城市形象設計中的增強現實芻議

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涵的整體印象。文章探討了增強現實（AR）應用于城市形象設計的工作流程，結合黃鶴樓展現增強現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所構成的城市特質綜合表現。這種城市特質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，依據一座城市的外在實體存在與內在文化底蘊，從城市發展理念、城市規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境空間，但是無法實時感受其文化內涵；城市效果圖只能提供平面的、靜態的視覺體驗；三維動畫可以向公眾提供動態的視覺展示，但是缺乏實時的交互性；虛擬現象交互雖然實現了實時的交互性，但是模型過于虛擬化，變形失真嚴重，缺乏實質感。這就意味著，城市形象設計必須提供一個充滿實質性的實體存在，讓公眾在實時探索城市實體的同時，能夠實時感知城市的文化內涵。因此，城市形象設計必須要求滿足四大特性：動態性、實時性、交互性、實質性。因此，本文從增強現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實技術的優勢和方法，并提出了基于增強現實技術，以實現以上四大特性的要求。

一、增強現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，探索了現實與顯示融合的可能途徑。至1990年，為了開發組裝整理電路板布線系統，波音公司的工程師Tom Caudell，研制出了頭戴式顯示系統，增強現實（Augmented Relaity， AR）術語也同時創造出來。隨即，增強現實技術被廣泛地應用到工業和軍事領域。日本工程師Hirokazu Kato創建了ARToolkit開發包，為創建增強現實應用，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，增強現實的可視化開發軟件及相關設備的普及，增強現實技術，在眾多領域得到了爆炸式增長。

在繼承了虛擬現實可感知、可定位、可操作人機交互優勢的基礎上，增強現實技術減少了環境建模環節，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，增強現實具有三個顯著特點：虛實結合、實時交互和三維注冊的。它通過對現實環境的補充，將現實環境中一些不易或不能被感受的因素投射到現實環境之中，增強用戶的現實體驗和因素感知。

二、城市形象設計的增強現實

（一）城市形象設計中的增強現實歷史

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，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實現了將城市規劃圖紙投射到現實環境，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，結合現代云計算、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數字城市。

（二）城市形象設計中的增強現實

增強現實的基本實現過程如圖1：

AR在城市形象設計中的應用，以武漢市黃鶴樓為例。根據黃鶴樓的位置及方位、觀看角度，在畫面上重現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，看到黃鶴樓的動態改變。

2.特色簡介

利用數據挖掘技術，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容，包括整個建筑獨特的民族風格，與之相應的中國傳統文化的精神、氣質、神韻等，讓AR系統更加個性化。

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“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？”，用戶可以根據對現實黃鶴樓的參觀與了解，回答黃鶴樓的建筑參數、型制等，AR系統并給予適當的回饋，提升用戶對黃鶴樓的深入認識，深化其對武漢城市形象的認可度與接受度。

5.相片合成

用戶在現場參觀黃鶴樓，或觀看數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據以及游覽歷程，利用數據挖掘技術，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據，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系統提供精準的定位。

（三） AR與城市發展新技術的融合趨勢與前景

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

一是與3S技術結合。“3S”技術，即GIS，RS，GPS三者的簡稱。其中，GIS，即地理信息系統技術，為城市規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、環境、綠化等分布情況的第一手可靠信息；GPS，即全球定位系統，為城市規劃提供精準的定位信息。可以將AR與3S技術相整合，通過現代通訊技術與控制技術，為城市的數據實時更新提供快速方式，為城市規劃和形象設計提供數據基礎與分析平臺，為政府提供城市規劃與形象設計必要的支持平臺。

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

（四）增強現實在城市形象設計中的優點

與其它方法相較，增強現實在城市形象設計中具有以下優點：

一是AR可以實現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，方便設計師優化與規劃未來城市形象。

三是AR可以進行大規模人群實時效果分析。在現實的城市空間中，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、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。

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

參考文獻：

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[2]Park C S. A Framework for Proactive Construction Defect Management using BIM， Augmented Reality and Ontology-based Data Collection Template. Automation in Construction， 2012.

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