基于空間計算技術的歷史街區(qū)智能導覽設計

摘要：文章針對歷史街區(qū)數(shù)字導覽導航績效、文化呈現(xiàn)方式與游客高效認知需求的矛盾，探究空間計算技術應用下歷史街區(qū)數(shù)字導覽實現(xiàn)精準導航與街區(qū)高效文化認知的新方式。采用設計構想以實踐驗證的技術路線，以空間計算核心技術為依據(jù)提出設計策略，開發(fā)一款基于空間計算的智能導覽應用，實現(xiàn)歷史街區(qū)內精準實景導航與虛實互動的街區(qū)文化認知。

關鍵詞：空間計算歷史街區(qū)導覽設計古街文化

歷史街區(qū)作為歷史文化遺產(chǎn)保護體系的重要組成部分，因承載著獨特的歷史風貌與人文內涵而成為重要旅游資源。導覽系統(tǒng)作為游客與歷史街區(qū)的信息媒介不僅能夠提供便捷的旅游指南，還能有效提升游客對街區(qū)文化內涵的理解與認知。然而，隨著游客文旅要求的不斷提升，數(shù)字導覽在格局復雜的歷史街區(qū)內，使用傳統(tǒng)的定位導航難以滿足游客高效便捷的尋路需求，此外，歷史照片與文字語音講解易限制游客感知街區(qū)歷史風貌與人文內涵。隨著空間計算技術的不斷成熟，實時的空間位置計算與在現(xiàn)實世界中無縫融合虛擬信息，為人們帶來了定位導航與文化認知的新方式。那么，將空間計算技術應用于歷史街區(qū)的導覽系統(tǒng)，是否能成為優(yōu)化歷史街區(qū)導覽體驗的新思路？本文通過空間計算技術，以塞上老街歷史街區(qū)為實例，設計出能夠在街巷環(huán)境下精準定位導航、虛實融合呈現(xiàn)傳統(tǒng)街景與手勢互動感知人文內涵的智能導覽系統(tǒng)。

一、歷史街區(qū)的文化價值

歷史街區(qū)指各級政府核定公布能較完整體現(xiàn)傳統(tǒng)建筑格局和文化風貌的區(qū)域，集中記錄著城市歷史演進軌跡，是城市傳統(tǒng)生活場景與時代文化氛圍的人文再現(xiàn)與時空標識，是城市文化傳承最直觀、最典型的場景寫照。在空間形態(tài)方面，作為傳統(tǒng)古城的空間延續(xù)，歷史街區(qū)既保留著古城街巷制的格局，又隨著文旅開發(fā)演變出新的結構，呈現(xiàn)出層層積淀的復合型空間形態(tài)，形成獨特的文化漫步空間。在歷史風貌方面，傳統(tǒng)街景的風貌往往具有文化特色與審美價值，是游客感受地域文化的核心資源。在人文內涵方面，歷史街區(qū)的人文屬性是區(qū)別于其他旅游資源的重要標志，街區(qū)內承載著居民的地域生活方式、風俗禮儀與價值觀念，集中體現(xiàn)著當?shù)爻鞘猩畹莫毺匦浴?/p>

二、歷史街區(qū)數(shù)字導覽現(xiàn)狀分析

隨著數(shù)字旅游的興盛，數(shù)字導覽大量應用于歷史街區(qū)中。通過手機APP、微信公眾號、掃描景區(qū)二維碼等方式為游客提供全方位的導游。在定位導航方面，現(xiàn)有歷史街區(qū)數(shù)字導覽主要采用北斗和GPS定位技術，通過信號傳輸來測量導覽設備與各衛(wèi)星的距離而獲取用戶位置信息。在呈現(xiàn)歷史風貌與人文內涵方面，主要通過展示街區(qū)街道建筑、人物活動的歷史照片，配以文字介紹和語音解說等手段提供導覽，如圖1。游客根據(jù)需求選擇游覽線路后，導覽系統(tǒng)通過GPS定位技術引導游客尋找街內歷史景點。通過歷史照片結合語音講解幫助游客了解街區(qū)歷史風貌與人文價值。

伴隨游客文旅需求的不斷升級，歷史街區(qū)的數(shù)字導覽相關產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)的同時也存在一些問題。第一，在傳統(tǒng)街巷格局的復雜狹窄環(huán)境下，游客依靠數(shù)字導覽的GPS定位系統(tǒng)難以精準便捷的定位導航，在街巷中使用二維地圖的路線指引存在較高的認知負荷，難以高效找到目標景點。第二，隨著社會變遷，歷史街區(qū)的傳統(tǒng)街景不斷在城市更新中喪失，雖然數(shù)字導覽通過歷史照片能夠提供視覺參考，但難以生動還原傳統(tǒng)街景的歷史形態(tài)，束縛游客對街區(qū)歷史風貌的感知。第三，歷史街區(qū)的人文內涵作為傳統(tǒng)地域民俗與價值觀念的集中體現(xiàn)，現(xiàn)有數(shù)字導覽通過文字說明與語音講解的單向傳遞方式，游客難以對街區(qū)人文內涵產(chǎn)生深刻感受，限制游客對街區(qū)深層次的文化認知。

三、空間計算概念與關鍵技術

空間計算技術（以下簡稱空間計算）是一種以空間為基礎的計算范式，整合了虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）等特點，其核心是將虛擬信息與現(xiàn)實世界進行融合，使用戶能在現(xiàn)實環(huán)境中進行虛擬操作和感知。空間計算概念最早在2003年由麻省理工學院的Simon Green-wold在論文中首次提出，將空間計算定義為人與機器的交互，其中機器保留并操縱真實對象和空間的參照物。空間計算作為繼桌面計算與移動計算后的下一代計算范式，正在重塑我們與數(shù)字世界的互動方式，為各個領域帶來創(chuàng)新的機會。在教育領域，空間計算為學生創(chuàng)造更具互動性和沉浸感的學習環(huán)境。通過虛實融合，學生可以在現(xiàn)實環(huán)境中看到虛擬的歷史場景再現(xiàn)，使歷史內容更具感染力。在博物館領域，空間計算豐富了博物館展覽互動形式，觀眾通過隔空交互對虛擬文物進行自由旋轉和縮放，直觀地理解文物的細節(jié)，為文化傳承和知識傳播帶來全新體驗，促進博物館展覽轉變?yōu)殡p向參與的文化互動。

在空間計算賦能各領域的進程中，空間感知、三維重建與用戶感知作為核心技術發(fā)揮著重要作用。空間感知賦予了機器局部環(huán)境的空間大小、位置以及人與物之間復雜空間關系的理解能力，使機器能夠精確定位自身在空間中的位置，以及把握周圍物體的相對位置和動態(tài)變化。三維重建實現(xiàn)了數(shù)字內容在物理世界中的精確投影和渲染，從而將虛擬信息與現(xiàn)實環(huán)境無縫融合。用戶感知是空間計算中實現(xiàn)人機交互的重要環(huán)節(jié)，能夠實現(xiàn)對用戶手勢、語音等信息的捕捉與分析，其中，隔空手勢交互突破了二維屏幕，用戶能夠與虛擬信息進行自然易用的三維交互，提供更具創(chuàng)意性的參與互動方式。

四、空間計算智能導覽設計策略

針對現(xiàn)有歷史街區(qū)數(shù)字導覽中傳統(tǒng)定位方式無法滿足游客高效導航需求、導覽內容呈現(xiàn)形式限制游客高效認知街區(qū)歷史風貌與人文內涵的問題。結合空間計算的核心技術，依據(jù)空間感知、三維重建、用戶感知三個方面提出空間感知實現(xiàn)實景導航、虛實融合呈現(xiàn)歷史風貌、隔空手勢交互解讀人文內涵的設計策略。構建出歷史街區(qū)智能導覽體驗，為游客提供高效便捷的導航體驗與虛實融合場景中雙向互動認知街區(qū)文化的新方式。

（一）利用空間感知實現(xiàn)街區(qū)實景導航

在歷史街區(qū)中數(shù)字導覽依靠GPS定位系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收易出現(xiàn)范圍偏差，而空間感知能夠賦予機器感知周圍環(huán)境位置關系的理解能力，利用空間計算設備的硬件捕捉街巷空間信息，從而精確地獲取人與機器在街巷中位置、方向與速度，實現(xiàn)高效精準的空間導航。具體有三個流程：第一步是建圖，將街道、牌坊等視覺特征明顯且穩(wěn)定的歷史遺產(chǎn)建筑進行點云掃描與采集紋理圖像，并將此類地標建筑信息特征儲存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中作為導航的參考點；第二步是識別，通過空間計算設備的攝像頭、激光雷達與深度傳感器對街巷中的環(huán)境進行識別，匹配系統(tǒng)庫中的點云數(shù)據(jù)與紋理圖像信息得到設備在街巷中的相對位置；第三步是定位，通過數(shù)據(jù)融合不斷比較當前位置與地標信息，對定位結果進行平滑處理，及時調整設備的位置估計，減少定位誤差的波動。此外，平面地圖的路線指引帶給游客較高的認知負荷，而空間感知將導航信息與街景進行三維化的實景融合，將半透明的導航信息疊加在街區(qū)實景中，符合空間感的實景導航有利于提高導航信息的易讀性。在三維導航界面的視覺風格方面，應該采用與歷史街區(qū)環(huán)境相契合的色彩方案，避免使用過于鮮艷或現(xiàn)代感強烈的色彩，以免破壞歷史氛圍；在內容呈現(xiàn)方面，清晰標注歷史建筑和文化景點，設計引導符號吸引用戶前往參觀，在導航界面的適當位置，融入街區(qū)的業(yè)態(tài)信息與旅游服務豐富游客的導覽體驗。在可視效率方面，由于空間計算設備提供全景視野，應將內容信息聚焦于站立時的自然平視的90度視角，導航信息的虛擬形態(tài)應與現(xiàn)實中的引導標志相似，給予游客導航的自然感受。在空間感知的定位導航與三維化的實景導航中，游客不僅能夠獲得精度更高的導航體驗，更會體驗到真實場景與虛擬導航信息相結合的創(chuàng)意導航服務，提升游客街區(qū)漫步感受。

（二）利用三維重建打造虛實融合展示系統(tǒng)

歷史街區(qū)在社會變遷中不斷流失的傳統(tǒng)街景氛圍，依靠數(shù)字導覽的二維照片呈現(xiàn)將限制游客感知其歷史風貌，而三維重建能夠實現(xiàn)單個物體的小規(guī)模重構與城市層次的大規(guī)模空間復刻，并保持良好的模型精細度與準確嵌入，實現(xiàn)虛擬物體與現(xiàn)實場景的無縫融合，通過虛擬空間賦予文化景觀生命力，為游客提供生動的歷史街區(qū)的傳統(tǒng)風貌感知。具體有以下三個流程：第一步是場景采集，將預放置虛擬物體的街區(qū)場景進行點云數(shù)據(jù)采集，結合算法將點云連接成三角形網(wǎng)格，形成物體的表面形狀并生成初步的三維模型。第二步是紋理映射，通過圖像匹配與投影將紋理信息映射到三維模型上，優(yōu)化紋理分辨率、色彩和光照效果與現(xiàn)實場景相符。第三步是模型優(yōu)化，使用網(wǎng)格簡化算法減少模型的三角形數(shù)量，去除冗余數(shù)據(jù)與提高渲染效率，進行虛擬物體與現(xiàn)實場景的碰撞檢測，實現(xiàn)虛擬物體的精準嵌入。此外，為了深化游客對于街區(qū)歷史風貌的感知，使虛擬場景體驗自然化，應在虛擬場景中的呈現(xiàn)內容方面，應選取具有街區(qū)最具代表性和吸引力的場景風貌進行重現(xiàn)；在內容觸發(fā)方面，當游客來到特定區(qū)域時，虛擬布景根據(jù)游客前進路線逐漸“激活”，引發(fā)接觸的自然感，在街區(qū)聲景方面，將街區(qū)市井聲音應根據(jù)游客位置和視角動態(tài)調整音源強度與方向，提供與視覺位置相匹配的聽覺體驗，增強聽感上的真實性和層次感。通過三維重建，構建虛實融合的歷史風貌呈現(xiàn)方式，將不可見的街區(qū)特色形態(tài)、歷史事件虛實融合呈現(xiàn)，使游客深刻感知街區(qū)傳統(tǒng)風貌。

（三）利用隔空手勢交互解讀街區(qū)文化

歷史街區(qū)的人文內涵作為地域民俗與價值觀念的集中體現(xiàn)，依靠單向傳遞的文字說明與語音講解將限制游客對街區(qū)深層次的文化認知，而用戶感知中的隔空手勢交互通過對手勢信息的精準捕捉和分析，從而提供雙向互動的具身參與體驗。具體有以下三個流程，第一步是手勢數(shù)據(jù)采集，利用深度攝像頭、紅外傳感器等設備硬件捕捉用戶手部的位置、形狀、運動軌跡等數(shù)據(jù)；第二步是手勢特征提取，利用圖像處理算法在捕獲的數(shù)據(jù)中識別手勢運動趨勢與關節(jié)位置等信息。第三步是感知手勢分類，將提取到的特征與預先定義的手勢模型進行匹配，確定用戶的手勢類并做出相應反饋。此外，為達到游客主動參與的交互式旅程與街區(qū)文化雙向互動和充分認知，在隔空手勢交互的文化適應性方面，提取歷史場景中街區(qū)文化的符號象征點并與交互手勢相融合，通過手勢操作觸發(fā)反饋文化內容；在手勢交互的動作方面，街區(qū)文化解讀的交互手勢應基于人體的自然動作習慣，避免使用過于抽象或模糊的手勢，提高交互的效率和自然度。通過隔空手勢交互來解讀街區(qū)人文內涵，深化游客與虛擬文化場景參與度，能夠將單向信息接收轉向為雙向互動，拓寬游客與歷史文化街區(qū)的接觸點，以趨近自然的三維交互方式實現(xiàn)街區(qū)深層次的文化認知。

五、呼和浩特塞上老街智能導覽設計實踐

塞上老街發(fā)源于明代，是呼和浩特城市發(fā)展變遷的歷史縮影，是唯一保存完好能體現(xiàn)歸綏舊城風貌的街道，承載著旅蒙晉商的傳統(tǒng)手工藝文化。然而，因社會變遷與城市更新，街巷內空間肌理斷裂，古城風貌消散嚴重，人文內涵感知困難，游客難以通過塞上老街現(xiàn)有導覽系統(tǒng)感知街區(qū)文化內核。依據(jù)空間計算智能導覽的設計構想進行實踐，搭建空間計算開發(fā)環(huán)境，進行街區(qū)點云掃描與界面導航設計，構建綏舊城的虛實融合商貿街景，設置解讀銀匠手工藝的隔空手勢交互動作，為塞上老街游客提供高效便捷的街巷定位導航、歸綏風貌感知與傳統(tǒng)銀飾手工藝理解，驗證策略可行性。（一）街區(qū)空間導航與界面設計以塞上老街街區(qū)為實踐對象，進行街區(qū)空間點云布局掃描與空間導航界面設計。首先，利用的三維掃描設備，根據(jù)塞上老街建筑分布規(guī)劃掃描路線，使用激光雷達設備掃描街巷線路，獲取街巷三維點云數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入點云處理軟件，進行去噪、濾波、配準處理，使用建圖算法與采集到的街景紋理圖像生成塞上老街的三維地圖，如圖2。其次，在三維地圖中標注街景、建筑、標志物的特征點以及對應的位置信息，當游客在塞上老街中移動時，空間計算設備可以通過實時采集的數(shù)據(jù)與三維地圖進行匹配，確定游客的位置和周圍環(huán)境的信息。

最后，進行空間導航的界面設計，提取街內環(huán)境色彩元素，設計與現(xiàn)實路標相似形態(tài)的虛擬導航圖標用于線路指引，降低透明度以避免導航過程中遮擋游客視野，根據(jù)游客自然平視角度，設計導航信息聚焦于90度視角范圍內，并在不同的光照條件與可視角度下，對導航界面進行測試，確保良好的可讀性和視覺效果，如圖3。

（二）歸綏傳統(tǒng)街景虛實融合街景設計

在塞上老街智能導覽的街區(qū)歷史風貌感知功能中，以塞上老街主干道為載體心，構建虛實融合的街景效果，為游客提供歸綏傳統(tǒng)街景風貌與氛圍。首先，依據(jù)歸綏舊城的歷史資料和圖片，歸納傳統(tǒng)街景中招幌樣式的特色形態(tài)與懸掛方式，提取歸綏舊城中銀匠的手工藝制作場景與流程，收集歸綏舊城中居民交談的特色方言與商販叫賣等市井聲景，作為傳統(tǒng)街景風貌感知的依據(jù)；其次，利用激光雷達對塞上老街主干道中預放置虛擬物體的地點進行點云數(shù)據(jù)采集，在建模軟件Blender中完成歸綏傳統(tǒng)商貿街景中招幌、牌匾、銀匠手工藝場景等三維模型制作，將場景的點云數(shù)據(jù)與虛擬物體的三維模型導入Unreal Engine引擎軟件中進行程序開發(fā)，對場景與模型的虛實融合進行測試，確保模型嵌入的準確性和穩(wěn)定性；最后，根據(jù)游客的前進路線，虛擬布景自動逐漸“激活”，營造虛實融合接觸的自然感，設置街區(qū)聲景可根據(jù)游客的位置和視角，動態(tài)調整音源的強度和方向，在虛擬銀匠手工藝場景中設置交互提示，引導游客參與利用隔空手勢解讀街區(qū)文化，如圖4。

（三）街區(qū)民俗工藝解讀的手勢交互設計

街區(qū)民俗工藝解讀的手勢交互設計。在歷史街區(qū)的人文內涵文化認知功能中，以街區(qū)中的銀飾制作工藝為對象，通過設置游客參與的隔空手勢交互，強化游客對塞上老街人文內涵的認知深度。提取銀飾制作流程，查閱歷史文獻中關于傳統(tǒng)打銀工藝的記載，提取銀匠制作時捶打銀料、銀胚塑形、雕刻花紋以及查看銀飾的四個主要步驟，根據(jù)流程總結制作工藝的文化解讀要點；下載Rokid空間計算套裝的UXR2.0 SDK，根據(jù)SDK提供的握拳、捏合、隔空點擊、手掌這四種手勢進行識別設置，將工藝流程的四個制作步驟分別與四種手勢進行對應結合。當游客做出握拳手勢，上下?lián)]動模擬銀匠捶打銀料得到銀胚；游客做出捏合手勢，可以增大或減小銀坯的體積，模仿現(xiàn)實中銀匠用鉗子等工具對銀坯進行夾合；游客做出隔空點擊手勢；可以選擇不同類型的銀坯雕刻工具，點擊刻刀圖標，演繹銀飾刃刻的技藝畫面，點擊銼刀圖標，出現(xiàn)打磨弧面等銀飾修整技藝畫面；游客做出手掌張開手勢，手掌中展現(xiàn)經(jīng)過制作的虛擬銀飾。根據(jù)自然行為的手勢設計，確保游客在手勢操作時符合人體自然動作習慣。設置手勢動作的明確的視覺反饋效果，做出手勢后對應的工具或銀料會出現(xiàn)高亮顯示、顏色變化、動態(tài)效果等，為不同的手勢動作和制作步驟添加不同的音效，如錘擊銀料的聲音與刃刻的細微聲音等，聲音大小與頻率根據(jù)手勢的力度和動作的強度進行變化，如圖5。

六、結語

此次研究依據(jù)空間計算核心技術提出利用空間感知實現(xiàn)街區(qū)實景導航、利用三維重建打造虛實融合展示系統(tǒng)、利用隔空手勢交互解讀街區(qū)文化的設計策略，并依據(jù)設計策略將空間計算技術應用于歷史街區(qū)智能導覽的實踐中，驗證了策略可行性。空間計算智能導覽在定位導航方面，通過實際街景的三維虛擬軌跡導航有利于為游客提供實時準確導航指引，使導航過程更加自然易感知，在歷史風貌與人文內涵認知方面，為游客提供了生動的街區(qū)歷史風貌感知方式，能夠讓游客在虛實融合呈現(xiàn)中沉浸式感知傳統(tǒng)街景與氛圍，不再受限于傳統(tǒng)導覽方式的單向性信息獲取，而是以自然交互的方式使游客主動探索街區(qū)的人文內涵，為游客提供了一個可高效尋路、街景再現(xiàn)與文化互動的歷史街區(qū)導覽設計方案。

參考文獻：

［1］國務院辦公廳.歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護條例［EB/OL］.（2017-10-07）［2022-1011］.

［2］齊驥.歷史文化街區(qū)的空間重構與更新發(fā)展［J］.廣西民族大學學報（哲學社會科學版），2017，39（6）：15-20.

［3］李姍姍.青島市歷史文化街區(qū)旅游價值探討［J］.合作經(jīng)濟與科技，2024（14）：45-47.

［4］張宇婷，高頌華.鄉(xiāng)村文化景觀跨時空解讀敘事策略研究［J］.藝術與設計（理論），2024，2（1）：51-54.

［5］高頌華，劉雅楠.大安閣遺址增強現(xiàn)實系統(tǒng)跨時空交流敘事策略研究［J］.藝術研究，2024（1）：5-9.

［6］劉帥，張煒.基于集體記憶構建的傳統(tǒng)商業(yè)街活力提升策略研究——以呼和浩特塞上老街為例［J］.中國建筑裝飾裝修，2023（4）：152-155.

［7］沈也喬，方旭艷.傳統(tǒng)民居院落空間對舊城街巷空間重塑必要性探究——以呼和浩特市塞上老街為例［J］.城市住宅，2021，28（9）：55-58.［8］趙雪，高頌華.增強現(xiàn)實研旅產(chǎn)品的多模態(tài)具身參與度評價方法研究

［J］.包裝工程，2024，45（16）：150-159+212.