周偉

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為將虛擬影像和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)合成的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)、軍事以及娛樂(lè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于圖書(shū)館檢索導(dǎo)航，通過(guò)把圖書(shū)館庫(kù)存資料通過(guò)導(dǎo)航符號(hào)疊加于圖書(shū)館真實(shí)場(chǎng)景?？梢詭椭殚喺哐杆佾@取圖書(shū)在書(shū)架上的準(zhǔn)確位置。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；三維注冊(cè)；導(dǎo)航；檢索

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或其他信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)信息的“增強(qiáng)”與“拓展”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形、多種傳感器技術(shù)、融合顯示、圖像處理、人工視覺(jué)等多種技術(shù)。以往的圖書(shū)館檢索系統(tǒng)，僅僅標(biāo)示了圖書(shū)的館藏編號(hào)及對(duì)應(yīng)的書(shū)架編號(hào)。如果通過(guò)人工尋找圖書(shū)在書(shū)架上的定位，讀者要找到某一本書(shū)并不容易。隨著移動(dòng)計(jì)算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用越來(lái)越多。這些設(shè)備具有體積小、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)。因此研究這套導(dǎo)航系統(tǒng)，使讀者可以通過(guò)手持式移動(dòng)設(shè)備，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以觀看到的圖書(shū)位置及書(shū)本信息實(shí)時(shí)地疊加于館內(nèi)書(shū)架上。比以往的平面導(dǎo)航方式更為直觀。

1 國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航最早用于航空，如高度，速度，油料等信息參數(shù)被整合到了HUD（抬頭顯示器）上。飛行員通過(guò)前視風(fēng)擋就可以看到各類(lèi)飛行參數(shù)。隨后該技術(shù)向民用領(lǐng)域進(jìn)軍。1995年，M.Uenohara在論文中發(fā)表了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中注冊(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。為了培訓(xùn)學(xué)員學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的研究小組于1996年在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了早期的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。加拿大多倫多大學(xué)的Milgram提出了一個(gè)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的關(guān)系圖譜。我國(guó)浙江大學(xué)CAD國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在三色立體基準(zhǔn)注冊(cè)和高精度視頻目標(biāo)跟蹤算法方面取得了較大的進(jìn)展。華中科技大學(xué)的明德烈等在視覺(jué)注冊(cè)技術(shù)上提出了自己的仿射坐標(biāo)變換法，能夠簡(jiǎn)單而快速地實(shí)現(xiàn)注冊(cè)中的坐標(biāo)變換。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在公共環(huán)境中已進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域。由Nokia開(kāi)發(fā)的MARA是一種城市導(dǎo)游系統(tǒng)，它利用諾基亞6680手機(jī)作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行平臺(tái)，該手機(jī)運(yùn)用加速計(jì)、角度儀以及GPS定位實(shí)現(xiàn)手機(jī)的絕對(duì)姿態(tài)跟蹤定位，并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)接口向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)采用的三維注冊(cè)技術(shù)

三維注冊(cè)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，為的是達(dá)到真實(shí)環(huán)境和虛擬影像的融合。要將虛擬景象與真實(shí)景象進(jìn)行無(wú)縫拼接，產(chǎn)生使現(xiàn)實(shí)世界的元素得到增強(qiáng)的視覺(jué)效果，必須將虛擬物體準(zhǔn)確地融合到現(xiàn)實(shí)世界中的相應(yīng)位置上。目前已經(jīng)擁有多種方法對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行定位與跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)，如視頻檢測(cè)、GPS定位、射頻裝置定位、慣性導(dǎo)航、磁場(chǎng)檢測(cè)等。對(duì)于類(lèi)似圖書(shū)館導(dǎo)航系統(tǒng)，目前常用射頻技術(shù)結(jié)合慣性導(dǎo)航的方法。系統(tǒng)跟蹤需要實(shí)時(shí)地計(jì)算用戶(hù)攝像機(jī)的姿態(tài)，也就是獲得攝像機(jī)坐標(biāo)系與真實(shí)世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。獲得虛擬物體坐標(biāo)系與2D成像平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

本文提出構(gòu)建的圖書(shū)館導(dǎo)覽系統(tǒng)，將在圖書(shū)館內(nèi)均勻布置Wifi射頻裝置，每個(gè)發(fā)射器的有效覆蓋范圍可至一些圖書(shū)存放架。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入場(chǎng)館時(shí)，用戶(hù)移動(dòng)設(shè)備將接收到發(fā)射器發(fā)送的信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)Wifi信息的處理，可以獲取進(jìn)行三維注冊(cè)所需的用戶(hù)空間位置信息。圖書(shū)館導(dǎo)航系統(tǒng)首先存入真實(shí)場(chǎng)景三維位置信息，在此基礎(chǔ)上獲得虛擬物體在真實(shí)場(chǎng)景中的三維注冊(cè)信息。同時(shí)移動(dòng)設(shè)備自帶的慣性裝置和陀螺儀將實(shí)時(shí)跟蹤攝像頭的指向。使用包圍盒算法計(jì)算用戶(hù)與目標(biāo)之間是否有障礙物。障礙物后目標(biāo)與直接可視目標(biāo)所顯示符號(hào)會(huì)有區(qū)別。假如目標(biāo)在攝像機(jī)區(qū)域外則在屏幕邊緣顯示一箭頭符號(hào)提示用戶(hù)轉(zhuǎn)向。

3 虛擬圖形信息生成

本系統(tǒng)所顯示的是抽象的矢量圖形符號(hào)和文字信息。要在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建模要考慮空間準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性和可控性。關(guān)鍵是兩個(gè)方面：設(shè)備自身攝像頭在空間中的定位和跟蹤；虛擬物體在真實(shí)空間中的定位。當(dāng)攝像機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，虛擬物體的注冊(cè)位置也要發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)涉及虛擬物體坐標(biāo)系、真實(shí)場(chǎng)景坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、2D成像平面坐標(biāo)這4個(gè)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。虛擬物體自身?yè)碛刑摂M坐標(biāo)系，用于確定虛擬物體和真實(shí)空間之間的實(shí)時(shí)關(guān)系。其次按照投影關(guān)系將三維空間的形體轉(zhuǎn)化成二維空間的圖形，并顯示在觀察者的顯示器上。系統(tǒng)還能顯示障礙物之后的定點(diǎn)信息。用戶(hù)能看到地板以下或者天花板上方的定位符號(hào)以提供導(dǎo)航。要獲得可靠的拓展信息，必須將虛擬物體準(zhǔn)確地疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，達(dá)到虛實(shí)融合的目的。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)跟蹤手機(jī)在真實(shí)場(chǎng)景中的位置及姿態(tài)，并根據(jù)這些信息計(jì)算出虛擬物體在攝像機(jī)中的坐標(biāo)。過(guò)程中需要考慮多種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)虛擬物體和真實(shí)環(huán)境的“無(wú)縫”對(duì)接。這些坐標(biāo)系分別為“眼坐標(biāo)系”即以人眼為中心建立的坐標(biāo)系、“相機(jī)坐標(biāo)系”是以相機(jī)為中心設(shè)立的坐標(biāo)系、“屏幕坐標(biāo)系”這個(gè)坐標(biāo)系影響著投影到顯示器上的結(jié)果，以及真實(shí)世界坐標(biāo)系。

信息合成要同時(shí)處理真實(shí)和虛擬兩種視頻流，會(huì)帶來(lái)大約十幾毫秒的延遲。真實(shí)和虛擬兩種視頻流無(wú)法同步，會(huì)得到不理想的結(jié)果。而視頻攝像機(jī)所拍攝的圖像幾乎都會(huì)對(duì)景物造成光學(xué)變形，這種變形必須進(jìn)行補(bǔ)償。顯示設(shè)備還會(huì)受到分辨率影響。目前顯示器的分辨率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于眼睛的分辨率。理想的狀態(tài)是攝像機(jī)軸線(xiàn)與用戶(hù)眼睛軸線(xiàn)完美重合；攝像機(jī)視角與用戶(hù)視場(chǎng)相一致。手持式設(shè)備的攝像頭通常位于觀察者自身眼睛較遠(yuǎn)的位置，因此屏幕成像與用戶(hù)實(shí)際觀看環(huán)境有較大的差距。同時(shí)手持設(shè)備還存在用戶(hù)手部無(wú)意識(shí)抖動(dòng)引起跟蹤注冊(cè)準(zhǔn)確性降低的問(wèn)題。對(duì)性能較低的手持設(shè)備每一幀檢測(cè)抖動(dòng)補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，降低注冊(cè)的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)論

本文提出一種用于圖書(shū)館導(dǎo)覽的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，探索該技術(shù)在公共服務(wù)領(lǐng)域的實(shí)用性。其三維注冊(cè)精度為+-0.5米。使用射頻信號(hào)作為注冊(cè)方法，可避免人工視覺(jué)中因?yàn)檎系K物干擾和室內(nèi)光線(xiàn)變化而導(dǎo)致注冊(cè)失敗。其缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)跟蹤每一本書(shū)的真正去向，書(shū)本的定位依據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)為準(zhǔn)。如果圖書(shū)擺放錯(cuò)誤導(dǎo)致圖書(shū)所在與數(shù)據(jù)庫(kù)不符，則導(dǎo)航會(huì)失效。由于射頻信號(hào)的限制使用范圍只限于圖書(shū)館內(nèi)部。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熊友軍，李世其，柳祖國(guó).跟蹤注冊(cè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005（04）.

[2] 陳靖，王涌天，郭俊偉，劉偉.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智能手機(jī)上的應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（z1）.

[3] 曹達(dá).手持設(shè)備上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[4] 石剛，田洪波，馬小虎.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的戶(hù)外導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（03）.

[5] 周雅，閆達(dá)遠(yuǎn).增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)顯示技術(shù)探討[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003.

[6] ASSAD M，ARMICHAEL D J，CUTTING D.AR phone：Accessible augmented reality in the intelligent environment[C].∥Proceedings of OZCHI.Brisbane，Austrilia：[s.n.]，2003：232-237.