城市形象设计中的增强现实刍议

程亚军+陈平+李成仁

摘 要：城市形象是公众城市自然风貌与特色建筑及其历史文化内涵的整体印象。文章探讨了增强现实（AR）应用于城市形象设计的工作流程，结合黄鹤楼展现增强现实在城市形象设计中的前景与趋势。

关键词：城市形象；增强现实；城市空间；三维注册

城市形象，是一个城市给予公众的综合印象、整体观感以及总体评价，是城市自然风貌特征、城市整体视觉、历史文化的传承和延续所构成的城市特质综合表现。这种城市特质会给公众带来鲜明生动的印象，从而形成对城市形象的强烈认同感。城市形象，依据一座城市的外在实体存在与内在文化底蕴，从城市发展理念、城市规划设计与城市形象设计三个方面予以实践，其中城市形象设计是前两者的形象化、符号化与象征化，包括城市自然景观的形象化，城市建筑标志物的符号化，城市历史文化与精神面貌的象征化。

城市形象设计展示方式，通常有城市模型、城市效果图、三维动画、虚拟现实交互等。其中，城市模型将城市自然风貌的整体或局部按照一定比例缩小，形成实体模型，公众虽然可以体验城市环境空间，但是无法实时感受其文化内涵；城市效果图只能提供平面的、静态的视觉体验；三维动画可以向公众提供动态的视觉展示，但是缺乏实时的交互性；虚拟现象交互虽然实现了实时的交互性，但是模型过于虚拟化，变形失真严重，缺乏实质感。这就意味着，城市形象设计必须提供一个充满实质性的实体存在，让公众在实时探索城市实体的同时，能够实时感知城市的文化内涵。因此，城市形象设计必须要求满足四大特性：动态性、实时性、交互性、实质性。因此，本文从增强现实技术的概念和特征着手，探讨在城市形象设计中引入增强现实技术的优势和方法，并提出了基于增强现实技术，以实现以上四大特性的要求。

一、增强现实的基本概念与特征

20世纪50年代，美国工程师Morton Heilig致力于研制感知模拟器时，探索了现实与显示融合的可能途径。至1990年，为了开发组装整理电路板布线系统，波音公司的工程师Tom Caudell，研制出了头戴式显示系统，增强现实（Augmented Relaity， AR）术语也同时创造出来。随即，增强现实技术被广泛地应用到工业和军事领域。日本工程师Hirokazu Kato创建了ARToolkit开发包，为创建增强现实应用，提供了基本的工具库。进入21世纪，随着计算机视觉技术的迅猛进展，增强现实的可视化开发软件及相关设备的普及，增强现实技术，在众多领域得到了爆炸式增长。

在继承了虚拟现实可感知、可定位、可操作人机交互优势的基础上，增强现实技术减少了环境建模环节，有效提高了交互的效率、实体的可触性和视觉的逼真性。因此，产生一些新的关键技术，包括显示技术、三维注册（配准）技术、虚实光照一致性技术、跟踪注册技术、自然交互技术等。因此，增强现实具有三个显著特点：虚实结合、实时交互和三维注册的。它通过对现实环境的补充，将现实环境中一些不易或不能被感受的因素投射到现实环境之中，增强用户的现实体验和因素感知。

二、城市形象设计的增强现实

（一）城市形象设计中的增强现实历史

20世纪90年代，美国设计师Nielsen与Molich探索将AR引到城市规划与形象设计之中。2003年，Seichter在前人的工作基础上，推出了sketchand+系统，证明了AR在城市设计早期的设计、合作和交流过程的重要作用。次年，Dunston实现了将城市规划图纸投射到现实环境，有效地增加了设计师的设计效率。至2012年，英国伦敦博物馆推出了使用AR的“时光机器”智能手机应用，将城市历史图片和信息叠加到由摄像头获取的实时街景之上，加深了公众对于伦敦历史文化的了解，极大地调动了他们对伦敦形象的认识与认同。

在2013年，唐淑平探索了建造AR数字城市的可能性，其核心思想是利用三维注册技术，应用“点云”无标记地识别目标物体，并在实物上叠加各种提示信息，结合现代云计算、实时同步学习和映射算法进行信息传递，最后通过移动设备下载信息实现数字城市。

（二）城市形象设计中的增强现实

增强现实的基本实现过程如图1：

AR在城市形象设计中的应用，以武汉市黄鹤楼为例。根据黄鹤楼的位置及方位、观看角度，在画面上重现其千百年来的建筑风貌变迁。

1.时代变迁

以每秒百年为单位播放黄鹤楼从三国起始，历经唐宋元明清，直到中华人民共和国成立后特色风貌变化，让公众可以穿越时代，看到黄鹤楼的动态改变。

2.特色简介

利用数据挖掘技术，分析公众的游览习惯，与欣赏角度，为用户提供自动的、实时的、感兴趣的黄鹤楼介绍内容，包括整个建筑独特的民族风格，与之相应的中国传统文化的精神、气质、神韵等，让AR系统更加個性化。

3.分类介绍

分类介绍从简略介绍黄鹤楼楼外的武汉长江大桥与晴川阁等开始；再深入介绍黄鹤楼第一层大厅的正面墙壁，是一幅表现“白云黄鹤”为主题的巨大陶瓷壁画，到二楼大厅正面墙上，有用大理石镌刻的唐代阎伯理撰写的《黄鹤楼记》，至三楼大厅的壁画为唐宋名人的“绣像画”，如崔颢、李白、白居易、陆游等，及其吟咏黄鹤楼的名句，逐层介绍；最后介绍黄鹤楼周围的铸铜黄鹤造型、胜像宝塔、牌坊、轩廊、亭阁等一批辅助建筑。

4.知识问答

利用定位技术，制作实时交互式游戏，引导用户寻找黄鹤楼的建筑特点。例如，题目为“黄鹤楼是何种风格？”，用户可以根据对现实黄鹤楼的参观与了解，回答黄鹤楼的建筑参数、型制等，AR系统并给予适当的回馈，提升用户对黄鹤楼的深入认识，深化其对武汉城市形象的认可度与接受度。

5.相片合成

用户在现场参观黄鹤楼，或观看数百年来的叠加影像时，可以与虚拟的古黄鹤楼合影，利用AR增加用户的交互性，在游玩中学习黄鹤楼历史和各年代相关人物的知识，在浓厚兴趣的基础上，提升武汉城市形象。endprint

基于以上黄鹤楼形象设计，AR系统模块包括两个部分。一是用户交互技术部分。用于存放用户的个人数据以及游览历程，利用数据挖掘技术，找到用户最想获取的信息，通过个性化服务提供给用户。二是特色介绍技术部分。用于存放黄鹤楼的各项数据，包括各个历史时期黄鹤楼图片，黄鹤楼历史记载、建筑特色、艺术文物等，并存放黄鹤楼及其周边建筑的位置坐标，为AR系统提供精准的定位。

（三） AR与城市发展新技术的融合趋势与前景

为了更好地服务于城市发展，AR必须与其它新技术相结合，以提升AR的实用性、可靠性和合作性。

一是与3S技术结合。“3S”技术，即GIS，RS，GPS三者的简称。其中，GIS，即地理信息系统技术，为城市规划与形象设计提供分析、评价和预测服务；RS，即遥感技术，通过对遥感图像的处理，可获得城市土地利用、交通、环境、绿化等分布情况的第一手可靠信息；GPS，即全球定位系统，为城市规划提供精准的定位信息。可以将AR与3S技术相整合，通过现代通讯技术与控制技术，为城市的数据实时更新提供快速方式，为城市规划和形象设计提供数据基础与分析平台，为政府提供城市规划与形象设计必要的支持平台。

二是与建筑信息模型（BIM）相结合。利用BIM中大量静态的且事先定义好的3D建筑信息，与现实世界实体相叠加，为城市形象设计提供项目管理依据，可以充分地表述城市形象演变过程。经典的城市模型，包括城市扩展模型、城市仿真模型、城市多主体模型等。

（四）增强现实在城市形象设计中的优点

与其它方法相较，增强现实在城市形象设计中具有以下优点：

一是AR可以实现从公众自己的视角去，真实地体验城市自然风貌空间和城市建筑实体。公众可以按照自身的意志和意愿，选择城市景观、广场、街道等，来体验城市形象。

二是设计师利用AR，将公众个人对城市风貌空间和城市建筑实体的感知顺序和内在感受，用不同的信息指标表示出来，通过智能移动终端等设备传递给设计师，进而，方便设计师优化与规划未来城市形象。

三是AR可以进行大规模人群实时效果分析。在现实的城市空间中，可以实时对比不同人群对城市景观、广场、街道等不同体验与感受；也可以比较公众人群对城市空间特定局部要素的反应，包括建筑物的形态、人行道的设置、城市雕塑的角度、广场设施的位置等。这样就有利于设计师促进城市形象设计的效率与质量。

四是AR可以为政府辅助决策，促进公众参与到城市形象设计，提供理想的交流平台，真正提高公眾的“城市即我家，我家在城市”主人意识。

（五）AR在城市形象设计中的局限性

AR在城市形象设计中的局限性，主要有两个方面。一是技术方面的局限性。其主要集中在真实场景的获取、注册与识别上。AR对现实物体的获取、注册与识别尚难以满足实时与精度要求。二是认识方面的局限性。其主要集中在设计师与公众对城市这样的复杂巨系统的认识非常表面，没有对城市的深入认识，所进行的城市形象设计只能是肤浅的与无趣的，缺乏认同感。

增强现实作为城市形象设计的重要工具，让公众对城市形象产生强烈的情感共鸣，形成与公众思想上的互动，从而让城市形象实时化、便利化，便是增强现实的意义之所在。

参考文献：

[1]埃德蒙·N·培根.城市形象设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]Park C S. A Framework for Proactive Construction Defect Management using BIM， Augmented Reality and Ontology-based Data Collection Template. Automation in Construction， 2012.

[3]唐淑平.建造AR数字城市的畅想与现实[J].文化月刊，2013，（02）：76-78.endprint