增強現實技術在城市景觀照明中的應用
——以濟南中央商務區公共空間景觀照明項目為例

李訓智，李 靜，高 帥，楊秀杰

(1.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司， 北京 100089；2.北京清控人居光電研究院有限公司， 北京 100089)

引言

近年來，在國內外重大事件與新技術的推動下，媒體立面、3D投影、水舞燈光秀在各級城市爆發式增長，上演一幕幕令人震撼的視覺盛宴；在美譽度、識別度傳播的同時大量類似的照明效果也在緩慢降低對人的視覺沖擊力，逐漸開始產生審美疲勞，為此需要探索一種新的方式給人新的體驗。

隨著元宇宙(Metaverse)概念的興起，社交媒體上出現一些只能網絡上欣賞而不能在現場體驗的增強現實視頻畫面，如北京電視塔(圖1)、青島電視塔(圖2)、廣州電視塔(圖3)等，引起廣泛的關注。增強現實技術在照明表現中兼顧了傳統照明效果的優勢，同時具有可參與互動、沉浸體驗，能讓城市千城千面、與眾不同的特點；而且不需要或只要少量燈具，符合國家低碳節能、綠色環保政策，在城市景觀照明中漸漸得到探索性的應用。

圖1 北京電視塔(來源：網絡)

圖2 青島電視塔(來源：網絡)

圖3 廣州電視塔(來源：網絡)

1 應用框架與關鍵技術

本文從照明設計角度探索可現場體驗的增強現實在城市景觀照明中應用并初步分析在畫面精準對位中遇到的主要問題、技術難點。增強現實開發的軟件操作、程序代碼、(數學)模型算法等內容不屬于本文的討論范圍。

1.1 應用框架

增強現實(Augmented Reality，AR)是在虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術基礎上拓展的技術，通過計算機視覺、圖形學等技術，將虛擬場景與使用者的真實環境相融合，提供新奇的視覺體驗[1-3]。增強現實的關鍵技術是三維跟蹤注冊技術、虛擬融合顯示技術和實時交互技術，其中三維跟蹤注冊技術分為真實空間中虛擬物體定位技術和交互設備的空間定位跟蹤技術[3-6]；在此基礎上，引入應用場景的三維掃描與建模、AR內容創作、現場的交互調試、程序的開發封裝等技術，共同構建景觀照明中增強現實應用框架(圖4)，實現虛擬與真實的融合，呈現真實環境的增強現實畫面。

圖4 城市景觀照明中AR應用框架

1.2 關鍵技術概述

1.2.1 三維掃描與建模

三維掃描與建模技術比較成熟，應根據項目的需求按掃描方式、范圍與精度、模型的表面屬性等要素去選擇合適的技術與儀器[7]，以免影響后續應用，例如掃描生成的點云模型一般適用于增強現實，但不能用于泛光照明。

在景觀照明的增強現實應用中，設備顯示的真實場景由攝像頭現場實時采集，而不是掃描生成的模型，但虛擬場景模型是作為三維注冊與AR內容制作的基礎；因此在三維掃描中不關注掃描方式、材質、色彩等，而是更加重視掃描范圍、載體尺寸、空間關系，以及觀賞位置、視野范圍、潛在標志物等。

1.2.2 三維跟蹤注冊

三維跟蹤注冊技術是實現增強現實的核心技術，建立虛擬物體與真實空間的標定關系(圖5)，將虛擬場景準確定位到真實世界上；通過交互設備的空間定位跟蹤技術和真實空間中虛擬物體定位技術，建立真實空間、虛擬模型與交互設備的空間對位與實時同步關系[3-6]，從而實現虛擬場景在真實環境的增強效果(圖6)。

圖5 三維跟蹤注冊原理圖

圖6 三維跟蹤注冊示例

三維跟蹤注冊技術主要分為基于計算機視覺、基于硬件傳感器及兩者混合的三類策略(圖7)[4，5]，基于計算機視覺的注冊通過識別場景中特定庫的人工標識、預設的標志物或自然環境(模型)的特征點進行注冊。特定庫的人工標識置入應用場景會存在違和感而導致應用局限，預設標志物與自然(模型)特征比較復雜時會導致識別注冊的速度慢、劇烈運動會跟蹤丟失[4，5]；即使如此，受益于該技術相對成熟，對硬件需求和開發者要求相對較低，所以仍廣泛應用在增強現實制作軟件中，如Vuforia、EasyAR、ARToolKit等。基于硬件傳感器的注冊隨著選用傳感器類型的差異，注冊速度、計算規模、定位精度、響應速率等各有優劣[4，5]，而且需要定制開發，實現難度大，成本較高，在戶外大場景的增強現實中應用很少。

圖7 增強現實中三維跟蹤注冊技術分類[5]

景觀照明增強現實的開發目前主要采用基于計算機視覺的三維跟蹤注冊技術，因此，在設計中需考慮不同照明模式燈具位置、亮度、色彩、動態對定位識別與三維注冊的影響，并通過在方案階段預置標志物來保障穩定注冊，減少由光環境變化引起的卡頓、跳幀、抖動、延遲等狀況，也使得標志物可更好地融入夜景效果中。

1.2.3 程序開發

掃碼互動是目前重要的交互方式，具有實時、簡單、輕便的特點，但流媒體的內容儲存在云端服務器，邊傳輸邊播放，對網絡速率、流量消耗等都有額外要求，應用到增強現實中存在延時、卡頓、錯位等影響體驗的情況。此外平臺環境對軟件兼容性影響、設備/場景與AR內容的多重匹配的精度要求等都大幅增加程序的復雜度與開發成本；因此精度較高的增強現實基本都采用自帶內容素材包的獨立程序(APP)來實現。

增強現實(AR)的內容素材包由高清的視頻或圖片、高品質的音樂構成，封裝后的程序可達到幾百兆(MB)到幾個吉(GB)，對使用者的手機性能要求與下載體驗都不友好。為此，在內容制作時需提前與開發者溝通素材的形式/格式、分辨率、位深度、每秒幀數、時長等參數，避免后期程序過大而對素材進行壓縮或剪裁，影響畫面品質。

2 項目應用

2.1 項目介紹與難點

本應用為濟南中央商務區公共空間光環境品質提升項目重要組成部分，場景范圍包括五頂茂嶺山、東西綠廊與對景的CBD建筑群。觀賞平臺位于五頂茂嶺山中部的山麓廣場，相對海拔約60 m，與建筑相距約1 500 m，兩者之間為寬90～160 m的東西綠廊公園；山體與公園已經實施景觀照明，建筑主體尚在建設中。設計以“齊魯新海拔、泉城新活力”的愿景，運用新科技賦予城市活力，使用增強現實(AR)演繹未來商務區建成的畫面，展現未來城市與現實場景的交融景象。

城市夜景增強現實具有基于計算機視覺三維跟蹤注冊的共性劣勢，在弱光環境下標志物的動態追蹤、識別注冊的波動性大，速率與精度不穩定。同時建筑相對觀賞平臺較遠，單棟成像視角較小(約1.7°×16.3°)，且兩者之間存在公園景觀照明燈光的干擾，進一步影響三維跟蹤注冊的穩定性。此外，本次AR內容主題多、呈現時間長，需要技術處理以壓縮程序大小，減少對用戶體驗的影響。

2.2 主要問題與應對策略

本次應用中，影響觀賞體驗的問題主要分為圖像與建筑錯位、邊緣變形、素材清晰度的畫面質量問題，卡頓、抖動、延時、跳幀等播放穩定性問題以及程序太大、手機發燙變慢等程序性能問題。對此在設計、開發、調試階段分別從程序算法、現場條件、內容制作等方面進行持續優化，對于程序算法層面問題由專業團隊予以解決，現場條件、內容制作由照明團隊配合完成。

2.2.1 標志物的設置

在程序開發、調試、優化、封裝完成且排除手機性能影響下，現場調試中出現的錯位、卡頓、抖動、延時、跳幀等問題基本都是由識別標志物和三維跟蹤注冊的穩定性引起。在本項目中，為了在不同季節、時間、環境亮度和手機不同朝向時都能夠快速穩定地識別，設計時在觀賞平臺現場篩選合適的標志物，并按時間與空間分為白天/夜間、近中遠/左中右區域(表1)，確保手機動態掃描的每個鏡頭都包含多個標志物，降低跟蹤丟失的概率。

表1 項目中已設置的標志物統計表

為了加強夜晚的識別度，在方案設計階段預留幾組具有清晰輪廓線的燈光作為標志物，在平日模式中保持常態化開啟，如木棧道光帶(圖8)、荷花廊架燈光(圖9)、草地中間燈光小品(圖10)等。

圖8 木棧道照片

圖9 荷花廊架照片

圖10 燈光小品照片

2.2.2 畫面變形的修正

由于在觀賞平臺體驗AR內容時較少走動(近似定點觀看，如圖11)，所以當內容畫面按平面制作時，在現場調試中旋轉手機方向在畫面的上下左右邊緣附近出現明顯的畫面變形，如部分建筑邊界無法對齊，圖像拉伸/壓縮變形等。因此，在后續內容制作中按照球形弧面設計，以主要觀賞點為圓心，到各層畫面的距離為曲率半徑(圖12)，并對弧面的分辨率進行換算；此外將畫面幅度超出建筑對應范圍，對超出部分做漸變淡化處理，以保證畫面與周邊背景在視覺上平滑過度。

圖11 現場觀看AR的照片

圖12 弧形畫面示意圖

2.2.3 AR內容的制作

本次亮燈啟動儀式恰逢冬奧會與春節，AR內容提煉“山、泉、湖、河、城”的區域文化元素和“冬奧、雪花、煙花”等特定元素(圖13)，通過序列幀、骨骼動畫、粒子特效、代碼控制等方式予以表達，效果上與山體、公園、建筑的聯動燈光同步演繹。

為使單幀圖片盡量小、最大化壓縮程序大小，在不影響效果情況下，基于素材在虛擬場景中的位置、尺度、畫面、精細程度等確定形式/格式、分辨率、位深度、每秒幀數、時長。本次AR內容主要采用二維序列幀動畫(圖14)和粒子特效系統(圖15)形式表現，少量使用三維骨骼動畫(圖16)和代碼控制(圖17)；每個主題的時長不超過1 min，每秒20～30幀，位深度、 分辨率隨畫面變化。經過上述處理，程序控制在幾百兆(MB)，在手機性能、下載時長與畫面效果間取得相對合理的平衡。

圖13 增強現實的效果示例

圖14 序列幀動畫示例

圖15 粒子特效示例

圖16 三維骨骼動畫示例

圖17 代碼控制動畫示例

3 應用拓展

隨著元宇宙促進物聯網、云/霧計算、傳感設備等技術融合發展、漸進突破[8]，后續可通過基于傳感器的三維注冊來彌補當前夜間光環境下三維注冊的不足，通過現場設置(內容)服務器、高速無線網絡傳輸的方式來實現掃碼觀賞并解除程序大小對AR內容的限制，使得AR注冊更準確，觀賞方式更輕便。

目前對于畫面需精準對位的增強現實應用基本都是小范圍類定點觀看，如果想在運動中(如游覽車、觀光船等)觀賞，實現起來難度更大，需解決三維跟蹤注冊的速度精度、觀眾的跟蹤定位與視看方向角、畫面透視與對位關系、AR內容播放的次序與時間點、行動速度與AR畫面的平衡等技術難點；但運動中增強現實作為元宇宙的主要交互方式，在元宇宙建設的推動下將得到較好解決[8]。

4 結語

本文以濟南中央商務區公共空間景觀照明實際項目為例，從照明設計角度初步分析了可現場體驗的增強現實在城市景觀照明設計應用中的可行性，并通過對程序算法、現場條件、內容制作的持續優化，初步解決影響觀賞體驗的畫面質量、播放穩定、程序性能上的問題，呈現較為理想的景觀照明增強現實效果。

增強現實無法替代媒體立面、3D投影、水舞燈光秀等傳統照明表達方式，只能作為景觀照明的拓展表現手法，在虛實結合的場景中提供更具沖擊力的視覺畫面，為審美疲勞的市民游客提供新的視覺體驗。對于當前關注的穩定注冊、掃碼觀看、程序輕小、運動觀賞等應用需求，隨著元宇宙技術的融合發展與持續突破將得以實現。