AR技術在青海歷史古跡數字化重建中的應用

唐傳謙+劉志強+劉曉靜

摘要：青海作為一個多民族聚居的省份，至今已有6000多年歷史，積淀的歷史古跡由于自然災害或人為破壞等原因，部分湮沒在歷史煙云中。利用數字技術對目前尚存的古跡重建是保護歷史文化傳承的一個新的趨勢。通過對青海古跡保護方法及存在問題的剖析，結合獨特的民族文化，借助增強現實（Augmented Reality，AR）技術把歷史古跡殘缺部分建模修補，將歷史信息如珍貴老照片、視頻、三維動畫等與現實場景“疊加”，使虛擬環境與現實環境存在于一個空間中。同時以AR技術在國內數字化重建中的成功應用為例，進一步突出在青海歷史古跡保護上的應用優勢。使得古跡延續下去的同時，保護數據資料，傳承悠久的文化。

關鍵詞： 青海；歷史古跡；數字化重建；增強現實；疊加；文化傳承

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）35-0239-04

Application Prospect of AR Technology in Digital Reconstruction of Historical Monuments in Qinghai

TANG Chuan-qian，LIU Zhi-qiang，LIU Xiao-jing

（Department of Computer Technology and Application， Qinghai University， Xining 810016， China）

Abstract： Qinghai as a multi-ethnic province， has been 6000 years of history， the accumulation of historical monuments due to natural disasters or man-made destruction and other reasons， part of the annihilation in the historical clouds. The use of digital technology to restore the existing historical monuments is to protect the historical and cultural heritage of a new trend. Through the analysis of the methods and problems of the protection of monuments in Qinghai， combined with the unique national culture， with the Augmented Reality （AR） technique， the digital catalogs of historical monuments are patched and the historical information such as precious old photographs， And so on with the reality of the scene "superimposed"， so that the virtual environment and the reality of the environment exists in a space. At the same time to AR technology in the domestic digital reconstruction of the successful application of example， to further highlight the application of historical protection in Qinghai. So that the monuments continue at the same time， the protection of data， heritage of a long culture.

Key words：Qinghai； historical monuments； digital reconstruction； enhancement of reality； superposition； cultural heritage

1 概述

AR技術全稱為增強現實（Augmented Reality，AR）技術，是指把計算機生成的虛擬對象基于某種媒介并經過模擬仿真后疊加到真實世界，被人類感官感知后，確信虛擬場景是真實場景一部分的技術。該技術呈現給使用者一個感官效果的真實古跡環境，具有將歷史與現實虛實結合、三維注冊、實時交互的新特點[1]。同時古跡信息以AR技術的方式呈現給觀光者，不僅能夠看到文字、圖片甚至三維動畫等形式的解說，還能看到古跡上殘缺部分的虛擬重構，以及歷史形態的疊加，重現歷史的痕跡。此新興數字化重建技術對于古跡外部形態數字式、地理式資料的傳承以及指導人工修復具有深遠的意義。

本文從青海省歷史古跡重建的現狀著手，闡明在古跡重建中存在的問題，找準AR技術在古跡重建中的應用并列舉具體實例，進而說明AR技術在青海省歷史古跡重建中的優勢和必要性。

2 青海省歷史古跡重建的現狀和存在的問題

2.1 青海省的簡介

青海位于中國西北部，早在遠古時期就有古老的民族——羌族在此活動。羌族以部落群聚的形式生活，秦始皇時期以西羌為界修筑長城，魏晉南北朝時期，是西北地區民族戰爭最為頻繁且民族矛盾最為尖銳的時期。因此在政治、軍事上，青海省具有十分重要的戰略地位，是許多政權和民族爭奪的目標，也是中原地區的重要屏障，素有“天然國防”之稱[2]。青海也一直是漢族文化和少數民族文化交匯的地區，具有濃厚的民族特色。據2016年12月23日青海省非物質文化遺產保護工作會議上獲悉，目前該省各類非物質文化遺產達2023項，青海省文化和新聞出版廳統計數據顯示，該省入選人類非物質文化遺產代表作名錄的有熱貢藝術、格薩（斯）爾、“花兒”等5項，中國國家級非物質文化遺產名錄73項，省級136項，州（市）級572項，縣級1237項[3]。悠久的歷史積淀下寶貴的文化遺跡，從中石器時代的彩陶到分布廣泛的石刻、巖畫、壁畫，再到眾多氣勢恢宏的藏傳佛教寺院如塔爾寺、丹斗寺、尕讓白馬寺等，成為青海省人文景觀和歷史傳承的重要組成部分[4]。endprint

2.2 青海省古跡重建的現狀與特征

青海歷經時間的洗禮留下一批特色的歷史古跡，由于日曬雨淋，地震等自然災害，以及戰爭、破四舊的人為破壞等原因，遭受到不同程度的損害，其造成的后果是歷史文化與民族特色的嚴重缺失。為保護歷史古跡，國家每年斥巨資修繕和保護。古跡見證了國家的興衰與繁榮，因此青海省政府響應國家出臺的《中國文物古跡保護準則》，撥專項資金用來拯救古寺等文物古跡，從文物古跡的調查、評估到確定文物的保護單位來制定和實施保護規劃，并定期檢查規劃的合理性。

一系列的工作推進，希望在古跡的外觀上恢復原貌。建筑外觀是文化的載體，提供給游客直觀的游覽體驗，親身處于古跡環境之中，感受濃濃的文化氛圍。目前青海省對于古跡外觀重建的方法主要有以下幾個：

1） 原址重建：對于在城市發展和舊時戰爭中損壞的古跡，政府采用原址重建的方式。這里以拱辰門為例，拱辰門是原青海省西寧市衛城的北門，也叫做北門城樓。距今已有600多年的歷史，在20世紀50年代，因年久失修和城市建設需要拆除[5]。2007年，為延續西寧歷史文脈，西寧城中區政府又投資900多萬元，以歷史資料為依據，按原貌重建了西寧北門城樓。如圖1、2所示，為青海省舊時的北門城樓與現在重建之后的對比。

原址重建在大體上重建了外部形態，具體細節難以再現。主要因為重建手續復雜、無資料保存或資料過少提高了重建的技術難度、且具有成本投入高、施工周期長等特點。

2） 傳統手工藝人手工修復：青海省湟中的陳家灘木雕是當地獨特的農耕文化、牧文化和伊斯蘭教文化結合的產物，是青海各民族文化的縮影，青藏高原上獨有的瑰麗奇葩。這些木雕身影出現在塔爾寺等眾多寺廟中，作為青海省的一項非物質文化遺產，雕刻工藝復雜，導致手工藝人越來越少，雕刻的精細度也達不到舊時的標準，木雕一旦損壞，修復起來極其麻煩。在青海省南禪寺的部分修復重建中，為還原舊時雕刻的形態，請了非物質文化遺產的手工藝人修復或者重新雕刻古跡木雕。圖3為手工藝人正在雕刻木雕，圖4為木雕成品。

圖3 雕刻木雕 圖4 木雕成品

3） 保持原狀：對于自然災害中損壞的古跡，例如文成公主廟在青海省玉樹地震時墻體裂縫，廟頭山體石頭經過地震已大面積松動，危在旦夕，目前的修復只能是將松動的巖石固定，保持原狀。

2.3 古跡重建中存在的問題

古跡重建中存在的問題除了原址重建涉及的地理位置、整體景觀效果和不影響交通等諸多因素的限制，還涉及施工的難度、周期等。手工藝人的修復方式主要受到傳統手工藝人的減少、獨特的漢藏結合方式以及西北的民間風俗等因素的制約。對于保持原狀的古跡，可能會隨著自然環境的更替越來越破敗。因此當前古跡的數字化重建就顯得尤為重要了，它能縮短古跡重現的周期，降低修復難度，不僅是對古跡現存資料的保存，同時也為后期修復提供依據。

3 AR技術在歷史古跡數字化重建中的應用

通過對目前青海省歷史古跡重建的現狀和存在的問題的分析，引入一種新的技術來解決這些問題成為一種必然。AR作為融合信息技術、計算機視覺技術、多媒體技術和可視化技術等多種數字化技術為一體的技術成為了首選。

3.1 增強現實技術

增強現實技術，即AR技術，是指在現實的基礎之上，注重把動態的、背景專門化的信息加載到用戶的視覺域上，讓虛擬世界服務于真實世界。AR技術是多領域交叉和融合的創新型技術，將計算機生成的二維或三維的虛擬環境（文字、圖片、動畫、聲音、三維模型等）與用戶周圍的現實環境融為一體，形成與真實環境疊加的效果，使用戶從感官效果上確信虛擬環境是其周圍真實環境的組成部分，實時地進行人機交互[6]。

AR技術的原理是通過跟蹤注冊算法實現關鍵幀的創建與標定，通過圖像匹配算法來搜索圖像上的特征點，并進行特征點的匹配[7]來確定真實場景中追蹤攝像機的位置與虛擬場景中模型的位置與方位的檢測，并完成虛擬場景與真實場景的坐標統一，最終完成虛擬環境與真實環境的疊加顯示在手機端或者其他設備上[8]。圖5為AR技術的原理示意圖。

3.2 AR技術古跡數字化重建上的應用

目前AR技術已經廣泛應用于導航系統、教育教學、醫療研究、游戲開發、工程設計、古跡重建以及營銷策略等多領域[9]。AR在生活中的應用如圖6、7所示。

在古跡重建中，傳統的古跡重建方式參考老照片及平面圖等圖片、數據資料進行人工重建，但數據資料的缺失對古跡的重建產生很大的影響，因此，采用AR技術數字化重建古跡，保護數據資源、圖片資源、模型資源也是為以后的古跡修繕留下依據。在數字化古跡的同時，疊加古跡的歷史信息到現實環境中，完成一條線的古跡軌跡：過去的場景——現在的場景——未來的數據存儲。

現以著名的圓明園AR數字重建為例，說明AR技術在古跡中的應用。自康熙四十六年始建，到1860年秋被焚，圓明園以夢幻般的建筑形態存在了150年。夕陽下矗立的斷壁殘垣，以自身的遭遇，默默地折射著這片國土的榮辱興衰[10]。2017年5月18日，《“看見”圓明園》數字體驗展在中國園林博物館二號展廳開幕。這次展示手段采用了實體搭建與AR、VR、數字影片等多種虛擬體驗的結合，圓明園中正大光明AR景色重現如圖8、9所示，

對于圓明園是否重建是一個頗具爭議的問題，作為中國人，應該時刻銘記歷史，但舊時圓明園的盛況又吸引著民眾的眼球。隨著社會的進步，我們用科技穿越時空，數字化重建了圓明園的盛況。圓明園的遺跡及AR化重建的效果圖分別如圖10，11所示。

觀眾可體會到歷史重新展現在眼前的沉浸式游覽。重現古跡，又不會抹殺歷史，我們將以滿滿的愛國情懷來看待這百年之殤。

4 AR技術在青海歷史古跡數字化重建中的應用

AR技術在青海歷史古跡數字化重建中的應用應從青海的特色出發，結合技術的可實施性來談應用。

首先青海作為一個多民族聚居的省份，古跡類型繁多，不同的古跡具有不同的文化內涵，比如清真大寺，主要用來給信仰伊斯蘭教的民眾做禮拜，在參觀清真寺時有很多禁忌，如不要在禮拜者面前過路，除了贊真主外不許大聲喧嘩，不得觸碰《古蘭經》等。在中國，彼此尊重民族獨特的文化，是民族團結的首要條件。

其次根據AR技術的特點和目前技術的可實施性，將在以下方面發揮其優點：

1） 收集舊時古跡的圖片、文字、視頻等資料，在古跡的某個區域上疊加該區域的歷史史實，為古跡附上飽滿的文化內涵。

2） 通過AR技術將特色的民族文化資料疊加在古跡上，展示在民眾眼前，尊重不同民族之間的文化差異。

3） 結合青海特色的藏傳佛教寺院，殿堂多而路線繁雜，通過添加標簽的形式作為一個簡單的介紹或者說小型導航。

4） 對于歷史上經歷過多次修繕、發生過重大事件、造就過著名的人物的古跡，通過三維技術、或者動畫等形式把古跡隨著歷史變遷的變化過程疊加在現實環境。

5） 利用AR技術提取古跡舊照片中的圖片紋理，作為貼圖貼到虛擬場景的建筑中，三維化、立體直觀重現以前古跡建筑的特征，增加古跡軌跡中的過去場景的真實性。

6） 虛擬場景的建立保存了古跡的多方位視圖及數據資料，為以后物質重建古跡保存資源。

7） 對于旅游紀念品，如明信片、海報等，疊加簡單介紹到紀念品上，此小類AR化目前已經實現。現將AR技術在青海草原景色明信片上的疊加效果做一個簡單的展示，當我們使用移動設備對這張圖片進行掃描時，顯示該圖是美麗青海的風景，如圖12所示。

AR技術將在青海省古跡重建中發揮其特點與優勢，把不同古跡的原建筑風格、歷史上重要事件的發生過程以及青海特色的民族文化通過現代化技術展現給民眾，在現實游覽古跡的同時，增加了歷史資料，保護了現有數據資源，使文化得到傳承，數據得到延續[11]。因此將此技術應用到青海省歷史古跡的重建中具有重要的意義。

總結起來，AR技術將古跡殘缺部分數字化建模修補，將歷史信息如珍貴老照片、視頻等與現實場景疊加，使用戶感覺虛擬環境與現實環境存在于一個空間中，重建古跡的同時重建了歷史。同時虛擬場景的建立保護了古跡的建筑數據，為以后的真實重建提供資料。AR技術在數字化重建古跡上的圖例說明如圖13所示。

5 結束語與展望

社會的發展使得國家和人民越來越注重歷史古跡保護的重要性，歷史文化是古跡之中蘊含的最珍貴的產物[12]。本文結合青海古跡獨特的文化特點，將AR技術作為工具對古跡數字化重建的應用做出了說明。其數字化重建過程中的虛擬建筑信息及歷史資料將為以后古跡的現實重建提供寶貴的資源。使得真實環境中的切身體驗與虛擬環境中展示的文化古跡融為一體，給予超越現實的感官體驗。

目前基于AR技術的古跡數字化重建正在實現的過程中，實現方法上考慮青海作為旅游城市，在使用新興技術傳播文化內涵的同時，增加旅游的趣味性[13]，疊加三維動畫，多互動性等方面入手，將旅游打造為科技旅游，彌補傳統手段對古跡重建的缺陷，推動文化傳承。

參考文獻：

[1] 齊越，馬紅姝.增強現實：特點、關鍵技術和應用[J]，小型微型計算機系統，2004，25（5）：900-903.

[2] 王昱.試析青海歷史發展的重要特點[J]，青海社會科學，1996，2（15）.

[3] 羅云鵬.青海各類非物質文化遺產達2023項 省級項目數總體偏少[EB/OL]. http：//www.chinanews.com/cul/2016/12-23/8102759.shtml.

[4] 靳育德. 老西寧貳[M]. 青海：青海人民出版社，2014：24-29.

[5] 馬燕燕.西寧古城地名故事——北門城樓與北門泉[EB/OL]. http：//www.qh.gov.cn/dmqh/system/2013/05/03/010044831.shtml.

[6] 吳亞峰，劉亞志，于復興. VR與AR開發高級教程基于Unity[M].北京：人民郵電出版社，2017：1-2.

[7] 謝孔凱，申閆春.東巴古跡虛擬場景增強現實仿真研究[J]. 計算機仿真，2015，32（06）：407-411.

[8] 雷正龍.基于Android的增強現實技術在旅游體驗中的應用研究[D]. 北京：北京工業大學，2015.

[9] 毛鋒，王凌云.歷史文化資源保護中的新技術應用[J].北京規劃建設，2006（7）：79-81.

[10] 陳靖，王涌天，林精敦，等.基于增強現實的圓明園景觀數字重現[J].系統仿真學報，2010，22（2）：424-428.

[11] 師國偉，王涌天，劉越，等.增強現實技術在文化遺產數字化保護中的應用[J]. 系統仿真學報，2009，4，21（7）：2090-2097.

[12] 余日季，唐存琛，胡書山.基于AR技術的非物質文化遺產資源產業化開發研究[J]. 湖北社會科學，2014（4）：50-54.

[13] 魏三強，王兵.AR技術在非物質文化遺產及文化旅游業中的應用[J]. 江漢大學學報自然科學版，2016，8，44（4）：364-368.endprint