基于增强现实技术的圆明园遗址展示方式研究

李雨静，孟祥彬

（中国农业大学园艺学院）

1 引言

考古遗址公园的概念较为新颖，现阶段关于它的相关研究内容较少，特别是对于考古遗址公园展示方式的研究还处于起步阶段。本文以遗址展示方式为切入点，以圆明园为研究对象，提出一种新的遗址展示技术即增强现实技术。

2 研究背景

2.1 考古遗址公园展示的概念与研究

考古遗址公园兼备考古及游览的多重功能，除了可以为考古工作者提供较为理想的工作场地，也为遗址的展示和保护提供了便捷及可能性。遗址展示是考古遗址公园传达遗址价值与信息的重要手段[1]，目前遗址展示主要集中于实体展示阶段，通过对遗址基质的保护与恢复乃至重建来达到遗址展示的目的。虽这种方法具有较好的直观性，但同时也存在较多的局限性，有些复原工作破坏了周围环境，对于遗址的保护产生了负面的影响。本文提出一种新的展示方式即增强显示技术，运用数字技术对遗址进行虚拟展示，避免对遗址产生物理影响。

2.2 增强现实技术的概念与研究

增强现实是近年来一种新兴的图像处理技术，这种技术可以把原本在真实世界中难以体验到的实体信息，通过算法处理后叠加到真实世界，从而使其被用户所感知[2]。增强现实技术在多个领域均有较为广泛的应用[3]，然而，该技术在遗址展示领域[4]确少有涉猎。本文将增强显示技术应用到圆明园遗址展示中，并对增强现实技术在遗址展示中的实现进行了理论建模。

3 增强现实技术在圆明园遗址展示中的运用

3.1 圆明园现有遗址展示方式

通过历史文献的查阅与现场的调查研究发现，圆明园中不同景点遗址的保存状况与展示方式有很大区别，可以将圆明园遗址的展示方总结为以下几类：

1）保持原状的遗址

这部分遗址未经过清理，保留了被破坏后的原貌。此种遗址展示方式应用于圆明园的大部分区域，以西洋楼景区（见图1a）最为突出。

2）经过清理的遗址

将遗址废墟进行清理，移走废弃的石料，除去杂乱的植物，展示出建筑物残留的基座，山水结构残留的骨架等碎片化的信息。此种方式应用于万方安和、碧桐书院（见图1b）等大部分景点。

3）被保护与隔离的遗址

对于某些较容易被破坏的遗址，将其进行保护与围合，游客在栏杆外边，或玻璃房外（见图1c）来观看遗址空间。

4）在原有基础上经过恢复与重建的遗址

对于经过较少破坏的遗址，利用其原有结构进行恢复重建与改造。此种展示方式应用于圆明园部分景观桥的展示，比如碧阑桥（见图1d）。

5）完全拆除并按照原来样式重建的遗址

对于经过严重破坏的遗址，将原有的遗址完全拆除，并在此基础上进行重建。此种展示方式应用于某些重点景点的展示，比如西洋楼景区的黄花阵景点（见图1e）。

6）与活动场地相结合的遗址

针对形式比较规整的遗址，将其改造成现代休闲活动场地，与休闲座椅和遗址展示牌相结合（见图1f）。

图1 圆明园遗址示例

现圆明园遗址的展示大多采用传统方式，这种方式无法让游客充分了解到遗址的真实状态，且无互动性。增强现实技术作为一种新兴的图像处理技术，在圆明园遗址展示中具有天然优势，既能保存遗址的天然状态，又能充分展示遗址的原有形式，增强与游客的互动性。下面将详细分析三种增强现实显示方式在圆明园遗址展示中的可行性。

3.2 增强现实技术显示方式的选择

增强现实的显示技术可分为三类:手持式显示技术、头戴式显示技术及空间显示技术[5]。本小节将分析三种显示技术在圆明园遗址展示中的可行性，并对手持式显示技术在圆明园遗址展示中实现的理论方案进行介绍。

头戴式显示技术涉及的头戴式设备主要为头盔立体显示器，其包含两个显示屏，分别放于使用者的双眼，通过两个显示屏显示位差图像以展现立体感。然而，在游览过程中，过重的设备会给游客造成多余的负担，减少了观察时的娱乐性、舒适度和自然性。

空间显示技术即在二维屏幕上动态的显示有时差的二维图像，以达到三维显示效果。然而，这种技术需在遗址周围摆设屏幕等设备，会损坏遗址原有的空间结构，并不适用于圆明园这样的应用场景。

手持式显示技术基于移动终端实现，移动设备具有很好的便携性，自带处理单元和显示单元，摄像头可作为图像获取单元，具备进行AR开发的所有必要条件。手持式显示技术在遗址展示中已有较为成熟的应用，如“谢菲尔德庄园建筑遗址复原工作”，这给手持式现实增强技术在圆明园遗址展示中的应用提供了很好的参考意义及理论支撑。

3.3 手持式显示技术在圆明园遗址展示中的实现

基于手持式显示技术的增强现实系统涉及三大关键技术，即目标检测、坐标匹配和图像渲染。

①目标检测即快速地在场景中找到识别目标，从而实现对现实场景的快速理解。目标检测技术通过大量的圆明园遗址实拍数据进行模型训练，生成圆明园遗址检测模型。检测模型在使用时，可自动识别所拍遗址并输出相关信息，包括但不限于二维坐标信息，遗址名称等。

②坐标匹配即利用计算机视觉技术，计算增强内容在真实场景中的实际位置。目标检测模型可输出二维坐标信息，可对检测网络模型进行修改，建立三维坐标位置信息分支，将目标检测和坐标匹配集成，减少系统冗余性。

③图像渲染技术即将三维虚拟图像展示至摄像头拍摄的真实场景中，实现虚拟场景和现实场景的无缝融合增强效果。根据在实施过程中可采用不同的图像处理方法来增强数字图像和遗址环境的融合感，如复原图像边界、移除模糊区域等。

手持式显示技术在圆明园遗址展示中的整体实现方案如图2所示，首先通过手机拍摄遗址，之后检测模型检出遗址主体并输出遗址三维坐标信息，最终，图像渲染技术根据上述信息进行增强渲染并呈现在用户界面。

图2 手持式显示技术在圆明园遗址展示中的实现方案

4 结语

在遗址展示工作中，除了采用以保存与恢复为主的传统方式外，还可采用与其它学科交流融合产生的新颖遗址展示方式，如增强现实技术。本文对增强现实技术在圆明园遗址展示中的实现进行了可行性分析，并给出了理论指导，该方法在其他遗址展示工作中也有较好的推广价值和参考意义。在后续的工作中，笔者计划从增强现实技术中的一个或某几个技术层面出发，在圆明园遗址中进行模拟复现，以探索该技术的适用性与适用方式。