位置關系，通過對目標對象的圖像所在幀的特征進行有特征點檢測、識別匹配與實時場景跟蹤的方法來實時獲取攝像機與真實場景環境的位置坐標關系，并以此來更新虛擬三維圖像到真實環境中目標圖像的坐標關系來進行實時的轉換和渲染，然后進行實時的兩者真實和虛擬融合后的圖像，最終實現三維計算機視覺上的展示“真實”場景。

增強現實系統中的三維跟蹤注冊是需要三維虛擬對象并準確疊加、融合在現實環境中的關鍵性技術，在這個流程中，增強現實系統通過攝像機捕獲真實場景真實圖像來獲取真實場景實時的坐標信息，三維跟蹤注冊的坐標數據等信息直接來源于攝像機鏡頭對圖像信息的捕獲，但如果攝像機鏡頭的內部參數不準確，將會造成嚴重影響三維注冊信息的匹配精度，甚至可能會導致注冊信息獲取的失敗。所以，要進行增強現實系統的攝像頭的內部和外部參數的謹慎設定，以免影響整體的注冊信息的失敗。換而言之，也就是增強系統的三維注冊技術最重要的部分就是確定內部和外部參數這個過程。

而顯示設備主要是基于增強現實技術對南京數字化明故宮的研究，主要有手持定點觀察式；手持數據PDA式；可穿戴式HMD式這三種顯示展示方式，穿戴HMD式有兩種視頻圖像表現類型分別是光學透視式和視頻透視式[4]。

3 南京明故宮數字復原增強現實系統

南京明故宮自我國明朝開國皇帝朱元璋在位期間修建的宮殿，前后修建時間約為二十余年，在中世紀曾被稱為“世界第一宮殿”。古今中外聞名的南京在這塊歷史文化肥沃的土地上，應該盛開最厚重的花朵。因此，應該把握優勢，握得先機。南京明故宮數字化復原該研究，據調查現實至今未有真正開發啟動該項目的實施，一直處于空缺的狀態。明故宮歷史遺跡至今遺留少之又少，而實體復原廢力、廢金，略顯不切實際，而基于AR技術的數字化南京明故宮復原既便于保存又可以根據增強現實的娛樂性特點拉動南京旅游行業的市場生機與活力。目前，參觀者只能通過圖片來了解南京明故宮的曾經的輝煌歷史歷程。而利用AR技術，不僅可以再現明故宮的恢宏壯觀，展示中華文明的博大精深，而且可以讓人們更能潛移默化的接觸到時代科技的發展帶來的變化，是發展文化旅游產業的未來的一個趨勢和動力，與廢墟下的石礎相比較而言更能給參觀者帶來深刻視覺上的享受和體驗。基于增強現實技術對南京數字化明故宮的研究，主要有三種不同的增強現實的戶外系統： 定點觀察式；手持可移動式；可穿戴頭盔式。

3.1 定點觀察式戶外增強現實系統

定點式觀察式戶外增強現實系統運用在南京明故宮遺址的現場，如在奉天門、謹身殿遺址周圍，定點觀察式戶外增強現實系統的位置是固定的，定點觀察式戶外增強現實系統具有系統穩定性能好，易被人群接受，推廣較容易。運用實時的單用戶旋轉鏡筒式選定宮殿遺址的部分石礎等遺址上的虛擬三維景物模型，通過鏡頭焦點調整、光線的亮度調節、真實世界和虛擬世界的切換、仿真現場的聲音、視頻進行實時現場進行融合。

其系統結構主要有三個部分組成，分別是硬件跟蹤注冊設備、虛擬三維景物數據庫、CCD電荷耦合攝像頭、二自由度轉向臺、計算機中轉工作站以及光學系統等。CCD電荷耦合攝像頭和硬件跟蹤注冊設備處于固定的轉向臺上，轉向臺可以旋轉和俯仰兩個角度。

南京明故宮遺址數字化復原定點觀察式AR系統工作流程，首先通過攝像頭的傳感器感應捕捉真實場景的圖像和方位信息；然后通過計算機中轉站使真實場景和虛擬三維數據庫進行疊加和融合匹配關聯的圖像信息；最后通過光學系統原理制作出的LCD觀景臺上觀看最終的視覺明故宮的現代技術和歷史的完美縫合。

3.2 手持可移動式增強現實系統

手持可移動式增強現實系統，主要是借助移動設備終端顯示虛擬和真實融合后的增強現實的景象。移動設備終端主要是指可以進行視頻捕捉和識別真實場景的手持PDA、智能手機等設備。由于系統涉及到全球跟蹤定位、無線通信、位置的計算和服務，首先南京明故宮遺址現場要確保參觀人數足夠的無線速度，以及具有該識別攝像頭功能的智能手機以此代替CCD電荷耦合攝像頭的功能性能。游客利用現場提供的智能手機、手持PDA首先對準的真實場景明故宮的遺址，進行圖像獲取和顯示，通過無線傳輸到后臺的網絡服務器上。然后網絡服務器運算運用三維仿真數據庫篩選匹配圖像注冊的信息進行最終的信息相互縫合和疊加，最后將信息又通過無線傳回游客手持PDA顯示器上。

在獲取三維仿真數據庫和真實場景數據庫的環節上，可以利用時下最熱門的APP下載提供客戶端，將硬件手機或平板上的攝像功能和軟件的場景識別功能二者相鋪相成最后達到方便便捷讓游客可以自助篩選每一個遺址（下轉第頁）（上接第頁）的看點。APP運用界面設計可以具有多種功能性，例如在APP運用中可以定時推送、普及明故宮的歷史人文信息即便于游客理解也可以增加游客對增強現實的最終效果的反饋；還可以在運用中將視聽環節板塊添加進去，使用戶更加貼切真實場景視覺感受。此外可以開發具有互動性的娛樂性和互動性的游戲增加趣味性能。手持可移動式增強現實系統雖然具有經濟、實惠、方便的優點，但也存在著匹配速度延遲等問題，在實踐中仍需要不斷完善和解決。

3.3 可穿戴頭盔式增強現實系統

南京明故宮遺址復原利用可穿戴頭盔式增強現實系統（Head-mounted displays，簡稱HMD），HMD式增強現實系統，其突出優勢主要表現在參觀者可以在遺址任意行走移動。其視覺震撼效果列于三系統之首，原因歸結于可穿戴式頭盔，將視覺、聽覺的融合與真實場景的感官體驗上更具有完美的虛擬與真實場景的融合視覺效果。其工作原理主要分為視頻透視和光學透視兩種類型。

視頻透視原理，頭盔顯示器是主要是由CCD電荷耦合攝像頭制作而成，其原理與定點觀察戶外增強現實系統最大的不同之處也就是是否具有移動性，相識之處也就是通過攝像頭進行捕捉真實景物的方位信息，進行三維跟蹤注冊信息獲取，最后利用計算機中轉站進行轉換和篩選數據在該過程也就是需要的就是所謂的三維虛擬數據庫和真實場景的數據匹配和融合的過程。而光學透視可以在利用HMD式系統觀察時可以通過人眼直接觀察真實場景現場。根據三維注冊信息的投影和渲染后的三維場景，經過三維光學圖形圖像的融合器件與真實場景的光學路線的融合，左后呈現在用戶的眼前。雖然利用光學透視式原理，可穿戴頭盔式增強現實系統具有簡單、視覺分辨率較高、視覺誤差下等優點，但是制作起來成本高、價格偏高、進度要求高、視野也相對較狹窄等美中不足之處。目前，在南京明故宮遺址的復原上可以在一些建筑結構簡單、比較小的一些場景又具有代表性的遺址進行有選擇性的運用該項技術。

4 結論和展望

目前，南京明故宮數字化復原還處于未被實際實施增強現實開發方案當中，這一缺口有待實際性的項目開發。增強現實技術不僅對南京遺產保護具有不可替代的作用，又對南京當地旅游服務性行業具有不可低估的經濟效益，同時展示了中華文化的民族魅力，向整個世界揮舞著中國科學技術的進步和發展的旗幟。在未來增強現實系統將會成為文物保護行業成為一種發展趨勢，值得更多的博物館和文物保護中心借鑒運用。

參考文獻：

[1] 增強現實技術[DB/OL] .互動百科， http：//baike.baidu.com/

link？url=B-s1uuFOnVDYkokkQ_HYlrgH2z9XdH7YltXjozgMvnLBgAKlYcnj9i41z6svTzbaSNCsSj07UVfhZovdhpOEOK.

[2] 王涌天，鄭偉，劉越，常軍.基于增強現實技術圓明園現場數字重建[J].

[3] 施琦，王涌天，陳靖.一種基于視覺的增強現實三維注冊算法[J].中國圖像圖形學報，2002，7（7）：679-683.

[4] 姚京頻.基于AR技術的南京明故宮遺址數字化復原[J].人間.