AR增強技術在展示歷史遺跡中的設計與實現

2020-07-31 09:31:55何苗張蘊

現代信息科技 2020年4期

何苗張蘊

摘 ?要：文章主要研究陜西歷史文化遺產遺跡博物館展品在虛擬展示方面的問題，目的在于加強游客在于參觀時的體驗及對歷史文化的理解。通過以唐大明宮為例進行針對歷史遺跡的增強現實項目展示的設計與實現總結出計算機技術在實際項目中的設計規則。通過項目的實現證明研究的設計規則與開發方法是可行的，為面對文化歷史遺跡以及博物館展示項目方面提供一定參考。

關鍵詞：增強現實技術;歷史文化遺產;數字虛擬展示;大明宮

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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，自古以來都是帝王建都之地，在西安這片土地上，見證了四大王朝建都，留下了79座帝王陵墓。然而，陜西歷史遺跡的大多數展覽只能使用傳統顯示器和死板的櫥窗進行沉悶的展示，展品配上單調的文字及圖片孤零零地擺放著，展品之間關聯較少且游客獲取知識非常被動。[1]

使用AR技術的移動設備能夠很好地解決以上的諸多問題，只要將這項技術的移動應用程序安裝到智能設備，就可以從本地多媒體信息庫加載各種文本、音頻、視頻、照片或3D動畫到現實世界，多維度展現信息，因此也打破信息傳達不暢、缺乏交互等帶來的局限性，使游覽變得更有趣，且實現高交互，可以使信息傳達更生動，信息接受更深刻，同時也能增強人們對文物的感受，使參觀不受時間地點的限制，將文物保護和大眾參與最大化。

1 ?陜西歷史遺跡數字化現狀

1.1 ?遺跡現狀

陜西地域分布的歷史遺跡具有的特點如下：

（1）龐大陵墓群為主。從殷商開始，受到習俗影響的民眾之中開始盛行厚葬之風，上到皇家貴族，下到平民都不惜財力地經營喪葬。據統計，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，僅有部分經過修繕供人參觀[2]。因此，西安的古跡大多殘缺不全。

（3）數量龐大。據目前統計，陜西省內不可移動文物49 058處，其中包括古遺址、古墓葬、古建筑等類別[3]。

1.2 ?數字化技術建設現狀

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

（2）高科技展示無交互[5]。雖然很多文物的展示使用了高科技方式進行，如全息投影、互動屏幕等，但是展示信息僅僅是實現內容的電子化，與游客互動很少[6]。

（3）體感交互設備維護成本高。現有的交互設備價格昂貴且維護成本高，許多博物館為了節省開支、保護設備，甚至不開啟設備。

因此裝載AR技術的移動設備能夠很好地解決以上的諸多問題，擁有移動設備的游客都可以通過手機或平板電腦感知AR技術帶來的多媒體體驗[7]。

2 ?AR技術在歷史文化遺跡展示方面的應用

2.1 ?AR技術概念及特征

增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是將虛擬信息與真實環境相互疊加融合后的場景呈現給體驗者的一種新技術[8]。與虛擬現實相反，AR技術并沒有將用戶與現實隔離開，而是保留了對世界的完全感知[9]。利用AR技術可以將歷史文化資源內容向可保存、可交互的數字化內容方向轉化，同時疊加到現實場景中[10]。

2.2 ?研究內容及目的

當今社會數字媒體信息爆炸，大多數人們的娛樂活動都是以數字信息為基礎的[11]。將AR技術運用到歷史遺跡的展示中，進行虛實融合的整合研究和產業化開發，將使人們對歷史文化遺產進行多維度體驗成為未來發展的方向[12]。

本文基于校內自然科學類研究項目“AR增強現實技術在文化旅游中的應用與研究”，嘗試將AR增強現實技術與陜西歷史遺跡的虛擬展示相結合，以大明宮為例構建并總結出AR展示項目的設計原則及設計步驟。

3 ?大明宮項目AR展示的設計與實現

3.1 ?設計思路

通過去大明宮多次調研得出：可以制作大明宮的AR識別卡片，通過移動端掃描大明宮AR識別卡片可以看到大明宮相應宮殿的三維模型，加深游客的感官體驗[13]。

在AR卡片展示部分，游客可以通過卡片掃描出對應宮殿的三維模型，并能夠伴隨著音樂和動態文字介紹。音樂和文字的疊加使宮殿的展示更加具有韻味[14]，此外，還可以通過掃描識別進行視頻播放[2]。

3.2 ?AR識別卡片的設計

卡片設計根據景區展示出的復原模型及平面圖確定大明宮含元殿的建筑外形，通過歷史文獻查閱確定其真實造型形態[15]。

AR識別圖風格上選用當前流行插畫形式，僅僅將宮殿輪廓用簡單色塊或線條進行提煉，在顏色處理上，主要根據文獻資料以及出土文物顏色分析，選取唐代建筑顏色風格——“紅墻灰瓦”作為主要的顏色基調[16]。圖1所示為含元殿插畫形象。

到此，含元殿的AR識別卡制作完畢，將識別卡上傳至Vuforia的Target Manager模塊中查看識別圖星級并根據星標判斷識別圖等級，星級越高表示識別圖容易被識別，低于三星表示識別圖不可用。如圖2所示，含元殿識別圖星標為五星，說明識別度較高，圖像中的十字表示識別點。

3.3 ?AR展示的3D視覺設計

AR識別卡制作完畢后可以通過Unity3D來實現AR系統的搭建。由于主流3D建模軟件能夠滿足Unity3D對于模型的需求，因此可以選用3D Max進行建模，導入Unity3D后三維模型格式為fbx，同時也是建模軟件之間通用格式。另外，對于導入Unity3D中的模型來說需要有以下要求：

（1）由于模型等虛擬物需要由AR加載，因此模型面數過多會使加載時間過長，展示生動性減弱，影響用戶體驗，因此整個場景中出現的模型面數不能超過20萬個，單個模型面數不能超過5萬個。

（2）模型不能出現五邊以上的面以及凹面，否則Unity3D中的模型會破裂。

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

根據現有資料，首先在3D Max軟件中進行含元殿白模搭建，且因為模型需要在手機中運行，因此，建模時盡量減少模型面數并盡量使用貼圖來顯示模型細節。如圖3所示為含元殿整體模型，圖4為細節模型白模。

建模完成后制作并導出UV。由于宮殿并非規則立體形狀，因此需要沿3D宮殿表面的法線展開成2D平面，便于貼圖師進行繪制貼圖。模型中每一個面的棋盤格呈規則方形，若正方形有明顯拉伸說明UV沒有完全展開。建筑類三維模型相對規則，UV展開比較容易，圖5為UV展開細節圖。

接下來由貼圖師為建好的白模貼圖，豐富模型的視覺效果。一個模型的貼圖素材有很多，我們將展開的UV貼圖保存后導入Photoshop進行貼圖繪制，圖6展示了含元殿貼圖素材。

經過上述步驟，含元殿三維模型創建完畢，模型成品如圖7所示。將其文件導出fbx格式，后續單向導入Unity3D中進行AR展示制作。

3.4 ?AR展示系統的實現過程

在增強現實移動展示系統實現方面，我們使用Unity 2018新版本[17]，可以直接通過選擇組件環節選擇需要的平臺支持組件（iOS、Android、UWP）以及主角（Vuforia Augmented Reality Support），然后安裝。安裝完成后我們創建新的3D項目，通過菜單欄→GameObject→Vuforia可以看到Vuforia的物體預設，在Build Settings和Player Settings可以看到Vuforia的配置屬性等。由于必須要在項目中激活Vuforia才可以發布和應用其功能，因此我們繼續在Vuforia官網進行操作。

（1）開發人員需要在官網進行注冊獲取項目密鑰并復制保存。

（2）上傳之前制作的AR識別卡片并獲得識別信息，點進去后獲取識別圖SDK到本地[18]。

在Unity3D中的菜單項GameObject→Vuforia中將AR-Camera進行添加，并將ImageTarget拖入Hierarchy中。接著將使用3D Max做好的模型導入Unity3D中，并將其同時拖入ARCamera文件夾下。此時可以在場景中看到創建的模型。

將Vuforia官網上導出的識別圖SDK導入項目，并通過Hierarchy面板中的ARCamera添加密鑰，激活ImageTargrt即可。AR系統的布置基本完成，下面進行Android系統的導出測試，使用Unity3D導出Android的安裝包apk并在手機中進行測試。效果如圖8所示。

目前展現的效果是通過掃描識別卡片可以展現出含元殿的宮殿，通過左側滑動軸進行縮放和旋轉，實現多角度觀看，但是模型的效果欠佳，因此AR展示的效果有限。除了可以通過掃描識別卡片展現宮殿的三維模型，還可以添加視頻影音播放來豐富AR展示，同時也實現了掃描后的脫卡展示，能夠更加方便游客使用移動設備獲取信息[19]。因此需要在Unity3D中通過編碼實現，關鍵代碼如下：

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 ?論

AR技術可以幫助我們將歷史文化遺跡進行可視化傳播，隨著科技的發展以及越來越多的學者們投入到AR展示技術的研究中，AR展示中關于成像質量以及分辨率等困擾人們的問題會慢慢被攻克[20]。同時利用AR技術與數字技術不僅能夠更合理地保護歷史文化遺產資源，還能帶動文化創意產業，促進社會繁榮以及和諧發展。

參考文獻：

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