增强现实技术在傩文化数字化保护中的应用

刘红霞，吴礼丹

（池州职业技术学院a.信息技术系；b.基础教育部，安徽池州247000）

傩文化是我国第一批非物质文化遗产，是集手口相传、传统技艺、表演艺术于一体的社会民俗。自上世纪80年代以来，在政府、社会的多方努力下，傩文化保护与研究取得一定成果。但傩文化历史文化积淀深厚、蕴藏民族文化基因，不仅要抢救和保护，更要利用科技的新发展促进傩文化重新焕发生命活力[1]。增强现实技术的突飞猛进，为傩文化数字化保护提供支持，增进傩文化保护的效益。

1 傩文化的保护现状与困境

傩文化起源较早，殷商时代就有，曾一度繁荣昌盛；随着现代化进程的加快，傩文化日渐凋亡，现只存在于安徽贵池、江西、湖南和贵州等极少数农村中，傩文化的保护越来越被各界所重视。

傩文化依托人本身而存在，靠言传身教、口授心传代代流传，具有活态性、生态性、传承性、变异性等性质，是一种特殊文化形态[2]；而随着人口大量外流，乡土情结的消解，傩文化正濒临消亡。现有的馆藏、保存记录、组织演出等保护方式操作性不强，效果欠缺，傩文化保护形势十分严峻[3]。聂森认为传统的馆藏保护已无法满足傩文化保护的现实需求，迫切需要找到新的信息技术手段来加大保护力度[4]。王耀希认为数字化智能技术能在傩文化遗产的保护中发挥很好的作用[5]。而现有的数字化保护手段因缺乏相应的背景环境，很难让现代人获得情感认同，缺乏主动继承和发展的内驱力。利用增强现实技术对傩文化进行数字化保护，使傩文化成为共享、可再生的数字信息形态[6]，建立以增强现实技术为基础的综合型傩文化数字化保护框架。

2 利用增强现实技术保护傩文化的优势

增强现实（Augmented Reality，AR）被美国科学家誉为二十一世纪十大关键技术之一。其基本思想是：利用计算机生成的虚拟对象，实时、准确、动态地融合到真实环境中；并根据观察者的位置改变而更新[7]。增强现实的关键技术有：跟踪注册技术、虚实注册、人机交互技术和显示技术；其特点为：虚实结合、实时交互、3D注册[8]。

傩文化的数字化保护关键在于观众与傩之间产生信息互动，增强现实技术与傩文化二者有机结合，提升了傩文化参观的趣味性，增加游客与傩的虚拟互动性，在互动中让人们了解大量的傩文化历史知识，包含神话、传说、傩仪的解释以及每个傩面具的不同及来历等，获得新奇的体验，产生浓厚的兴趣，从而更好地领略到傩文化的魅力和深厚的历史，自觉参与傩文化的保护与传承。

3 基于AR技术的傩文化保护系统设计

傩文化与增强现实技术结合可以使傩这种古老的文化摆脱时间、空间乃至演员等诸多限制，使傩文化以丰富的、现代化的方式体现。开发傩文化保护系统是经常傩文化数字化保护的最有效方法的之一，基于傩文化的特点，进行针对性系统设计是系统实现的关键。

3.1 系统开发环境与关键技术选择

基于AR技术的傩文化数字化保护系统三维模型使用3DS MAX软件建模，系统开发环境为当前广泛应用、性能良好的Unity 3D，增强现实技术采用Unity 3D和高通Vuforia SDK完成。

Unity3D具有分层的开发环境，可视化编辑，属性详细等属性，是当前广泛使用的游戏引擎，支持智能手机等跨平台操作，支持C#等多种脚本语言，支持3D MAX等主流建模软件资源的自动导入，并动态更新。Unity3D是傩文化数字化保护系统开发的首选环境。

VuforiaSDK通过移动终端的显示屏将真实世界的物体与虚拟物体实时融合，实现实时跟踪与注册。它具有识别速度更准确迅速、同时识别多个标识物、鲁棒性好、自适应光照环境、渲染真实等多个优点。

基于增强现实技术的傩文化数字化保护系统关键技术需要以下几个步骤，首先将傩面具、傩庙、傩戏服、角色等相关图片导入3D软件建模、贴图和动画实现，整体导入unity3D环境进行程序开发，在unity3D环境中导入Vuforia SDK封装包，使用C#编写脚本，从而实现单击、双指旋转、缩放，并结合直观的UI操作。系统设计过程要结合不同功能分屏分页展示，自适应不同分辨率。

3.2 AR应用于傩文化保护的技术路线

AR技术在傩文化数字化保护中应用的技术路线主要涉及三个方面：一是基于AR的原始数据库设计。在前期数据整理和数据数字化的基础上，针对傩文化特定内容设计节点，基于傩面具、傩仪、傩戏服、傩庙等物体的自然特征提取基准点，综合运用计算机图形学、计算机视觉，形成傩文化数字化数据库，为AR交互提供模块数据流。二是运用AR关键技术，实现图像关键特征的提取计算、标的物特征匹配，进行ID跟踪注册，实现虚实融合。三是运用AR显示技术，实现在真实的傩文化场景中对傩文化内容的智能交互[9]。具体技术路线如图1所示。

图1 增强现实技术实施技术路线

图像采集是借助摄影摄像设备采集目标图像，经过计算获得图像的关键特征。经过前期的采集预处理，用户移动设备的摄像装置采集到的图像，通过将点阵数据转换为点云数据，降噪去维，实现特征提取、增强与几何重构，生成目标图像。将目标图像与数据库模板图像加以分析匹配，完成图像识别过程（如图2所示）。

跟踪注册是系统实现的关键步骤，增强现实系统注册过程中系统要从当前场景中实时获取观察者位置、摄像机角度及运动情况等数据，并根据当前视觉坐标重新建立世界坐标，将虚拟物体显示在准确的位置，这叫跟踪。通过匹配虚拟场景和真实场景的相互关系，将虚拟信息准确显示在真实场景中的过程即注册；ID跟踪注册将摄像头采集到的实时对象和目标图像进行比对，分析误差，确定虚拟对象在现实场景中的具体位置和角度，实现虚拟物体和现实世界的实时叠加。虚拟物体要准确放到场景中，确保正确的遮挡层次关系和景深关系，实现与周围物体的交互，虚实融合模块，实现层次体现、碰撞检测和渲染。基于物体自然特征的跟踪注册方法具有不需要额外成本、迅速直观等优点，在傩文化保护系统中主要采用基于物体自然特征的注册方法。

增强现实技术不同于虚拟现实技术，用户不需要佩戴其他设备，可以变换角度欣赏，能以自然手势交互，这也是增强现实优势的重要体现。当前增强现实技术的应用于傩文化保护主要是结合智能手机等移动终端，采用客户端/服务器（C/S）模式。而基于手机客户端的工作流程要尽量简单，可视性和可操作性要求高。当用户置身于傩文化的场景中，打开相应手机APP，使用手机内置摄像装置，采集真实场景，触发增强现实技术的傩文化应用模块，并通过计算机网络技术向远程云服务器提交数据，实施特征比对，发出渲染虚拟对象的请求；渲染引擎调用虚拟信息，通过计算、提取，得到虚拟对象并推送至渲染工具窗口，渲染工具完成虚拟对象的渲染显示，虚拟对象与真实场景实时融合，形成增强现实场景（如图3所示）。

应用增强现实技术开展傩文化遗产的数字化保护，既要提升用户体验，又不能操作太复杂，让用户产生畏难情绪。增强现实系统客户端操作要尽量简单、响应及时，而这就需要强大的后台技术支持。服务器端运用云存储服务技术、网络通信技术、跟踪注册技术、虚拟场景绘制与渲染技术、人机交互技术、显示技术等。要实现功能有：采集后目标图像的识别并跟踪、三维注册、虚拟景象与现实的叠加、终端设备实现虚实融合以及人机实时交互等[10]。

图3 基于AR技术的傩文化保护工作流程

4 增强现实技术应用于傩文化的保护路径

基于技术路线和工作流程的分析，利用增强现实技术优化傩文化的保护路径，可以从以下几方面着手：

（1）真实的舞台与虚拟的影像。即在真实的舞台上用虚拟的影像实现虚实结合的效果。在傩舞、傩戏的表演中，人与神灵对话的场面，往往是表演者通过大幅度的肢体动作来实现，观众自行脑补才能形成想象，没有深入的了解和兴趣，很难有共鸣，不利于人们的理解和欣赏。而利用增强现实技术，可以将原本不可见的神灵幽冥、虚拟场景等，通过三维建模及显示技术塑造呈现出来，并根据剧情和观众的需求，自然地实现人机交互，实现虚实互动，达到极具感染力的舞台效果。

（2）虚拟的舞台与虚拟的影像。完全通过信息技术实现傩文化的再现，剔除傩文化表演必须要有真实的舞台这一必要条件。传统意义上，傩舞傩戏均依赖于真实的演员在乡村真实的舞台或者空间进行，从而制约了傩文化的参与性和传播性。而利用三维建模技术、三维动画技术、运动捕捉技术和成像技术，将傩文化表演者制作成动漫角色，就可以摆脱舞台的限制，在任何时间任何地点开展，这将对傩文化的传承产生深远的影响。

（3）及时准确的信息推送。移动注册技术作为增强现实的关键技术，近几年发展迅猛，为信息的准确推送和移动增强提供技术支持。根据移动设备的位置和对准的物体，自动向服务器发出请求，在真实场景叠加相关虚拟对象。同时根据用户对特定物体的停留超过一定时间（例如1分钟），利用增强现实的人机交互技术和3D注册技术，将服务器端关于目标物体的视频、文字、图片等信息实时传送，并准确推送观众感兴趣的傩面具、傩戏服等实物的具体介绍和三维信息，促使欣赏者快速、准确、深入了解傩文化，激发传承和保护傩文化的激情和兴趣。

（4）傩文化数据库的更新完善。傩文化经过近几年政府及民间组织的多方面救护，已经具备一定的数字化资源，但大部分资源仅限于文字和图片，缺乏现代人需求的三维元素和虚拟化。利用现代数字媒体技术，比如3D建模、SDK和Unity 3D等，开发傩文化虚拟演员和虚拟物品，既是对现有傩文化的物品的保护，又丰富了傩文化的表现形式，同时也是增强现实技术中实时显示的重要数据来源。

（5）傩文化与池州旅游融合发展。傩文化作为第一批非物质文化遗产，若与池州的优势资源九华山佛教文化、池州生态旅游文化，大健康产业等相结合，可形成自我良性发展，并成为独具特色的文化想象，增加池州旅游的内涵式建设。结合增强现实技术，打造傩文化广场，傩文化博物馆，融入现代化数字媒体技术，强化傩文化内涵的展示，加深对傩文化的了解，实施产业化发展。

（6）开发傩文化旅游用品。打造微型傩面具、傩戏服、傩剧本等多种文化旅游用品，并将每一样用品都赋予详细的解释和增强现实标记，利用增强现实的移动注册技术，让游客即使脱离傩文化广场、傩文化博物馆和现实表演的舞台，回到平时生活中，只要移动设备对准，依然可以获得这些旅游用品的详细信息和相关傩文化的知识，赋予文化内涵，而不再仅仅是个摆设，随时随地传播傩文化。

5 小结

本文在调查研究的基础上，分析了傩文化的保护现状和发展困境，基于增强现实技术提出了傩文化数字化保护的技术路线、工作流程和保护路径，结合AR关键技术开展图像采集、识别跟踪、三维注册，实现虚实融合；最后得出傩文化数字化保护要与增强现实技术相结合，依托池州本土化优质的旅游资源，深挖傩文化亮点和特色，使傩文化以全新的面貌呈现、记载和传承。