AR增强技术在展示历史遗迹中的设计与实现

何苗 张蕴

摘  要：文章主要研究陕西历史文化遗产遗迹博物馆展品在虚拟展示方面的问题，目的在于加强游客在于参观时的体验及对历史文化的理解。通过以唐大明宫为例进行针对历史遗迹的增强现实项目展示的设计与实现总结出计算机技术在实际项目中的设计规则。通过项目的实现证明研究的设计规则与开发方法是可行的，为面对文化历史遗迹以及博物馆展示项目方面提供一定参考。

关键词：增强现实技术;历史文化遗产;数字虚拟展示;大明宫

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）04-0083-05

Abstract：This paper mainly studies the virtual display of the exhibits in Shaanxi Historical and Cultural Heritage Museum，aiming to enhance the tourists experience and understanding of history and culture. By taking the Daming Palace of Tang Dynasty as an example，this paper summarizes the design rules during the production and development of the augmented reality project display. Practice has proved that the design rules and development methods of this project are feasible. Through the research of this topic，we can form a certain reference for the augmented reality display project of related cultural and historical sites and museum exhibits.

Keywords：AR;historical and cultural heritage;digital virtual display;Daming Palace

0  引  言

陕西历史悠久，自古以来都是帝王建都之地，在西安这片土地上，见证了四大王朝建都，留下了79座帝王陵墓。然而，陕西历史遗迹的大多数展览只能使用传统显示器和死板的橱窗进行沉闷的展示，展品配上单调的文字及图片孤零零地摆放着，展品之间关联较少且游客获取知识非常被动。[1]

使用AR技术的移动设备能够很好地解决以上的诸多问题，只要将这项技术的移动应用程序安装到智能设备，就可以从本地多媒体信息库加载各种文本、音频、视频、照片或3D动画到现实世界，多维度展现信息，因此也打破信息传达不畅、缺乏交互等带来的局限性，使游览变得更有趣，且实现高交互，可以使信息传达更生动，信息接受更深刻，同时也能增强人们对文物的感受，使参观不受时间地点的限制，将文物保护和大众参与最大化。

1  陕西历史遗迹数字化现状

1.1  遗迹现状

陕西地域分布的历史遗迹具有的特点如下：

（1）庞大陵墓群为主。从殷商开始，受到习俗影响的民众之中开始盛行厚葬之风，上到皇家贵族，下到平民都不惜财力地经营丧葬。据统计，陕西共有历代帝王陵墓79座。

（2）不完整的历史遗址。自唐朝后的1 100多年间，受到人为以及自然因素的侵蚀，目前遗留的遗迹，仅有部分经过修缮供人参观[2]。因此，西安的古迹大多残缺不全。

（3）数量庞大。据目前统计，陕西省内不可移动文物49 058处，其中包括古遗址、古墓葬、古建筑等类别[3]。

1.2  数字化技术建设现状

（1）展品孤立。目前各展区文物的展示大多以文物名片信息的简单排列为主，游客对文物的背景及其他人文信息知之甚少[4]。

（2）高科技展示无交互[5]。虽然很多文物的展示使用了高科技方式进行，如全息投影、互动屏幕等，但是展示信息仅仅是实现内容的电子化，与游客互动很少[6]。

（3）体感交互设备维护成本高。现有的交互设备价格昂贵且维护成本高，许多博物馆为了节省开支、保护设备，甚至不开启设备。

因此装载AR技术的移动设备能够很好地解决以上的诸多问题，拥有移动设备的游客都可以通过手机或平板电脑感知AR技术带来的多媒体体验[7]。

2  AR技术在历史文化遗迹展示方面的应用

2.1  AR技术概念及特征

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是将虚拟信息与真实环境相互叠加融合后的场景呈现给体验者的一种新技术[8]。与虚拟现实相反，AR技术并没有将用户与现实隔离开，而是保留了对世界的完全感知[9]。利用AR技术可以将历史文化资源内容向可保存、可交互的数字化内容方向转化，同时叠加到现实场景中[10]。

2.2  研究内容及目的

当今社会数字媒体信息爆炸，大多数人们的娱乐活动都是以数字信息为基础的[11]。将AR技术运用到历史遗迹的展示中，进行虚实融合的整合研究和产业化开发，将使人们对历史文化遗产进行多维度体验成为未来发展的方向[12]。

本文基于校内自然科学类研究项目“AR增强现实技术在文化旅游中的应用与研究”，尝试将AR增强现实技术与陕西历史遗迹的虚拟展示相结合，以大明宫为例构建并总结出AR展示项目的设计原则及设计步驟。

3  大明宫项目AR展示的设计与实现

3.1  设计思路

通过去大明宫多次调研得出：可以制作大明宫的AR识别卡片，通过移动端扫描大明宫AR识别卡片可以看到大明宫相应宫殿的三维模型，加深游客的感官体验[13]。

在AR卡片展示部分，游客可以通过卡片扫描出对应宫殿的三维模型，并能够伴随着音乐和动态文字介绍。音乐和文字的叠加使宫殿的展示更加具有韵味[14]，此外，还可以通过扫描识别进行视频播放[2]。

3.2  AR识别卡片的设计

卡片设计根据景区展示出的复原模型及平面图确定大明宫含元殿的建筑外形，通过历史文献查阅确定其真实造型形态[15]。

AR识别图风格上选用当前流行插画形式，仅仅将宫殿轮廓用简单色块或线条进行提炼，在颜色处理上，主要根据文献资料以及出土文物颜色分析，选取唐代建筑颜色风格——“红墙灰瓦”作为主要的颜色基调[16]。图1所示为含元殿插画形象。

到此，含元殿的AR识别卡制作完毕，将识别卡上传至Vuforia的Target Manager模块中查看识别图星级并根据星标判断识别图等级，星级越高表示识别图容易被识别，低于三星表示识别图不可用。如图2所示，含元殿识别图星标为五星，说明识别度较高，图像中的十字表示识别点。

3.3  AR展示的3D视觉设计

AR识别卡制作完毕后可以通过Unity3D来实现AR系统的搭建。由于主流3D建模软件能够满足Unity3D对于模型的需求，因此可以选用3D Max进行建模，导入Unity3D后三维模型格式为fbx，同时也是建模软件之间通用格式。另外，对于导入Unity3D中的模型来说需要有以下要求：

（1）由于模型等虚拟物需要由AR加载，因此模型面数过多会使加载时间过长，展示生动性减弱，影响用户体验，因此整个场景中出现的模型面数不能超过20万个，单个模型面数不能超过5万个。

（2）模型不能出现五边以上的面以及凹面，否則Unity3D中的模型会破裂。

（3）模型中单面法线要正确且不能出现重复的面，这样做可以防止Unity3D中模型面显示错误。

根据现有资料，首先在3D Max软件中进行含元殿白模搭建，且因为模型需要在手机中运行，因此，建模时尽量减少模型面数并尽量使用贴图来显示模型细节。如图3所示为含元殿整体模型，图4为细节模型白模。

建模完成后制作并导出UV。由于宫殿并非规则立体形状，因此需要沿3D宫殿表面的法线展开成2D平面，便于贴图师进行绘制贴图。模型中每一个面的棋盘格呈规则方形，若正方形有明显拉伸说明UV没有完全展开。建筑类三维模型相对规则，UV展开比较容易，图5为UV展开细节图。

接下来由贴图师为建好的白模贴图，丰富模型的视觉效果。一个模型的贴图素材有很多，我们将展开的UV贴图保存后导入Photoshop进行贴图绘制，图6展示了含元殿贴图素材。

经过上述步骤，含元殿三维模型创建完毕，模型成品如图7所示。将其文件导出fbx格式，后续单向导入Unity3D中进行AR展示制作。

3.4  AR展示系统的实现过程

在增强现实移动展示系统实现方面，我们使用Unity 2018新版本[17]，可以直接通过选择组件环节选择需要的平台支持组件（iOS、Android、UWP）以及主角（Vuforia Augmented Reality Support），然后安装。安装完成后我们创建新的3D项目，通过菜单栏→GameObject→Vuforia可以看到Vuforia的物体预设，在Build Settings和Player Settings可以看到Vuforia的配置属性等。由于必须要在项目中激活Vuforia才可以发布和应用其功能，因此我们继续在Vuforia官网进行操作。

（1）开发人员需要在官网进行注册获取项目密钥并复制保存。

（2）上传之前制作的AR识别卡片并获得识别信息，点进去后获取识别图SDK到本地[18]。

在Unity3D中的菜单项GameObject→Vuforia中将AR-Camera进行添加，并将ImageTarget拖入Hierarchy中。接着将使用3D Max做好的模型导入Unity3D中，并将其同时拖入ARCamera文件夹下。此时可以在场景中看到创建的模型。

将Vuforia官网上导出的识别图SDK导入项目，并通过Hierarchy面板中的ARCamera添加密钥，激活ImageTargrt即可。AR系统的布置基本完成，下面进行Android系统的导出测试，使用Unity3D导出Android的安装包apk并在手机中进行测试。效果如图8所示。

目前展现的效果是通过扫描识别卡片可以展现出含元殿的宫殿，通过左侧滑动轴进行缩放和旋转，实现多角度观看，但是模型的效果欠佳，因此AR展示的效果有限。除了可以通过扫描识别卡片展现宫殿的三维模型，还可以添加视频影音播放来丰富AR展示，同时也实现了扫描后的脱卡展示，能够更加方便游客使用移动设备获取信息[19]。因此需要在Unity3D中通过编码实现，关键代码如下：

using UnityEngine;

using System.Collections;

public class Demo ：MonoBehaviour

{

public MovieTexturemovieDemo;

private void Start（）

{

movieDemo.loop = true;

}

private void OnGUI（）

{

GUI.DrawTexture（new Rect（0， 0， Screen.width， Screen.height）， movieDemo， ScaleMode.StretchToFill）;

if （GUILayout.Button（"PLAY"））

{

if （！movieDemo.isPlaying）

{

movieDemo.Play（）;

}

}

if （GUILayout.Button（"PAUSE"））

{

movieDemo.Pause（）;

}

if （GUILayout.Button（"STOP"））

{

movieDemo.Stop（）;

}

}

}

4  结  论

AR技术可以帮助我们将历史文化遗迹进行可视化传播，随着科技的发展以及越来越多的学者们投入到AR展示技术的研究中，AR展示中关于成像质量以及分辨率等困扰人们的问题会慢慢被攻克[20]。同时利用AR技术与数字技术不仅能够更合理地保护历史文化遗产资源，还能带动文化创意产业，促进社会繁荣以及和谐发展。

参考文献：

[1] 云微，蔡冠华，王泽.AR技术对旅游产业的影响 [J].科技资讯，2018，16（20）：1+3.

[2] 杜凤仪.增强现实在文物展示中的应用研究 [D].成都：电子科技大学，2009.

[3] 国家古迹遗址理事会中国国家委员会.中国文物古跡保护准则 [M].北京：文物出版社，2015.

[4] KOUNAVIS C D，KASIMATI A E，ZAMANI E D. Enhancing the tourism experience through mobile augmented reality：Challenges and prospects [J]. International Journal of Engineering Business Management，2012，4：1-6.

[5] 姜贺天.遗址博物馆陈列设计中的增强现实技术 [D].沈阳：鲁迅美术学院，2015.

[6] 远方.AR技术发展对旅游产业的影响 [J].电子技术与软件工程，2019（3）：57+102.

[7] 王宇虹.AR增强现实技术在旅游体验中的应用探究 [J].科技传播，2018，10（10）：1-2+5.

[8] 郑坤，杨慧.三维景观系统的研究与实现 [J].计算机与数字工程，2003（3）：51-54+50.

[9] 国务院.国务院关于进一步加强文物工作的指导意见 [EB/OL].（2016-03-04）. http：//www.gov.cn/zhengce/content/ 2016-03/08/content_5050721.htm.

[10] 辛卓暄，王璐.混合现实技术在展示空间设计中的应用价值与前景探讨 [J].设计艺术研究，2019，9（4）：81-86.

[11] 姜蓉.展览馆进入E竞争时代 [N].中国经营报，2005-07-04（31）.

[12] 高国源，俞传飞.增强现实技术在建筑可视化中的应用初探 [C]//2018年全国建筑院系建筑数字技术教学与研究学术研讨会.数字技术·建筑全生命周期——2018年全国建筑院系建筑数字技术教学与研究学术研讨会论文集.西安：中国建筑工业出版社，2018：294-299.

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[14] 杨义新.遗址博物馆建筑设计研究 [D].重庆：重庆大学，2011.

[15] 孔凯.增强现实技术在陕西历史遗迹虚拟展示中的应用研究 [D].西安：西安理工大学，2018.

[16] 徐聪艺，杨超英.大明宫国家遗址公园：中轴广场与遗址博物馆设计 [J].建筑创作，2012（1）：104-115.

[17] 李殷.基于增强现实技术的“武汉旅游”APP设计研究 [D].湖北：湖北工业大学，2018.

[18] 梁晓彤.大明宫历史情景复原结合虚拟现实技术展示研究 [D].西安：西安理工大学，2018.

[19] 杜竹君.基于AR技术的档案展览探究 [J].北京档案，2018（1）：30-31.

[20] 潘胜滔，王海花，林杰，等.增强现实技术在配网运维中的研究与应用 [J].数字技术与应用，2019，37（5）：57-58.

作者简介：何苗（1983-），女，汉族，陕西西安人，讲师，工程硕士，主要研究方向：移动互联网应用软件开发、计算机应用技术;张蕴（1984-），女，汉族，陕西西安人，讲师，博士，主要研究方向：计算机应用技术、人工智能。