傳承創新語境下基于非遺文化的增強現實產品要素研究

張麗嬋,楊欣怡,江翁百,陳佳,王紫怡,王淑瑤,陳美琪,施妍

(杭州電子科技大學數字媒體與藝術設計學院，浙江杭州 310000)

增強現實技術是一種將真實世界與虛擬信息如圖像、視頻、三維模型與人類感知進行結合并產生實時交互，從而增強人的現實感官體驗的技術。由于數字和網絡技術的發展逐步改變了人們獲取知識的途徑，AR 技術能將人們難以感知的內容信息實時疊加在現實中，使文物跨時空共享，形成一種全新的交互模式。

隨著時代發展， 文化遺產的數字化保護也逐漸成為當今文化遺產保護發展的一個趨勢， 如北京理工大學開發的通過對可穿戴式增強現實系統的研究， 完成了對圓明園景觀的現場數字重建；《純凈之地： 敦煌莫高窟》展覽中，觀眾通過提供的iPad 實時查看珍貴壁畫和雕塑的細節。現有的一些國內外的相關研究工作已經表明， 基于AR 技術對文化遺產的數字化保護和利用有顯著效果。

但目前大多數文化體驗AR 系統是基于限定場所的指定設備開發的， 這類系統的缺點是缺乏移動性和便捷性，限制用戶的使用范圍，在文化傳播的效果上也不及移動設備的傳播范圍廣。因此該研究以設計案例為載體，設計的同時進行要素分析。研究采用Unity3D引擎及Easy AR 開發包， 以我國世界文化遺產西湖為例，實現一款移動端增強現實系統的開發。為了既滿足用戶欣賞需要，又促進人們對歷史文化的交流與傳播，該項目通過對用戶進行需求分析來設計相應內容，增加應用的趣味性及互動性， 使西湖的文化景點受到更好的保護與共享。

1 總體設計

首先通過需求分析確定所需功能， 在構建了系統基本框架后，通過AR 技術特點進行內容設計，并歸納整理了一般文化遺產移動增強現實系統在需求分析、內容設計等環節需要考慮的問題。

1.1 需求分析

西湖AR 系統主要是針對景區游客進行的開發，增強現實技術可以幫助人們更好地理解文化遺產蘊含的社會價值， 也使在完全不干擾遺產的前提下對文化信息進行展示和互動成了可能。

而隨著當下移動終端設備的迅速發展， 人們越來越傾向于使用輕量、便捷的移動設備，因此該文是研究基于移動端的應用； 此外為了實現智慧城市、 智慧旅游，我們將識別對象設計為景點明信片及印章，使其具有一定的收藏價值和紀念意義； 并且應用的內容將展示多元化的數字媒體信息，如文字介紹、視頻圖片、三維模型、動畫、交互媒體等，充分發揮數字化平臺對文化展示與傳播的優勢。

1.2 系統框架

西湖增強現實系統的運行步驟（見圖1），進入增強現實系統后，首先將調用移動終端的攝像頭，此時顯示設備一直顯示攝像頭抓取到的畫面； 其次當攝像頭檢測到目標識別圖時，就會對識別圖進行跟蹤定位，并從數據庫中調取對應的虛擬信息， 將其渲染到顯示設備上，疊加在真實世界中；最后用戶可以通過移動設備對虛擬信息進行即時交互操作。

圖1 增強現實系統的運行步驟

根據以上流程，描繪出AR 系統的大致框架。系統運行的每個步驟都會用到不同的技術， 根據不同的功能可以劃分為四個模塊（見圖2）。

（1）傳感器模塊：攝像頭用來捕捉真實世界的場景，GPS 和IMU 可以實時定位用戶的相對位置和移動狀態。

（2）場景理解模塊：對攝像頭捕捉的場景進行圖像處理后， 通過算法分析查找標識點與識別圖匹配的場景，若成功，則進入第三個模塊。

（3）三維感知模塊：即利用SLAM（即時定位與地圖構建）技術，在設備移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時對移動的坐標系進行三維重建，使得虛擬信息穩定顯示在識別對象上。

（4）虛實融合模塊：通過GPU 渲染將虛擬信息疊加到真實世界中，監聽用戶的觸控操作。

圖2 增強現實系統框架

1.3 內容設計

該項目選取的西湖景點主要考慮幾個方面。

景點的知名度，也是游客最可能參觀游玩的景點，通過寓教于樂的形式幫助用戶在游玩過程中了解景點文化背景知識， 如用戶可以掃描靈隱寺的識別圖觀看“靈隱正門為何常年不開”的視頻動畫。

景點元素的多樣性， 要根據每個景點的特征設計不同的內容，以此提升內容的觀賞性和娛樂性，如“南屏晚鐘”有響徹云霄的悠揚鐘聲，“六和塔”有精巧絕倫的“七明六暗”，可以從不同角度來突出景點的特色。

在內容制作上，要堅持以“傳承歷史，突出文化”為中心，保證內容的真實性和完整性，重要的支撐材料和素材需要來自權威機構或實地考察， 同時也要兼顧趣味性和新穎性。實際上，雖然增強現實技術在文化遺產的展示中有諸多優點， 但展示內容和交互模式等要素都影響著用戶使用意愿，因此要同樣加以重視。

2 實現技術

基于以上功能需求設計并對比了目前主流的增強現實開發工具， 該研究選取了Unity3D 引擎作為主要實現工具， 利用Easy AR 增強現實引擎來實現西湖增強現實系統（見圖3）。

Target 數據庫： 在EasyAR 官網上注冊并獲取License Key，就可以在Unity3D 中指定所要識別的Target（識別對象），一般為設計的平面圖像、立體模型或二維碼等，將這類識別對象整合成為一個Target 數據庫。

媒體信息數據庫： 利用多種軟件工具設計制作的相關媒體素材，包括文字圖片、視頻動畫、三維模型等，將這類素材整合成為一個媒體信息數據庫。

圖3 實現具體技術及開發流程

EasyAR SDK： 利用這款AR 引擎來實現多目標識別與跟蹤、本地目標識別、二維碼識別、SLAM 等功能，可以用它來識別并展示2D、3D 物體及透明視頻等媒體內容。

Unity3D 平臺： 整個開發過程是基于U3D 平臺進行處理的，可以在U3D 中使用C#、Javascript 語言編寫交互腳本， 在實現所需功能后， 將應用打包集成到Xcode 進行調試，最終發布到對應平臺。

3 結語

從效果展示上看， 現有的AR 技術已經能實現大部分的功能需求， 我們應該更注重提升應用本身內容的吸引力和傳播價值。作為一款移動端的增強現實應用平臺， 該案例表明了AR 技術在文化遺產的展示和保護中具有實際應用價值。從用戶角度出發，在旅游中時常覺得景點玩法太單調， 旅游體驗跟心理預期嚴重不符， 很大程度上是因為游客們不了解世界文化遺產背后的意義；從市場角度來看，目前針對世界文化遺產開發的應用平臺較少，而隨著AR 技術的發展，其在文化傳播和遺產數字化保護領域內具有巨大的發展潛力。為了向公眾更好地展示文化遺產的內涵，體現其教育價值， 也讓更多的人能夠熱愛并有意識地保護我國的文化遺產，我們宜抓緊時機，為保護世界歷史文化遺產，傳承人類文明做出積極的貢獻。