適用于歷史文化景觀游覽的AR三維注冊技術

李軼

摘 要：隨著智能手機等移動顯示設備的高度普及，AR技術迎來了大規(guī)模發(fā)展的契機。本文通過歷史文化景觀游覽中的主要AR應用分析，提出了相關的三維注冊技術要求，并在對三維注冊技術進行分類研究的基礎上，提煉出更適用于歷史文化景觀游覽的AR系統(tǒng)三維注冊技術和應用場景。

關鍵詞：增強現(xiàn)實;AR;三維注冊技術;歷史文化景觀;數(shù)字化建設

中圖分類號：G202 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0011-03

Analysis of AR 3D Registration Technology Suitable

for Historical and Cultural Landscape Tour

LI Yi

（Library of Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： With the high popularity of mobile display devices such as smartphones， AR technology has ushered in a large-scale development opportunity. Based on the analysis of the main AR applications in historical and cultural landscape tours， this paper proposed related technical requirements for 3D registration， and based on the classification study of the 3D registration technology， extracted the 3D registration technology and application scenarios of AR systems that were more suitable for historical and cultural landscape tours.

Keywords： augmented reality technology;AR;3D registration technology;historical and cultural landscape;digital construction

在歷史文化景觀的游覽過程中嵌入增強現(xiàn)實（以下簡稱“AR”）應用，能夠使數(shù)字文化內(nèi)容實現(xiàn)視覺呈現(xiàn)或擴增，滿足參觀者對屬地的歷史文化認知需求，提升歷史文化景觀及周邊旅游產(chǎn)品的文化附加值，進一步擴大歷史文化的表現(xiàn)、傳播、繼承空間。

AR系統(tǒng)的核心支撐就是三維注冊技術，其通過復雜的儀器設備和精確的底層算法鎖定鏡頭與真實場景的空間對應位置，從而將虛擬圖像等信息精密疊加在顯示端的真實場景上。三維注冊技術的優(yōu)劣直接影響增強現(xiàn)實系統(tǒng)的運行效率和展示效果。

1 歷史文化景觀游覽的主要AR應用和三維注冊技術性能要求

AR最突出的特點是通過以三維注冊技術為代表的計算機信息技術實現(xiàn)虛實結(jié)合的移動端展示，其在歷史文化景觀中的應用主要體現(xiàn)在四個方面。一是文化信息附加，以多維度的展示內(nèi)容來豐富信息傳達的生動性。二是AR導覽，讓游覽者通過AR導覽有更強的現(xiàn)實體驗，對游覽地歷史景觀的概況、文化內(nèi)涵有更為完整、清晰的認知。三是三維復原，既保護了歷史遺跡原貌，又解決了參觀者對于“歷史重現(xiàn)”的需求。四是真實場景再現(xiàn)，通過AR技術將視頻或動畫注冊到真實歷史文化景觀內(nèi)，實現(xiàn)虛實融合，以更加真實直觀的感受觸景生情、寄情于景、情景交融，從而獲得更加深層次的文化互動體驗[1]，引起內(nèi)心深處情感共鳴。

可見，AR系統(tǒng)在歷史文化景觀游覽中更加強調(diào)交互性和實時性，其對歷史文化景觀的識別精準度、虛擬信息的疊加精密度以及交互的實時性都有非常高的要求。因此，三維注冊技術在歷史文化景觀游覽體驗AR系統(tǒng)中的應用應該滿足以下幾個方面要求。一是跟蹤注冊精度。注冊精度是虛擬信息附著于真實場景的準確度和精密度，是AR系統(tǒng)應用于歷史文化景觀游覽的最重要、最基本的要求，如果跟蹤注冊精度不足，對虛實疊加的完成度就會大打折扣，從而降低對目標場景的現(xiàn)實增強。二是實時性。延遲是系統(tǒng)跟蹤注冊時產(chǎn)生誤差的主要原因之一，如果注冊延時將會使得圖像疊加滯后，從而使信息獲取出現(xiàn)偏差，大大降低用戶體驗。三是魯棒性。魯棒性指AR系統(tǒng)在外部環(huán)境改變的同時依然能夠穩(wěn)定地疊加三維物體在目標場景中，不出現(xiàn)抖動或偏差的性能[2]。歷史文化景觀多處于戶外，在游覽過程中，環(huán)境因素尤其不可控，如光線、氣壓、溫濕度、遮擋物變化等，因此三維注冊技術必須具有很高的魯棒性，這樣才具有實操性。四是跟蹤識別范圍。跟蹤識別范圍是指增強設備與目標場景的作用距離等空間廣度范疇，在景觀過程中尤其需要多角度、長距離的識別。所以，AR系統(tǒng)在歷史文化景觀游覽的應用中對注冊技術的跟蹤識別范疇[3]有更高的要求。

2 三維注冊技術的分類

目前，應用于AR系統(tǒng)的三維注冊技術大致可分為基于傳感器、基于視覺和混合應用三類注冊技術。基于傳感器的注冊技術主要利用聲、光、電等各類儀器發(fā)出的波對目標物體或場景進行跟蹤識別[4]，對反饋參數(shù)矩陣進行計算注冊，疊加于真實場景;基于視覺的跟蹤注冊方式主要是識別攝像元件獲取的真實場景圖像中的人工標識或自然特征點，再通過相對復雜的算法計算出目標場景的顯示矩陣，進而對其注冊虛擬信息，進行虛實疊加;混合注冊技術則是將兩種及以上的注冊技術混合應用，即將多種跟蹤技術應用于同一個增強現(xiàn)實系統(tǒng)，相互配合、互為補充，以取得更好的三維注冊效果?；趥鞲衅鞯娜S注冊技術分類及優(yōu)缺點比較如表1所示，基于視覺的三維注冊技術分類及優(yōu)缺點比較如表2所示。結(jié)合三類三維注冊技術特征，設計者可以更加直觀、清晰地提煉出適用于歷史文化景觀的三維注冊技術。

3 適用于歷史文化景觀游覽的AR注冊技術

3.1 基于傳感器的三維注冊技術

基于傳感器的三維注冊技術通過硬件設備獲取真實場景位置、角度等信息，在圖像處理方面相對直接，不需要大量的運算，因此，AR系統(tǒng)運行速度快，效率高，在忽略環(huán)境干擾的情況下，能夠滿足游覽體驗的實時性要求和定位精度。但是，其大多價格相對昂貴、設備復雜，基本為佩戴式頭盔[5]，大體量的設備本身在用戶的游覽過程中帶來不便，成為負擔。再者，大多數(shù)設備需要在場景中率先布置好，并且要排除其他干擾信息，在實際戶外游覽過程中，不可能在景點布置這些設施，不可避免地存在各種環(huán)境干擾。因此，除了注冊技術相對特殊的GPS技術以外[6]，基于傳感器的三維注冊技術并不適用于歷史文化景觀游覽的AR系統(tǒng)中。

GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱，屬于廣義上的基于傳感器定位。GPS通過全球定位衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)用戶實時定位跟蹤，主要基于定位信息進行位置注冊，通過相對簡單的算法實現(xiàn)虛擬信息的真實場景疊加，由于算法簡單，單純利用GPS無法注冊比較復雜的虛擬信息，如歷史古跡復原等。但是，由于其全球定位的優(yōu)越性和智能手機的普遍性，GPS可以廣泛地應用于歷史文化景觀的AR導覽。如果混合注冊技術中有GPS的參與，就能進一步提高定位精度。

3.2 基于視覺的三維注冊技術

基于視覺的三維注冊技術充分利用計算機視覺和圖像處理方面的算法，不需要額外的特殊裝備，跟蹤注冊精度雖然比基于硬件的三維注冊方式要弱一些[7]，但可以通過注冊算法彌補?；谝曈X的跟蹤注冊方式主要可通過手持移動設備實現(xiàn)。近年來，體積小、易于攜帶的智能手機在國內(nèi)幾乎達到全覆蓋。目前，智能手機己集成了GPS和傳感器等功能完善的硬件模塊，而5G的逐步推廣將為增強現(xiàn)實技術的應用提供絕佳的硬件條件。

3.2.1 基于人工標識物的跟蹤注冊技術。顧名思義，基于人工標識物的三維注冊技術是在目標識別物體上添加識別點，一般為矩形或三角形黑白圖案，通過攝像頭識別，利用邊緣捕獲的方法推導出單應性矩陣，進而實現(xiàn)目標識別物的空間定位與快速跟蹤，從而進行虛擬信息的實物注冊?；跇俗R物的三維注冊方式設備相對簡單，但是精準度高、實時性強，因此這種方法在教育、軍事、醫(yī)療和工業(yè)[8]等領域應用較為廣泛。但對于歷史文化景觀來說，遍布人工設計的標識物是不現(xiàn)實的，忽略高昂的成本不說，其還會破壞歷史景觀的整體美觀和文化氛圍，嚴重造成游覽者視覺體驗缺失。因此，基于人工標識物的跟蹤注冊技術在歷史文化景觀游覽中的應用同樣不可行。

3.2.2 基于自然特征點的跟蹤注冊技術。這種基于視覺的跟蹤注冊技術無標識點限制，單純對點、線、面和3D模型等自然圖像特征進行識別跟蹤注冊。其大致的技術線路為：圖像特征提取—特征跟蹤與匹配—單應性矩陣計算—投影矩陣計算—虛擬信息投影。目前，主流的自然特征注冊技術主要有基于3D模型與關鍵幀圖像的注冊方法、基于Harris角點檢測KLT跟蹤的注冊方法、基于SIFT特征點檢測與跟蹤的方法。它克服了基于人工標識物需要依托于黑白矩形標記和僅適用于較小的目標物體的缺點，使得AR系統(tǒng)的實際應用范圍大大擴增。

歷史文化景觀的AR系統(tǒng)開發(fā)涉及更多的戶外環(huán)境，因此要考慮到光照、氣溫、濕度、氣壓和遮擋物等各種自然環(huán)境變化因素?；谧匀惶卣鞯母欁约夹g剛好能夠較好地規(guī)避這些因素的影響，具有較高的魯棒性。通過較為復雜且不斷改進的算法，注冊的精密度也得到了保障，該技術符合歷史文化景觀的AR系統(tǒng)體驗要求。特殊場景下，輔以GPS或基于人工標識物的注冊跟蹤方式將有助于獲得更好的游覽體驗。

4 結(jié)語

5G時代已經(jīng)悄然而至，隨著智能手機等移動終端的高度普及，AR大規(guī)模應用和發(fā)展的契機也已來臨。未來，三維注冊技術的日趨完善將給AR應用帶來更為廣闊的空間，同時使得城市歷史景觀的數(shù)字化建設、展示、保護與文化傳播擁有更多可能。

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