摘 要：設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的災(zāi)害和事故救援系統(tǒng)，利用智能移動(dòng)設(shè)備和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)信息并與虛擬圖像進(jìn)行融合的完整體系。根據(jù)不同的災(zāi)害種類，采用針對(duì)性的跟蹤和注冊(cè)算法，分別進(jìn)行了地理定位、標(biāo)識(shí)物識(shí)別和基于自然特征圖像識(shí)別的研究，為救援人員節(jié)省了大量寶貴時(shí)間，便于營救工作快速高效的開展。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；災(zāi)難救援；跟蹤注冊(cè)；三維配準(zhǔn)；PTAM

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

自古以來中國一直都是自然災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)的國家，火災(zāi)、地震、洪水等災(zāi)難不斷發(fā)生。現(xiàn)代不但自然災(zāi)害有增無減，生產(chǎn)生活方面的各種人為事故也頻頻發(fā)生，每年全國都有大量的人員因各種自然災(zāi)害和事故而失去生命。災(zāi)害和事故發(fā)生后，救援工作的組織和開展速度越快，被困人員的救出率也就越高，但受種種因素的限制救援無法快速而高效的開展。

（1）災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)的營救人員視野受限，難獲得準(zhǔn)確的環(huán)境圖像信息。如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的濃煙阻礙了消防員的視線，難以找到快捷的營救通路，耽誤了寶貴的救援時(shí)間。

（2）惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可能使得救援人員也受到傷害。如爆炸現(xiàn)場(chǎng)的殘存易爆品可能會(huì)導(dǎo)致二次爆炸，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的建筑物坍塌都加大了救援工作的危險(xiǎn)性，延緩了救援速度。

（3）現(xiàn)場(chǎng)待救人員的位置信息難以被精準(zhǔn)定位。如地震中生命探測(cè)儀等工具探測(cè)到的生命體范圍過于模糊，無法精準(zhǔn)定位，增加了挖掘的難度和工作量，延遲了救援時(shí)機(jī)。

針對(duì)上述問題，本文提出利用移動(dòng)設(shè)備和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行信息共享，在真實(shí)視野中疊加顯示地圖、人員位置等實(shí)時(shí)虛擬圖像，有助于救援隊(duì)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，展開快速救援。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（System design）

2.1 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是VR的重要分支。通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景等信息疊加融合到真實(shí)場(chǎng)景中，增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的“增強(qiáng)”，起到提示輔助的作用。在Paul Milgram提出的現(xiàn)實(shí)—虛擬連續(xù)統(tǒng)中規(guī)定，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR和虛擬現(xiàn)實(shí)VR同屬虛實(shí)融合，但AR更接近真實(shí)世界[1]。有別于VR技術(shù)，AR不隔離真實(shí)環(huán)境，而是在保證用戶對(duì)周圍環(huán)境感官不變的基礎(chǔ)上，在實(shí)景上動(dòng)態(tài)地疊加相應(yīng)的文字或圖形，真實(shí)和虛擬共同存在，相互補(bǔ)充增強(qiáng)[2]。

AR技術(shù)作為極富創(chuàng)造力的新型人機(jī)接口，在工業(yè)、醫(yī)療、教育和軍事等方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但在災(zāi)害應(yīng)急處理方面的應(yīng)用卻寥寥無幾，原因是傳統(tǒng)的AR技術(shù)要進(jìn)行精準(zhǔn)的物體追蹤和三維注冊(cè)，需要計(jì)算機(jī)對(duì)攝像頭捕捉的實(shí)景圖像實(shí)時(shí)處理，計(jì)算定位并進(jìn)行高仿真渲染，強(qiáng)調(diào)虛實(shí)的高度融合，這在條件惡劣的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)中難以實(shí)現(xiàn)[3]。采用移動(dòng)AR技術(shù)，將攝像頭捕捉的圖像與移動(dòng)設(shè)備的GPS定位相結(jié)合，降低了配準(zhǔn)的難度和對(duì)硬件的要求，而且顯示的虛擬信息以引導(dǎo)信息為主，不進(jìn)行高仿真渲染，利用智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備即可完成配準(zhǔn)和顯示工作[4]。移動(dòng)設(shè)備的小巧便攜，以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)收到災(zāi)害環(huán)境的影響相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更小，使得移動(dòng)AR 技術(shù)可以在輔助救援發(fā)揮重要作用。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)計(jì)思路

基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的災(zāi)害事故救援系統(tǒng)由信息輸入和融合顯示兩大模塊組成。

信息輸入模塊獲取三部分信息：攝像頭捕捉的真實(shí)場(chǎng)景、GPS和方向傳感器提供的位置朝向、外部獲取的道路線路或樓層結(jié)構(gòu)等地圖。真實(shí)場(chǎng)景和方位信息實(shí)時(shí)更新。

融合顯示模塊根據(jù)輸入信息實(shí)時(shí)計(jì)算待救人員和救援隊(duì)之間的相對(duì)位置標(biāo)注顯示在地圖中，并根據(jù)場(chǎng)景和地圖分析在救援人員的真實(shí)視野中標(biāo)注重要提示信息。

（2）虛擬輔助信息

信息輸入模塊中獲取的虛擬圖像對(duì)救援至關(guān)重要，通常由以下部分組成：

基本地圖：戶外救援需要衛(wèi)星地圖顯示詳細(xì)的地貌、障礙物及前進(jìn)線路；室內(nèi)營救則需要顯示樓內(nèi)結(jié)構(gòu)圖，標(biāo)注逃生口、危險(xiǎn)區(qū)、特殊設(shè)備等重要位置。

人員定位：由手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的GPS提供的救援隊(duì)和待救人員的位置信息。

其他重要信息：如現(xiàn)場(chǎng)溫度、風(fēng)力風(fēng)向等，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或后援遠(yuǎn)程標(biāo)注獲得。

（3）硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件主要由以下部件組成：頭盔顯示器或智能眼鏡、攝像頭、手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備、后援系統(tǒng)、各類傳感器（地磁傳感器、加速度傳感器、溫度感知器等）。

3 跟蹤注冊(cè)和配準(zhǔn)（Tracking and registration）

注冊(cè)和配準(zhǔn)是整個(gè)救援系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)不同災(zāi)害和救援場(chǎng)所綜合采用多種跟蹤注冊(cè)方式。戶外救援采用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的GPS獲得救援雙方的緯經(jīng)度、高度等地理位置，通過地磁傳感器取得朝向，加速度傳感器獲得傾斜度，將這些信息綜合后準(zhǔn)確定位顯示在衛(wèi)星地圖上。室內(nèi)援救無法借助衛(wèi)星，只能用預(yù)存或下載的樓層結(jié)構(gòu)圖，或通過對(duì)攝像頭的實(shí)時(shí)畫面檢測(cè)分析，使用模式識(shí)別、邊緣檢測(cè)等技術(shù)識(shí)別標(biāo)識(shí)和基準(zhǔn)物，進(jìn)行注冊(cè)配準(zhǔn)[5]。

基于視覺的注冊(cè)方法有很多，國內(nèi)采用最多的是基于標(biāo)識(shí)和artoolkit開發(fā)包的方法，重點(diǎn)在獲取標(biāo)志物的投影矩陣，矩陣變換后采用閾值分割從背景中提取標(biāo)識(shí)方位[6]。該方法簡(jiǎn)單高效，但依賴于特定的標(biāo)識(shí)或警示符號(hào)，在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景識(shí)別中較難采用。

基于自然特征的跟蹤注冊(cè)方法PTAM在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜紛亂的環(huán)境中對(duì)物體和空間的識(shí)別效果良好。算法采用單鏡頭識(shí)別圖像捕捉特征點(diǎn)，自動(dòng)鎖定采集圖像中的邊和角，可識(shí)別出上千個(gè)特征點(diǎn)，這些點(diǎn)隨著攝像頭動(dòng)態(tài)刪減，根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行平面檢測(cè)，并在平面上建立虛擬3D坐標(biāo)并合成圖像[7]。PTAM的點(diǎn)計(jì)算量極大，為提高運(yùn)行速率，采用并行處理方式進(jìn)行立體平面的檢測(cè)和圖像合成。其中的目標(biāo)追蹤線程用于計(jì)算相機(jī)的位置和朝向并尋找特征點(diǎn)，因?yàn)橐苿?dòng)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，該線程必須盡可能保持魯棒性[8]。

PTAM對(duì)物體的檢測(cè)識(shí)別效果很好，但對(duì)攝像頭分辨率和 CPU性能要求都較高，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行效果良好，但對(duì)移動(dòng)設(shè)備而言計(jì)算負(fù)擔(dān)偏大，移動(dòng)設(shè)備的小屏幕、弱計(jì)算能力和電池量都限制了PTAM的運(yùn)行。在帶寬足夠時(shí)，采用移動(dòng)云計(jì)算將是個(gè)很好的解決方法。

4 結(jié)論（Conclusion）

AR技術(shù)是繼VR之后又一研究熱點(diǎn)，隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和智能移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，AR的研究應(yīng)用逐漸從計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)向移動(dòng)平臺(tái)。借助于移動(dòng)AR技術(shù)，用戶不再隨身攜帶笨重的計(jì)算機(jī)顯示器，集攝像頭、GPS、傳感器于一體的移動(dòng)設(shè)備極大拓展了AR技術(shù)的實(shí)用性。本文設(shè)計(jì)的災(zāi)害救援系統(tǒng)就是基于移動(dòng)AR技術(shù)的很好的應(yīng)用實(shí)例。系統(tǒng)通過對(duì)環(huán)境的檢測(cè)識(shí)別自動(dòng)定位人員、補(bǔ)充增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，為救援人員提供最便捷的信息輔助。系統(tǒng)在實(shí)用中還受到不少因素制約，存在著不足，如何更快速高效的輔助救援工作是繼續(xù)研究的方向。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

賴蘋華（1984-），女，博士在讀，講師.研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)挖掘，模式識(shí)別，圖像處理.