城市形象設計中的增強現(xiàn)實芻議

程亞軍+陳平+李成仁

摘 要：城市形象是公眾城市自然風貌與特色建筑及其歷史文化內(nèi)涵的整體印象。文章探討了增強現(xiàn)實（AR）應用于城市形象設計的工作流程，結(jié)合黃鶴樓展現(xiàn)增強現(xiàn)實在城市形象設計中的前景與趨勢。

關鍵詞：城市形象；增強現(xiàn)實；城市空間；三維注冊

城市形象，是一個城市給予公眾的綜合印象、整體觀感以及總體評價，是城市自然風貌特征、城市整體視覺、歷史文化的傳承和延續(xù)所構成的城市特質(zhì)綜合表現(xiàn)。這種城市特質(zhì)會給公眾帶來鮮明生動的印象，從而形成對城市形象的強烈認同感。城市形象，依據(jù)一座城市的外在實體存在與內(nèi)在文化底蘊，從城市發(fā)展理念、城市規(guī)劃設計與城市形象設計三個方面予以實踐，其中城市形象設計是前兩者的形象化、符號化與象征化，包括城市自然景觀的形象化，城市建筑標志物的符號化，城市歷史文化與精神面貌的象征化。

城市形象設計展示方式，通常有城市模型、城市效果圖、三維動畫、虛擬現(xiàn)實交互等。其中，城市模型將城市自然風貌的整體或局部按照一定比例縮小，形成實體模型，公眾雖然可以體驗城市環(huán)境空間，但是無法實時感受其文化內(nèi)涵；城市效果圖只能提供平面的、靜態(tài)的視覺體驗；三維動畫可以向公眾提供動態(tài)的視覺展示，但是缺乏實時的交互性；虛擬現(xiàn)象交互雖然實現(xiàn)了實時的交互性，但是模型過于虛擬化，變形失真嚴重，缺乏實質(zhì)感。這就意味著，城市形象設計必須提供一個充滿實質(zhì)性的實體存在，讓公眾在實時探索城市實體的同時，能夠?qū)崟r感知城市的文化內(nèi)涵。因此，城市形象設計必須要求滿足四大特性：動態(tài)性、實時性、交互性、實質(zhì)性。因此，本文從增強現(xiàn)實技術的概念和特征著手，探討在城市形象設計中引入增強現(xiàn)實技術的優(yōu)勢和方法，并提出了基于增強現(xiàn)實技術，以實現(xiàn)以上四大特性的要求。

一、增強現(xiàn)實的基本概念與特征

20世紀50年代，美國工程師Morton Heilig致力于研制感知模擬器時，探索了現(xiàn)實與顯示融合的可能途徑。至1990年，為了開發(fā)組裝整理電路板布線系統(tǒng)，波音公司的工程師Tom Caudell，研制出了頭戴式顯示系統(tǒng)，增強現(xiàn)實（Augmented Relaity， AR）術語也同時創(chuàng)造出來。隨即，增強現(xiàn)實技術被廣泛地應用到工業(yè)和軍事領域。日本工程師Hirokazu Kato創(chuàng)建了ARToolkit開發(fā)包，為創(chuàng)建增強現(xiàn)實應用，提供了基本的工具庫。進入21世紀，隨著計算機視覺技術的迅猛進展，增強現(xiàn)實的可視化開發(fā)軟件及相關設備的普及，增強現(xiàn)實技術，在眾多領域得到了爆炸式增長。

在繼承了虛擬現(xiàn)實可感知、可定位、可操作人機交互優(yōu)勢的基礎上，增強現(xiàn)實技術減少了環(huán)境建模環(huán)節(jié)，有效提高了交互的效率、實體的可觸性和視覺的逼真性。因此，產(chǎn)生一些新的關鍵技術，包括顯示技術、三維注冊（配準）技術、虛實光照一致性技術、跟蹤注冊技術、自然交互技術等。因此，增強現(xiàn)實具有三個顯著特點：虛實結(jié)合、實時交互和三維注冊的。它通過對現(xiàn)實環(huán)境的補充，將現(xiàn)實環(huán)境中一些不易或不能被感受的因素投射到現(xiàn)實環(huán)境之中，增強用戶的現(xiàn)實體驗和因素感知。

二、城市形象設計的增強現(xiàn)實

（一）城市形象設計中的增強現(xiàn)實歷史

20世紀90年代，美國設計師Nielsen與Molich探索將AR引到城市規(guī)劃與形象設計之中。2003年，Seichter在前人的工作基礎上，推出了sketchand+系統(tǒng)，證明了AR在城市設計早期的設計、合作和交流過程的重要作用。次年，Dunston實現(xiàn)了將城市規(guī)劃圖紙投射到現(xiàn)實環(huán)境，有效地增加了設計師的設計效率。至2012年，英國倫敦博物館推出了使用AR的“時光機器”智能手機應用，將城市歷史圖片和信息疊加到由攝像頭獲取的實時街景之上，加深了公眾對于倫敦歷史文化的了解，極大地調(diào)動了他們對倫敦形象的認識與認同。

在2013年，唐淑平探索了建造AR數(shù)字城市的可能性，其核心思想是利用三維注冊技術，應用“點云”無標記地識別目標物體，并在實物上疊加各種提示信息，結(jié)合現(xiàn)代云計算、實時同步學習和映射算法進行信息傳遞，最后通過移動設備下載信息實現(xiàn)數(shù)字城市。

（二）城市形象設計中的增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實的基本實現(xiàn)過程如圖1：

AR在城市形象設計中的應用，以武漢市黃鶴樓為例。根據(jù)黃鶴樓的位置及方位、觀看角度，在畫面上重現(xiàn)其千百年來的建筑風貌變遷。

1.時代變遷

以每秒百年為單位播放黃鶴樓從三國起始，歷經(jīng)唐宋元明清，直到中華人民共和國成立后特色風貌變化，讓公眾可以穿越時代，看到黃鶴樓的動態(tài)改變。

2.特色簡介

利用數(shù)據(jù)挖掘技術，分析公眾的游覽習慣，與欣賞角度，為用戶提供自動的、實時的、感興趣的黃鶴樓介紹內(nèi)容，包括整個建筑獨特的民族風格，與之相應的中國傳統(tǒng)文化的精神、氣質(zhì)、神韻等，讓AR系統(tǒng)更加個性化。

3.分類介紹

分類介紹從簡略介紹黃鶴樓樓外的武漢長江大橋與晴川閣等開始；再深入介紹黃鶴樓第一層大廳的正面墻壁，是一幅表現(xiàn)“白云黃鶴”為主題的巨大陶瓷壁畫，到二樓大廳正面墻上，有用大理石鐫刻的唐代閻伯理撰寫的《黃鶴樓記》，至三樓大廳的壁畫為唐宋名人的“繡像畫”，如崔顥、李白、白居易、陸游等，及其吟詠黃鶴樓的名句，逐層介紹；最后介紹黃鶴樓周圍的鑄銅黃鶴造型、勝像寶塔、牌坊、軒廊、亭閣等一批輔助建筑。

4.知識問答

利用定位技術，制作實時交互式游戲，引導用戶尋找黃鶴樓的建筑特點。例如，題目為“黃鶴樓是何種風格？”，用戶可以根據(jù)對現(xiàn)實黃鶴樓的參觀與了解，回答黃鶴樓的建筑參數(shù)、型制等，AR系統(tǒng)并給予適當?shù)幕仞仯嵘脩魧S鶴樓的深入認識，深化其對武漢城市形象的認可度與接受度。

5.相片合成

用戶在現(xiàn)場參觀黃鶴樓，或觀看數(shù)百年來的疊加影像時，可以與虛擬的古黃鶴樓合影，利用AR增加用戶的交互性，在游玩中學習黃鶴樓歷史和各年代相關人物的知識，在濃厚興趣的基礎上，提升武漢城市形象。endprint

基于以上黃鶴樓形象設計，AR系統(tǒng)模塊包括兩個部分。一是用戶交互技術部分。用于存放用戶的個人數(shù)據(jù)以及游覽歷程，利用數(shù)據(jù)挖掘技術，找到用戶最想獲取的信息，通過個性化服務提供給用戶。二是特色介紹技術部分。用于存放黃鶴樓的各項數(shù)據(jù)，包括各個歷史時期黃鶴樓圖片，黃鶴樓歷史記載、建筑特色、藝術文物等，并存放黃鶴樓及其周邊建筑的位置坐標，為AR系統(tǒng)提供精準的定位。

（三） AR與城市發(fā)展新技術的融合趨勢與前景

為了更好地服務于城市發(fā)展，AR必須與其它新技術相結(jié)合，以提升AR的實用性、可靠性和合作性。

一是與3S技術結(jié)合。“3S”技術，即GIS，RS，GPS三者的簡稱。其中，GIS，即地理信息系統(tǒng)技術，為城市規(guī)劃與形象設計提供分析、評價和預測服務；RS，即遙感技術，通過對遙感圖像的處理，可獲得城市土地利用、交通、環(huán)境、綠化等分布情況的第一手可靠信息；GPS，即全球定位系統(tǒng)，為城市規(guī)劃提供精準的定位信息。可以將AR與3S技術相整合，通過現(xiàn)代通訊技術與控制技術，為城市的數(shù)據(jù)實時更新提供快速方式，為城市規(guī)劃和形象設計提供數(shù)據(jù)基礎與分析平臺，為政府提供城市規(guī)劃與形象設計必要的支持平臺。

二是與建筑信息模型（BIM）相結(jié)合。利用BIM中大量靜態(tài)的且事先定義好的3D建筑信息，與現(xiàn)實世界實體相疊加，為城市形象設計提供項目管理依據(jù)，可以充分地表述城市形象演變過程。經(jīng)典的城市模型，包括城市擴展模型、城市仿真模型、城市多主體模型等。

（四）增強現(xiàn)實在城市形象設計中的優(yōu)點

與其它方法相較，增強現(xiàn)實在城市形象設計中具有以下優(yōu)點：

一是AR可以實現(xiàn)從公眾自己的視角去，真實地體驗城市自然風貌空間和城市建筑實體。公眾可以按照自身的意志和意愿，選擇城市景觀、廣場、街道等，來體驗城市形象。

二是設計師利用AR，將公眾個人對城市風貌空間和城市建筑實體的感知順序和內(nèi)在感受，用不同的信息指標表示出來，通過智能移動終端等設備傳遞給設計師，進而，方便設計師優(yōu)化與規(guī)劃未來城市形象。

三是AR可以進行大規(guī)模人群實時效果分析。在現(xiàn)實的城市空間中，可以實時對比不同人群對城市景觀、廣場、街道等不同體驗與感受；也可以比較公眾人群對城市空間特定局部要素的反應，包括建筑物的形態(tài)、人行道的設置、城市雕塑的角度、廣場設施的位置等。這樣就有利于設計師促進城市形象設計的效率與質(zhì)量。

四是AR可以為政府輔助決策，促進公眾參與到城市形象設計，提供理想的交流平臺，真正提高公眾的“城市即我家，我家在城市”主人意識。

（五）AR在城市形象設計中的局限性

AR在城市形象設計中的局限性，主要有兩個方面。一是技術方面的局限性。其主要集中在真實場景的獲取、注冊與識別上。AR對現(xiàn)實物體的獲取、注冊與識別尚難以滿足實時與精度要求。二是認識方面的局限性。其主要集中在設計師與公眾對城市這樣的復雜巨系統(tǒng)的認識非常表面，沒有對城市的深入認識，所進行的城市形象設計只能是膚淺的與無趣的，缺乏認同感。

增強現(xiàn)實作為城市形象設計的重要工具，讓公眾對城市形象產(chǎn)生強烈的情感共鳴，形成與公眾思想上的互動，從而讓城市形象實時化、便利化，便是增強現(xiàn)實的意義之所在。

參考文獻：

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[3]唐淑平.建造AR數(shù)字城市的暢想與現(xiàn)實[J].文化月刊，2013，（02）：76-78.endprint