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增强现实技术在文化遗产数字化保护中的应用
2015年10月20日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:师国伟,王涌天,刘越,郑伟
    单位:北京理工大学光电工程系
          中国空间技术研究院

    摘要:文化遗产数字化保护是文化遗产保护发展的一个趋势。“背景环境中的古迹遗址—城镇风貌和自然景观变化下的文化遗产保护”是当前文化遗产保护的新课题。应用增强现实技术能够充体现这一新主题。通过分析文化遗产保护的现状与存在矛盾,引入并介绍了增强现实技术概念、特点,指出它在遗产数字化保护上所具有的优越性。最后以其在国内外历史古迹现场数字化重建中的成功应用为例,进一步说明了增强现实技术在文化遗产数字化保护上具有极大作用。

    引言

    古老的文明、悠久的历史造就了中华民族特有的文化,它们以物质的或非物质的形式存在于壮丽秀美的山河和广大民众之中,代代传承、生生不息。随着现代文明高速发展,文化传承模式由口头、文字模式逐步向数码模式转变。面向文化遗产传承与保护的数字化技术,越来越受到人们的关注,文化遗产数字化传承保护方式也逐渐被社会大众所接受。在新的形势下,历史文化遗产保护的理念,已被延伸到人们的日常环境和生活中。“背景环境中的古迹遗址——城镇风貌和自然景观变化下的文化遗产保护”已成为世界各国文化遗产保护界的共识。如何利用数字技术保护与展陈环境中的历史,是目前科学工作者和文化遗产保护专家们所面临的新课题。增强现实(augmented reality, AR)技术是在虚拟现实(virtual reality, VR)上发展起来的一种信息技术,它可以将虚拟物体融合到现实环境中,并能支持用户与其进行交互。据此将 AR 技术应用于文化遗产数字化保护上,将为城镇风貌和自然景观变化下的文化遗产保护提供一种新的技术手段和实现途径。

    本文从当前文化遗产保护现状和存在的问题出发,阐明了在文化遗产保护数字化进程中,应用增强现实技术不仅可以弥补现有遗产数字化保护手段的缺憾,而且能很好的体现当前文化遗产保护的主题。通过介绍增强现实技术概念,及其在文化遗产保护上的特点,以及增强现实在数字化文化遗产保护上的具体应用例证,证明了 AR 技术在文化遗产数字化保护应用上具有的较强优势和较大的潜力。

    1   文化遗产保护现状与存在矛盾

    1.1  文化遗产保护现状

    文化遗产代表着我们祖先曾经创造的灿烂文化。然而由于历史的变迁和人类活动的影响,不少珍贵的文化遗产因岁月侵蚀、人为破坏等原因,而濒临危险。随着社会经济的发展,文化遗产保护越来越受到各国政府和学术界的广泛关注,现代文化遗产保护纳入了遗产周边环境以及环境对文化遗产的重要性。周边环境不仅是指单纯的实体和视角含义上的环境,它还包括与自然环境之间的相互关系,非物质文化遗产形成、存在的环境空间以及活跃发展的文化、社会、经济氛围。2005 年西安召开的第 15 届国际古迹遗址理事会(ICOMOS)以“背景环境中的古迹遗址——城镇风貌和自然景观变化下的文化遗产保护”为主题,发表了《西安宣言》,强调周边环境是体现文化遗产真实性的一部分,周边环境对文化遗产的重要性已成为世界的共识[1,2]。

    文化遗产数字化保护是一种新的方法和途径。采用数字摄影、三维信息获取、虚拟现实、多媒体与网络等信息技术把与文化遗产相关的文字、图像、声音、视频及三维数据信息数字化,可以永久性地保存和使公众最大限度地、公平地享有文化遗产。正是基于此目的,联合国教科文组织(UNESCO)早从1992年就开始“世界的记忆”(“Memory of the World”)项目,在世界范围内推动文化遗产数字化。此后,世界各国的文化遗产数字化进程不断发展。我国从 1996 年启动了国家数字图书馆工程,开始了文化资源的数字化进程。目前物质文化遗产领域的数字化研究已经进入了一个良性的轨道,非物质文化遗产领域的数字化工作也开始启动。

    “十一五”期间,我国已将文化遗产数字化纳入国家“863”计划和国家科技支撑计划。其中《文化遗产保护关键技术研究》、《大遗址保护关键技术研究与开发》、《网络文化安全与民族文化数字化关键技术研究与示范》等项目列入国家科技支撑计划,重点解决我国文化遗产保护领域的关键技术、共性技术和公益技术问题[3]。

    1.2  文化遗产保护工作中存在的矛盾

    尽管现在对文化遗产保护的认识不断加深、保护力度逐渐加大、保护进程逐步加快,但是在新的形势下文化遗产保护和利用仍面临着各种新的问题、存在新的矛盾,主要表现如下:

    (1)城乡建设规划与文化遗产保护之间的矛盾;

    (2)传统博物馆展出方式与现代观众欣赏需求提高之间的矛盾;

    (3)有限的资金投入与大规模文化遗产亟待抢救保护之间的矛盾;

    (4)遗产所在地居民贫困的生活与从事遗产保护难以从中受益之间的矛盾;

    (5)遗产的脆弱性与旅游事业的快速发展以及社会对文化遗产的迫切需求之间的矛盾

    (6)一些文物保护特殊技术要求与现代技术手段落后之间的矛盾等。

    尽管用于遗产保护的数字化技术在很大程度上缓解了文化遗产保护存在的上述矛盾,但现有的基于VR、多媒体、数据库等计算机和网络技术的文化遗产数字化保护技术,采取的是与遗产周围真实背景环境相分离的方式。用户可以通过网络和图文资料浏览,或者浸没于虚拟的场景之中对遗产古迹进行欣赏,用户所处环境与真实的地理环境相分离,用户不能直接在原址上切身感受文化遗产特有的氛围。这是目前数字化遗产保护上的一个缺憾之处。从VR基础上发展起来的AR技术,把虚拟物体有机地融合到真实的环境中去,能够弥补现有数字化保护上的缺憾,是文化遗产数字化保护的一种新方法。

    2   基于 AR 技术文化遗产数字化保护

    2.1  增强现实简介

    增强现实虚拟现实的一个重要分支,也是近年来一个研究热点。增强现实就是将计算机生成的增强信息有机、实时、动态地叠加到观察者所看到的真实环境当中,并且当观察者在现实环境中移动时,增强信息也随之发生相应的变化,增强信息如同存在于现实环境中一样。R. T. Azuma 把增强现实的特点总结为:虚实结合、实时交互、3D 注册[4]。

    传统 VR 技术致力于使用户完全沉浸于将计算机生成虚拟世界中,需要对环境精准建模,工作量巨大。而 AR 技术省掉了对环境建模,其基本思想是:在现实世界的中融合计算机生成的虚拟对象的 3D 模型,并使虚拟与真实图像成为一个有机的整体,增强了用户对现实世界的感知和理解,其基本原理如图 1 所示。


图1   增强现实系统工作原理图

    图中摄像机拍摄一幅真实场景的图像,定位和定姿设备可以同步获取摄像机的位置和姿态,然后计算机根据这些信息,对虚拟的水塔进行投影变换,使之以恰当的方式融入到真实环境的图像之中,这样使圆明园遗址上已不复存在的西洋水塔得以重现。经过渲染,虚实图像可以很好地融合,而且当摄像机运动时,虚拟对象可以同步跟踪真实环境,实时注册。

    2.2  增强现实系统基本组成[5]
  
    增强现实系统的基本组成结构如图 2 所示。它主要由:(1真实场景的获取、(2)虚拟对象注册信息的获取、(3)虚拟对象数据库、(4)3D 图像的变换与渲染、(5)图像的虚实融合、(6)显示设备等组成。


图 2   增强现实系统的基本组成结构

    系统首先获取真实的环境图像,然后计算虚拟物体在实场景中的位置和姿态等注册信息。计算机根据这些注册信息,对虚拟对象进行坐标变换和渲染,再把它们与真实的场景图像叠加,实现虚实融合。最后,通过显示设备将虚实结合的增强图像信息提供给用户。

    2.3  增强现实系统的关键技术

    在增强现实系统中,主要是将虚拟物体与用户周围的真实世界全方位对准,并实时显示。因此,注册(虚实对准)、显示是增强现实系统的关键技术[6-8]。

    注册技术是增强现实系统关键技术之一。增强现实的注册就是将计算机生成的虚拟物体和实际环境中景象“对齐”的过程。通过正确的注册,虚拟物体和真实环境很好的融合。

    目前采用的注册方法主要包括基于跟踪设备的注册定位、基于计算机视觉的注册定位、基于视觉和跟踪设备的混合注册定位等。基于计算机视觉的注册技术目前处于主导地位,包括有标志点和无标志点的跟踪注册。无标志点的跟踪注册算法较复杂,仍处于研究阶段,虽取得了一些进展,但用于户外的 AR 系统尚未达到实用水平[9,10]。

    显示技术也是增强现实关键技术之一,展现完美的“虚实融合”是增强现实技术的核心,显示技术是实现这一核心的关键。经过虚实融合之后的合成图像需要通过显示设备呈现给用户,常用的显示设备包括手持个人数字助理(PDA)、头盔显示器(HMD)等不同形式。在数字圆明园增强现实系统中,采用定点镜筒式[11]、PDA 式和头盔[12]式三种不同的融合显示方法。

    2.4 AR 技术应用于文化遗产数字化保护所具有的优势和特点

    (1)  虚实融合

    应用数字化技术把已经消失的、不存在的古迹遗址重出来,通过 AR 技术的 3D 注册,重建的古迹遗址融合到其曾经存在的实际环境中,显示设备实时呈现给用户。这是AR 技术体现环境中历史的最直接表达。

    (2)  实时交互

    利用 AR 技术把珍贵、濒危文物的 3D 数字化模型融合到实际中展出,使用者可以通过特殊的交互设备从各个角度去观察和欣赏,而把真实的文物放到更加严密的环境中保存起来。这样既解决了传统展出手段的不足,满足了游客欣赏需要,又利用文物保护。

    另外,一些文物古迹如石窟、壁画等对其周围环境比较敏感,但是它们一方面要满足游客需要,另一方面它们对大量游客参观所造成的周围环境温湿度、酸碱度、光照的改变十分脆弱,AR 系统显示设备的特殊光学系统,既可以拉开游客和文物之间的距离,同时又不影响游客的兴趣。

    (3)  正、负向增强

    把 AR 技术对真实环境的增强,分类为正、负向增强模式。增强现实的信息既可以是“增强”——正向增强模式,即用这些虚拟事物对现实进行补充、说明和扩张;也可以是“消隐”——负向增强模式,即采用与环境协调材质遮掩现实中已有的事物,使感觉不到真实环境中某些真实事物的存在,这对于减少原址周边已有的现代化建筑对历史文化氛围的影响有积极的效果。目前的增强现实研究中一般都集中于正向增强模式,进行负向增强模式的研究还很少。

    利用AR技术两种增强模式可以对遗产所在地域的景观规划、文物修复重建,提供可行性分析和预先的论证。同时可以展现由于城市化进程、气候环境等变化过程中文化遗产的演变。

    (4)  原地保护

    AR 技术是一种遗产的原地保护模式。增强现实的这一特点对田野文物、民间遗产、古村落保护有较大作用。有限的文化遗产保护资金难以顾及到全部的亟待保护的文化遗产,象田野文物、民间遗产、古村落这些遗产的保护大多依靠当地民众。而在一些经济不发达地区,一方面是拥有丰富的文化遗产,一方面是当地居民贫穷的生活状况。开发廉价的 AR系统,应用于到这些遗产的保护上,不仅可以提高这些遗产的可观赏性和研究性,挖掘旅游资源促进当地的经济发展,而且也可以间接的提高当地居民遗产保护积极性和自觉性,符合遗产保护中“从更广泛的层面鼓励各类群体参与文物保护并使之从中受益[1]”的要求。同时很大程度上可以杜绝因生活贫困而破坏倒卖文物的行为。这种保护方法既能体现《西安宣言》的精神实质,符合未来的数字化文化遗产保护趋势,又能对文物界工作者和当地人民可以形成双赢格局,使历史文化保护工作和谐发展。

    (5)  多元增强

    AR 技术的增强除了在视觉通道上给人真假难分、虚实莫辨的感觉以外,在声音、触觉、甚至味觉上也可以达到这样的效果。遍布于民间的一些古老医疗手段、手工艺、民俗文化、民歌曲艺等属于极其珍贵的非物资文化遗产,增强现实的多种感觉增强对它们的保护具有很大意义。

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标签:增强现实AR文化文物
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