增强现实技术与标准化

增强现实技术与标准化（精选10篇）

增强现实技术与标准化 篇1

1 引言

增强现实 (Augmented Reality, AR) 是一种利用计算机产生的信息对用户所看到的真实环境进行增强的技术。通过增强现实系统, 可以将计算机生成的信息 (包括文字、图像、三维物体等) 以视觉融合的方式添加到真实场景中, 在用户眼前呈现出“增强”的世界。因此增强现实从字面上来说就是对现实的增强, 而不是对真实环境的取代。图1示出了增强现实的概念, 虚拟的恐龙与周围的真实环境完美地融为一体。在理想情况下, 用户无法辨别出哪个是虚拟物体, 哪个是真实物体, 看到的是一个完整的场景。

得益于计算机技术的发展, 增强现实技术得到了广泛的研究和应用, 成为了计算机视觉等领域的研究热点。增强现实技术借助光电显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体, 使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。因此, 增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。

2 增强现实技术的研究进展

2.1 基于标识的增强现实系统

早期的增强现实系统主要为户内的基于人工标志的系统。这种系统通过识别图像中的人工标志来跟踪摄像机的姿态, 具备标识识别率高、携带性强、系统实时性强等优点。在基于人工标志的增强现实场景中, 标识应满足如下要求:能被摄像机清晰地采集到, 易于识别以及辨认, 形状规则, 以简单图形为佳。由于正方形提供了同平面的四个角点, 而且形状简单, 容易识别, 仅利用单一的标识便可在场景中对摄像机进行标定。因此大多数AR标识均采用正方形作为基准标识。目前, 常用的AR标志有四种:ARTool Kit、HOM (Hoffman marker system) 、SCR (Siemens Corporate Research) 、IGD (Institute Graphics Datenverarbeitung) 。这些AR标识都是以正方形作为基础样式。计算机通过识别图像中的标识, 跟踪摄像机的姿态, 将虚拟的小人添加到真实的场景中。图2即基于人工标识的增强现实。

2.2 基于自然特征的增强现实系统

基于标识的跟踪注册技术由于需要在实际环境中事先放置AR标记, 因此在户外以及一些涉及大范围场景的AR应用中假如使用基于标识的跟踪方法, 那么需要在场景中放置大量的标记, 每次系统应用起来则会显得很不方便。在这种情况下, 基于自然特征点的跟踪注册技术则显得游刃有余。一般而言, 基于自然特征的跟踪注册技术是利用真实环境中的一些自然特征为AR系统的跟踪参考物, 比如:角点、直线或者曲线等。为了获取摄像机在真实世界中的位置与朝向, 通过对自然特征进行提取与特征匹配, 来实现虚拟对象的注册。

图3为无标增强现实系统的示意图, 在图像中没有人工标志, 计算机通过识别图像中的自然特征来跟踪摄像机的姿态从而将虚拟物体叠加到真实场景中。

这种方法适用于户外AR应用, 但是该技术计算量较大, 真实场景中物体的识别以及基准点的提取难度较大, 精度较低, 因此实时性相对比较低。

2.3 移动增强现实系统

近年来, 研究人员对于移动AR系统的开发产生浓厚的兴趣, 尤其是随着智能手机的出现, 手机的计算能力以及手机摄像头分辨率的提高使得手机AR成为当前增强现实领域的研究热点。移动增强现实系统应时时跟踪手机在真实场景中的位置及姿态, 并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标, 实现虚拟物体画面与真实场景画面精准匹配。2009年, 奥地利的Graz University of Technology提出一种从一副手机内置摄像头获取的图片来定位手机使用者的6自由度姿态的方法。系统分为两部分:离线数据获取和在线定位。在离线部分, 使用PVS (Potentially Visible Sets) 技术存储和管理全局地理信息, 为在手机端进行的在线定位部分提供数据, 从而确定手机内置摄像机的姿态。

牛津大学研究人员将PTAM (Parallel Tracking and Mapping) 系统移植到手机上。此系统完全脱离了PC机和大型的工作站, 可以在i Phone手机上独立对未知环境进行实时地增强。图4为手机AR浏览器图示。

与虚拟现实相比, 增强现实的应用更加广泛, 更安全, 在停电和故障等情况下, 仍可以保证用户的安全, 同时增强现实系统使用户在看到虚拟物体的同时仍然可以看到真实的场景, 所以自20世纪90年代开始, 许多研究人员把时间和精力投入到增强现实的研究当中, 并取得了一系列研究成果。在国际上从事增强现实技术研究的大学或商业研究机构有:北卡罗莱纳大学、南加利福尼亚大学、麻省理工学院等。中国目前增强现实的研究主要集中在高等院校, 成熟的商业软件还比较少, 增强现实的应用有限, 这方面的研究有待进一步加强。

3 增强现实的核心技术

增强现实系统的核心技术主要有:显示技术、跟踪定位技术、交互技术。目前阻碍增强现实系统得以广泛应用的技术难点主要有两个方面, 一方面是增强现实的显示技术, 另一方面则为增强现实的三维环境注册技术。

3.1 增强现实的显示技术

视觉通道是人类与外部环境之间最重要的信息接口, 人类从外界所获得的信息有近80%是通过眼睛得到的。因此增强现实系统中的显示技术就显得尤为重要, 是整个增强现实系统的关键问题之一。增强现实系统的显示设备主要有三种:

(1) 传统的显示方法——屏幕显示

增强现实显示终端既可以是头盔显示器, 也可以是传统的屏幕—显示器或投影屏幕。传统的显示器或屏幕的浸没感不强, 主要用于低端或多用户的增强现实系统中。

(2) 定点观察显示设备——双眼全方位监视器

双眼全方位监视器BOOM (Binocular Omn Orientation Monitor) , 也称为头部耦合器或支架显示器, 是一种具有实时交互观测功能的立体显示设备。

这种显示器克服了其他许多立体显示设备的缺陷, 具有很小的延迟和极低的噪音, 不受电磁场和超声波背景噪声的影响, 但它最显著的缺点是由于使用了机电式方位跟踪器, 支撑架使用户的活动范围受到严重限制, 便携性差, 而且支撑架的中心存在死区。

(3) 透视式头盔显示器

头盔显示器最先是专门为增强现实用户提供浸没感的立体显示设备, 它由显示部件、光学镜头和头盔壳体这三个主要部分构成。为了产生逼真的立体感, 显示部件一般采用两块显示屏, 分别显示计算机输出的、具有代表双眼视差的左右眼图像。

因为头盔显示器的体积应尽量小, 所以显示屏与观察者眼睛的距离很小, 一般只有几十厘米。为了使眼睛能够看清楚如此近的显示图像且不易产生疲劳感, 就需要有专门的光学镜头把显示屏的图像成像在观察者能看清的距离处, 并且能够放大屏幕图像使其覆盖尽可能大的视场, 使虚拟环境中的物体看起来的尺寸和真实尺寸差不多。这种类型的透镜是1989年首次推出的, 通常被称为LEEP镜片。

此外, Micro Vision公司还有一种虚拟网膜显示器, 可以将图像直接显示在视网膜上。这种视网膜显示器内部有一个激光器, 将数字图像的各个像素以激光脉冲形式依次输出, 微机电反射镜按照激光脉冲所代表的像素在数字图像中的位置依次将其反射到光学图像合成器中的相应位置透镜上, 最后通过透镜将光线反射到视网膜上。这种显示器的优点是高亮度、低能耗, 并且可以获得大的景深。

目前, 大多数的AR系统采用透视式头盔显示器实现虚拟环境与真实环境的融合。透视式头盔显示器由三个基本环节构成:虚拟环境显示通道、真实环境显示通道、图像融合及显示通道。其中虚拟环境的显示原理与浸没式头盔显示器基本相同, 图像融合与显示通道是与用户的最终接口, 基本取决于真实环境的表现方式。因此根据真实环境的表现方式划分, 目前主要有视频透视式头盔显示器和光学透视式头盔显示器两种形式。

增强现实技术与标准化 篇2

随着国民经济和信息科技的持续快速发展，信息管理系统(IMS，InformationManagementSystem)已逐渐成为现代企业管理中必不可少的工具。尤其对于大型企业而言，信息管理系统的普及程度直接影响着企业决策水平和各项工作的完成效率。因此，信息管理系统对企业高效运行和长期发展起着至关重要的作用。当前，大部分企业已在逐步推进信息管理系统的开发和其在工作中的应用，但很多还是以通用计算机为平台的管理软件的开发和应用。近年来，我国信息化建设进入一个全新的发展时期，以云计算、大数据、可穿戴移动设备等为代表的现代信息通信技术，不断推动新兴技术与传统业务的深度融合，开始引领新一轮信息化发展潮流。新兴信息技术和设备具有较强的共享性和移动性，可以帮助企业解决管理中的很多问题。产品检验是指通过相关工具和仪器仪表对各种原材料、半成品、成品进行特定的检验，以确定其是否满足相应的技术标准、规格的过程。检验是产品研制和生产工作中的一个重要环节，是保证输出产品满足要求必不可少的一个环节。长期以来，企业产品检验工作通过不断挖掘管理和技术潜力，在很大程度上保证了产品质量的稳定性。但随着产品数量的增多和制造技术的日趋复杂，以人力资源投入为主的传统检验模式在检验效率和结果科学性方面早已无法满足需求，而传统信息管理系统因其可视化和便捷性程度低限制了信息化手段的普及速度。因此，我们有必要采取高新技术手段，研究高效智能工具，构建应用便捷、数据贯通、业务融合、全过程管控的产品检验现场支撑应用，形成强大的现场支持能力，全面提升检验工作的规范性和高效性，大力推动企业管理工作向信息化、智能化转变。增强现实技术作为一种近年新兴的技术，具有可视化程度强、方便快捷、成本和研发门槛低、应用范围广等显著特点，非常值得我们探索其在企业产品管理中的应用。

二、增强现实技术的应用现状

(一)增强现实技术概述

增强现实技术(AugmentedReality，简称AR)是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)，通过计算机等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官感知，从而达到超越现实的感官体验。增强现实技术将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。它包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，提供了在一般情况下不同于人类可以感知的信息。增强现实技术本质上是数字媒体和真实世界之间的交互，它把现实变成一个巨大的电脑屏幕，提供了便携的计算机运算效果，是一种新颖、亲密、自然、虚实结合的人机交互方式，被认为是未来最好的人机交互界面。

(二)增强现实技术应用现状

增强现实技术应用主要包括企业级应用和消费级应用两部分。企业级应用有智能安防及军事、智能医疗、智能制造、汽车安全等。消费级别应用有教育培训、立体营销、互动娱乐、智慧的旅游等。谷歌公司发布了一款名为“谷歌眼镜”的增强现实眼镜，它具有和智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照、视频通话和辨明方向，以及上网冲浪、处理文字信息和电子邮件。以色列陆军C2SystemDepartment向微软购置两部AR眼镜HoloLens，用来帮助军队训练战术。富士通公司将增强现实技术应用于自身的设备点检，工作人员可在作业现场快速调取作业数据，实时录入各类信息，查询历史库存水平。我国某科研机构曾推出了一款“设备操作智能眼镜“，在触发指导程序后，可在实际场景中呈现包含视频、语音、文字、图片等多种形式的指导信息。根据摩尔定律以及现有制造工艺的.发展情况来看，预计，稳定支持AR计算、续航等能力的硬件设备将基本达标。同时，随着作为增强现实技术底层实现的人工智能技术亦将取得重大进展。增强现实技术必将迎来发展和应用的爆发期。

三、产品检验管理对信息化手段的需求分析

(一)产品检验管理现状及存在问题

产品检验是保证产品质量、规范产品生产的重要手段。根据规定，检验主体根据合同及产品技术文件等对产品进行检验。若发现产品质量与有关要求不一致时，检验主体把相关信息反馈给生产部门等单位，协助有关部门及时总结并解决问题，从而有效降低产品再次不合格的概率。随着企业产品工艺技术水平的不断提高，生产设备和检测试验设备更新速度加快。产品的研发生产逐步向数控化、智能化、柔性化转变，生产效率提高很快。相应的，产品检验工作突出面临以下问题：一是大量的检测输出数据由人工纸质记录，保存检索不便，查询统计、历史分析复杂烦琐，效率低下;二是检验现场由人工判定各项指标是否符合产品标准，检验项及检验标准庞杂繁复，体量巨大，极易漏查或出错;三是缺乏系统性的管理工具对检验管理过程中的工作进行体系化记录、控制、分析、评价;四是市场上存在的信息管理系统普遍存在便捷性差、实时指导性弱和可视化程度低等问题，这在很大程度上制约了信息化管理手段在实际工作中的应用效率和普及程度。

(二)产品检验管理对信息化手段的需求分析

一是数据融合，检验信息实时呈现。应用智能眼镜的图形识别、智能感知等技术，快速识别产品，将产品图号、基础参数、生产部门、检验项目、检验标准等信息有效融合，动态呈现检验清单，建设作业现场支撑服务能力。二是规范业务流程，统一检验过程。应用智能眼镜的实时监控、视频穿透、远程支持等方式实现检验现场的远程督导、检验过程的多方式记录及跟踪。有需要时可申请远程协助，指挥工作人员统一完成各类检验工作的管理和监控，实现检验资源的申请和调配，同时规范现场检验流程，提高检验的规范性和效率。

四、基于增强现实技术的产品检验信息化管理应用建设

(一)总体思路

采用智能感知交互、可穿戴智能设备等科技前沿技术，以业务数据平台为支撑，有效融合检验项目、产品图号、技术参数、检验标准、生产部门等信息，延伸管理触角，创新管理模式，全面辅助、监控产品检验全过程，提升现场作业的可视化、标准化及程序化水平，提高产品检验规范程度，使产品检验更高效、产品质量更可靠。

(二)整体框架

基于增强现实技术的检验管理应用总体框架分为三部分，即智能全息AR眼镜产品检验辅助应用、产品检验工作辅助管理平台和系统后台配置。智能全息AR眼镜产品检验辅助应用是使用全息AR眼镜辅助现场人员开展产品检验工作，集成了检验过程跟踪、检验现场辅助、远程督导等功能。产品检验工作辅助管理平台是全息AR眼镜实现产品现场检验的后端支撑，接入检验项目、产品图号、技术参数、检验标准、生产部门等数据为AR眼镜提供数据输入，汇集整理AR系统收集的现场信息生成规范格式的输出数据，同时提供月报生成、历史数据分析等功能。系统后台配置实现对上层应用的技术支持，提供初始化设置、数据传输、语音解析、在线打印等功能。

五、建设内容

(一)智能全息AR眼镜产品检验辅助应用

1.检验现场辅助。检验人员佩戴AR眼镜开展检验。检验开始前，在AR眼镜屏幕上列出本次检验的工作预览和总体步骤;检验开始后，检验人员通过AR眼镜识别具体产品，与后台系统实时交互，读取产品图号信息、技术参数、检验步骤、检验标准及风险说明，并在AR眼镜屏幕上动态呈现。检验人员可通过手势、语音等方式控制AR眼镜，采用视频、拍照、语音记录等手段记录现场状况和检验过程。遇到疑难问题时，检验人员可控制AR眼镜显示产品详细业务数据及历史问题清单，或申请远程协助，通过AR眼镜的视频穿透功能将现场情况直接呈现至远程专家处，全面提高产品检验的标准化、流程化和智能化水平。2.检验数据回传。检验过程中，检验状态及检验画面实时传输至检验工作辅助管理平台，管理人员对产品检验作业现场开展实时跟踪、统一调度、专业协助、远程督导。检验完成后，AR眼镜自动生成单个产品的检验结果及过程数据，检验人员审核确认后数据回传至检验工作辅助管理平台。

(二)产品检验工作辅助管理平台

产品检验工作辅助管理平台为全息智能AR眼镜提供数据支撑，对全息智能AR眼镜回传的数据进行整理应用和提取加工。1.标准管理。梳理拆解产品检验管理规定，按照产品大类、产品类型、检验流程、检验项目、检验规范等要素构建检验标准库，实现产品检验标准作业全流程固化，并定期更新。辅助平台按照产品类型将产品检验标准库与产品自动绑定，生成单个产品的标准检验清单。2.过程管理。收集管理产品检验全过程的工作计划、责任部门、业务环节、参与人员、现场检验过程数据等信息，建立以业务全过程为主线的产品检验工作架构。3.检验管理。将单个产品的现场检验工作定义为活动，基于活动开展检验管理。活动包括产品类型、合同信息、生产部门、产品图号等信息，按照产品类型将活动与检验清单关联匹配，生成现场检验工作清单，支持工作人员佩戴AR眼镜辅助开展现场产品检验。活动状态包括编辑、待执行、待上传、待确认、完成五种。待执行状态的活动可下载至AR眼镜开展现场执行，执行完成后活动状态修改为待上传，从AR眼镜回传辅助管理平台后活动状态修改为待确认，用户结束数据确认后活动状态修改为完成。AR眼镜连接辅助管理平台后，自动识别并下载待执行状态的活动。用户佩戴AR眼镜开展现场作业，AR眼镜按照现场检验工作清单识别装备，筛选检验要求，将检验标准、检验项目等实时呈现在用户眼前，协助现场检验工作的开展。检验人员通过语音或手势交互，控制语音、摄录、拍照等功能，采集检验过程信息，记录问题数据。活动执行完毕后，将AR眼镜连接至辅助管理平台，数据自动识别并回传。4.问题管理。问题管理是对产品检验过程中记录的问题进行集中处理，完成问题汇总、数据转换、清单生成等工作。活动回传至辅助管理平台后，平台首先自动调用语音解析功能将现场录音转换为文本格式，然后以活动为单位汇总整理问题描述、图片信息和摄录信息，形成活动问题记录。检验人员对问题记录有新增、修改、删除等权限。活动确认完成后，问题记录按照规范格式自动生成可下载或打印的清单。

(三)系统后台配置

系统后台配置通过服务接口为辅助应用和辅助平台提供初始化设置、数据传输、语音解析、在线打印等底层功能。语音解析在语音通用SDK基础上开发，以减少技术难度，扩展应用场景。

六、基于增强现实技术的产品检验信息化管理应用落地支撑措施研究

(一)数据中心建设

开展产品检验全业务数据中心的设计建设，构建应用落地数据基础。

(二)通信网络建设

研究满足内外网安全防护要求的海量信息(含视频)互通互联技术，搭建信息安全、数据贯通的基础通信网络，为应用落地提供网络保障。

(三)业务团队建设

做好业务功能顶层设计和统一试点验证，建设具有较高水平的信息化应用业务骨干团队，实现应用落地的人才储备。

七、基于增强现实技术的产品检验信息化管理应用落地问题研究

(一)增强现实技术瓶颈有待突破

增强现实系统主要具有三项技术要素，即虚实结合、实时交互和三维注册(又称匹配或对准)。经过几十年的发展，增强现实技术虽取得了长足发展，技术实现的重心和难点已经变化，但上述三个要素仍然不可或缺。以AR眼镜为例，技术实现涉及头部姿态跟踪、三维注册、显示设备、人机交互、系统评估等，但目前各项技术均缺乏统一的技术标准，大部分硬件及解决方案仍处于开发阶段，更自然的交互依赖于人工智能技术的成熟。这些技术瓶颈限制了增强现实技术在企业产品检验信息化管理中的实际应用。

(二)缺少成熟的国内软硬件厂商

当前增强现实产业链具有技术驱动型特点，人工智能、计算机视觉、硬件实现等核心底层技术制约产业发展。微软、谷歌、苹果、三星、HTC、索尼、英特尔、高通等厂商纷纷在AR领域投入巨资，布局未来发展。国内大量企业也布局AR行业，BAT等大公司也开始推出各类AR开放平台，以AR升级社交、支付、购物、出行。但目前大多数国内AR公司制作软件(app)或基础平台，且均处于起步阶段，缺少成熟的硬件制造厂商，安全保密性较差，军工产品等领域应用受到极大限制。八、结语本文对增强现实技术在产品检验信息化管理中的应用研究，是积极响应国家战略要求、创新企业管理手段的新技术应用探索，目的是提前开展知识及技术储备，为今后的推广应用打下坚实基础。增强现实技术已展现出广阔的应用前景和巨大的发展潜力。随着市场竞争的日益激烈，增强现实技术必将为产品的现场测试、问题跟踪、分析评估等一系列检验管理活动提供一体化的全新操作环境，极大地提高产品检验的科学性和效率。但是，怎样使用好AR设备、选取好软件开发平台并且找到该技术服务于产品质量管理领域的最佳方式，这需要我们做更加深入的探索研究。

参考文献：

[1]余艳红.增强现实技术的研究现状及发展趋势[J].湖南大众传媒职业技术学院学报，(1)：55-57.

[2]吴帆，张亮.增强现实技术发展及应用综述[J].电脑知识与技术：学术交流，(12)：8319-8325.

[3]陈玉文.增强现实技术及其在军事装备和模拟训练中的应用研究[J].系统仿真学报，(S1)：258-262.

增强现实技术与标准化 篇3

这是专为虚拟现实行业量身订做的展览会，参展范围为四部分，虚拟现实硬件设备及配件、虚拟现实系统、虚拟现实技术、虚拟现实软件，并邀请来自谷歌、华为、HTC、3glasses、暴风魔镜、大朋、映墨、超级队长、掌网科技、携创科技等企业及高校教育、医疗、房地产、家装、影视、旅游、培训、工业仿真、游戏、投资等企业出席。下面我们就一起来看看有哪些吸引眼球的产品。

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增强现实技术与标准化 篇4

增强现实AR(augmented reality),是指将计算机生成的虚拟信息融入到真实世界当中,使两者达到有机融合,从而给用户带来更好的沉浸感、体验感。目前,增强现实技术主要应用于数字出版、数字营销、设计仿真、科教研究等方面。移动导览中增强现实技术的应用也成为了一个新的研究热点。

近年来,随着基于位置的服务LBS(location based service)技术越来越成熟,室内定位与导航的运用也给人们的生活、工作带来了很大的便利,但却存在着精度有限、可视性差、人机交互能力低等问题。然而,在新一代移动终端上,基于LBS的增强现实应用却能够为用户提供认知周围环境的功能,帮助用户以全新的视觉感知周围环境,体验传统数字地图导航不能提供的互动感受。本文将Wi Fi室内定位技术和移动增强现实技术相结合,并最终在Android平台上设计了一个基于Wi Fi定位的增强现实室内实时定位导航系统。

1 关键技术概述

1.1 Wi Fi定位技术

Wi Fi技术是目前生活中运用范围最为广泛的一种无线网络通信技术。从部署成本、定位精度、传输速度等方面综合考虑,Wi Fi定位技术在室内定位中具有一定的优势。三角定位法和指纹定位法是目前Wi Fi定位中最常用的两种算法。其中,三角定位法是根据移动终端到至少三个已知参考点之间的距离,利用几何知识计算出目标位置。指纹定位法,须预先训练采集室内不同位置的网格信号特征,并形成指纹库。当用户需要定位时,再将接收到的信号与指纹库中各数据项进行对比,最终计算得出用户位置。

1.2 跟踪注册技术

跟踪注册技术是增强现实系统中的核心技术,其指的是实时地确定摄像机坐标系与真实场景中的标识物坐标系两者之间的关系,并将虚拟物体融入到真实场景对应的位置上。目前,基于传感器的跟踪注册方法和基于视觉的跟踪注册方法是AR技术中最主要的两种跟踪注册方法。而目前应用较多的是基于视觉的跟踪注册方法。其中,基于视觉的跟踪注册方法又可以分为基于标识物的跟踪注册方法和基于自然特征的跟踪注册方法两大类。

1.3 Android AR技术

目前,Android操作系统在智能手机、平板电脑等移动设备上得到了广泛的运用。该系统是一种基于Linux的开放源代码操作系统,其系统架构采用了分层架构的形式,从底层到高层分别是Linux内核层、系统运行库层、应用程序框架层和应用程序层。Android开发四大组件分别是活动、服务、广播接收器和内容提供商。

在Android平台上开发AR应用,需要使用Open GL对虚拟场景进行渲染。Open GL是一个跨平台、跨编程语言的计算机3D图形编程标准规范。应用程序配置好3D图形后,可以转换成Open GL顶点数组,然后经过变换、光照处理、生成原生指令,以及光栅化后,最终产生2D图像。

2 系统总体架构分析

2.1 系统总体设计

本文在Android平台上设计并实现了一个基于Wi Fi定位的增强现实室内导航系统。该系统通过摄像头进行实时拍摄,并对视频流图像进行实事分析。同时通过无线AP和电子罗盘检测手机位置和方向信息,再根据实景图像分析结果和计算出的手机位置、方向信息,将虚拟物体叠加显示在视频画面中,最终实现真实环境中的虚拟定位和导航效果。该系统逻辑构架如图1所示。

2.2 系统功能模块分析

根据系统架构图,可将系统分为以下几个模块,如图2所示。

(1)视频采集模块:实时采集室内环境,形成真实场景帧图像。

(2)定位模块:在室内部署无线AP后,采用指纹定位算法进行定位。首先对室内环境进行训练,建立位置指纹识别数据库,定位时将终端接收到的各AP的信号强度与指纹库中的各数据项进行匹配,从而估计用户位置。利用电子罗盘确定用户方位。

(3)特征检测模块:判断当前所捕获的视频图像与参考室内图像是否为同一室内环境,提取图像中的特征点,试图从中寻找出这两幅图像中映射关系。最后将这两幅图像中对应的特征点关联起来。

(4)跟踪注册模块:获取特征点的三维坐标,建立参考坐标系,计算移动智能终端相对于室内环境物体的位置姿态,根据特定环境实时生成虚拟定位信息和导航信息。

(5)虚实叠加模块:将智能终端所拍摄的室内环境视频流图像与生成的虚拟导航信息进行实时融合,形成增强现实图像。最终在终端屏幕中显示出来,使用户体验到真实室内场景与虚拟信息相融合的感官效果。

3 系统搭建与实现

3.1 开发环境

本系统以ARTool Kit软件开发包为基础,结合Android平台进行开发。开发前需要搭建Android开发环境,安装Android SDK、ADT、JDK和Eclipse。其中,Android SDK为我们提供了创建和运行Android应用程序的集合,ADT是安卓开发工具插件,能够在Eclipse开发工具里开发Android程序。

3.2 主要模块设计

(1)Wi Fi定位模块

采用指纹定位算法确定手机位置信息。定位过程主要分为如下两个阶段:

第一,训练阶段,目的在于建立一个特定室内环境的位置指纹识别数据库。首先,根据定位精度的要求,合理划分环境网格,并确定各AP的合适部署位置,尽量确保每个AP信号能够辐射到所有网格点。然后,分别测量所有网格位置各AP的RSSI值,并将每一位网格位置所对应的AP MAC地址和位置信息存储到数据库中,存储形式为[RSSI1,RSSI2,…,RSSI6,Position]。考虑到室内环境的复杂性,无线信号强度可能不稳定,因此在每个网格点上多次测量后取平均。

第二,定位阶段,用于估计用户位置。建立室内环境指纹数据库后,采用最近邻法(K-NN)将待测点上检测到的各AP的RSSI值与数据库中已存储的记录进行比较和匹配,再计算出位置估计值。具体的位置估计方法如下:

假设某待测点所接收的各AP的RSSI值为rssi=[rssi1,rssi2,…,rssin],指纹数据库中的已存储的记录为RSSIi=[RSSI1,RSSI2,…,RSSINi],其中n表示待测点上检测到的不同的AP数量;Nr为数据库中的记录数,i∈[1,Nr],Ni表示第i条记录中存储的不同AP数,则K-NN算法可以表示成如下形式:

其中,‖rssi-RSSIi‖表示rssi和RSSIi之间的欧式距离。通过此匹配算法找出数据库中对应的记录,从而确定移动终端的位置。

(2)特征检测模块

在移动AR系统中,必须考虑到光照不变性、放射不变性、投影不变性,以及系统交互的实时性,而FAST算法和SURF算法能够分别满足这些要求。基于这一点,提出将FAST与SURF相结合,并优化检测算法,从而满足AR系统的需求。

首先,根据FAST中的角点响应函数,计算出检测点圆周上满足响应函数的像素点个数N,若N>12,则将该检测点加入候选特征点集中。

式中,在以像素点p为中心的圆周上,I(x)表示该圆周上任意一像素点的灰度值,I(p)表示中心像素点p的图像灰度值,εd表示给定的一个极小阈值。

然后,再进一步过滤掉斜边缘上的点,如果在该圆周上存在任意6个像素点以上满足过滤公式,则将该中心点作为角点,过滤公式为:

其中,εd代表对图像检测角点的最小对比度,实验表明,εd一般取10,比例系数a一般取0.15~0.30。

最后将上面得到的角点利用SURF算法计算得到角点的尺度信息。

(3)跟踪注册模块

当定位模块计算出移动终端的位置和方位后,可从预先存储的数据集中确定其周围环境,从而在一定程度上减小了离线室内环境特征库的匹配范围。

通过特征检测模块可建立当前帧与离线环境图之间的匹配特征点集,为了分析基于关键帧的姿态信息,首先需要计算出当前帧与关键帧之间的单应矩阵Hck,具体公式如下:

然后,根据空间物体模型上的三维点齐次坐标(xw,yw,zw,1)与其在图像上的投影齐次坐标(xt,yt,1)的透视投影关系:

求解计算出投影矩阵,即可获得当前帧相对于真实室内环境的绝对姿态:

通过分析视频流中的帧图像,判断当前所捕获的视频图像与所确定的离线图像是否为同一室内环境。提取图像中的特征点,将匹配上的特征点关联起来,其特征检测与跟踪注册流程如图3所示。

4 测试结果及分析

为了验证算法及系统的性能,本文选取学校教学楼场地进行现场实验,分别测试指纹识别算法的室内定位精度、特征点检测效率和移动增强现实导航系统的综合性能。实验中,考虑到Wi Fi信号覆盖范围、信号稳定度以及移动终端设备的摄像头分辨率等因素,AP选用TP-LINK TL-WA850N,其Wi Fi信号在0~20 m覆盖范围内稳定性强,且支持AP、Client、Repeater、Bridge多种无线工作模式。移动终端选择荣耀3C手机进行测试,系统为Android OS 4.2,CPU为联发科MT6582,主屏分辨率为720×1280像素,摄像头像素为800万像素,该移动终端处理性能较好,摄像头分辨率较高。软件部分则采用My SQL建立数据库,利用Eclipse、Java编写信号采集客户端。

4.1 Wi Fi定位精度测试

依据上述的位置指纹识别方法,本研究中部署了6个AP,并设置指纹网格大小为2 m×2 m。训练阶段,依次在各指纹点上多次测量取平均来建立指纹数据库,每个参考点采样次数大于200次。定位阶段,选取了10个网格点进行定位实验,结果如图4所示。

根据实验结果可知,该位置指纹识别算法精度较高,最小定位偏差为0.3 m,最大定位偏差为2.2 m,平均偏差1.1 m。其中有三个测试点的定位偏差均小于0.5 m。该定位算法的精度能够满足本研究中的定位要求。

4.2 特征点检测和跟踪注册测试

为了验证特征检测模块的性能,分别对FAST、SURF和FAST-SURF三种算法进行了室内环境图特征点检测。从图5和表1中可知,FAST-SURF特征检测方法较好地综合了FAST和SURF的优点,拥有较快的特征检测速度和旋转不变性、放射不变性等特征,能够较好地满足移动增强现实系统的需求。

针对跟踪注册的精度测试,采用图像特征点反投影的方式,根据离线室内环境帧的特征提取结果。计算出投影矩阵,并实时提取当前室内帧的特征点,将其反投影到真实环境中,结果如图6所示。

4.3 系统综合测试

当安装并打开本应用程序后,手机摄像头自动进入实景拍摄。选择定位功能,将手机摄像头对准室内进行拍摄,当前场景中的房间号码就叠加到真实场景中(如图7所示)。选择导航功能时,选择目的地为403室,则在手机屏幕上出现导航路线箭头,指示403室所在位置(如图8所示)。

在系统实时性方面,由表2可知,主要时间消耗在SURF描述器对特征向量的计算及摄像机姿势更新。总体来说,该AR室内导航系统实时性较好,能较快地完成移动终端的定位、室内环境的跟踪注册以及虚实物体的叠加等功能。

5 结语

针对目前室内导航交互性较差的特点,利用Wi Fi定位技术和移动增强现实技术,设计实现一个移动AR室内向导系统。通过虚实融合,形成实时导航信息,在一定程度上解决了目前室内导航存在精度有限、可视性差、人机交互能力低等问题。然而,在实际生活中,必须考虑到室内环境的复杂性、硬件成本的限制等因素,因此,进一步研究适应范围广、定位精度高、稳定性好的智能终端增强现实导航系统是我们下一阶段的重点。

摘要：针对传统的数字地图室内导航精度不高、直观性差、交互性较弱,提出将Wi Fi定位和视觉识别相结合的室内向导策略。利用Wi Fi指纹识别定位算法确定手机在室内的位置,电子罗盘获取手机的方向,结合FAST-SURF视觉识别方法检测场景特征点,并在Android平台上设计并实现一个AR室内向导系统。实验表明,室内定位精度提高至1.1 m,跟踪匹配精度高,系统实时性好、定位导航精准。因此,该AR室内向导系统对于室内定位的精度和实时虚实融合都有较好的效果,不仅具有较强的可用性和实用性,还具有广泛的应用前景。

关键词：WiFi定位,增强现实,室内向导,Android平台

参考文献

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增强现实技术与标准化 篇5

关键词：增强现实；虚实融合；传统戏曲；戏曲舞台

0 引言

如今，人类已经进入了一个“影像爆炸”的时代，人们时刻被形式多样的影像所包围，已无暇顾及传统的舞台戏曲。[1]加上传统舞台戏曲演出成本过高、表现力不足等原因，逐渐陷入低潮之中，发展缓慢，生存空间越来越小。然而，传统戏曲不仅具有深厚的美学意义，而且还具有丰富的文化内涵，它是结合了多种艺术形式的表演艺术，具有独特的审美特征和艺术感染力。其作为非物质文化遗产的一种重要形态在电子媒介盛行的当下，显得十分寂寞。为了改变这种现状，近些年来以灯光技术、LED屏幕显示技术、3D全息投影技术为代表的很多新兴技术开始被应用于舞台呈现之上。例如，2013年3月3日晚间，在安徽大剧院正式定稿演出的我国首部3D全息黄梅戏舞台剧《牛郎织女》。[2]虽然这些技术极大地拓展了舞台空间和视觉呈现形式，弥补了传统舞台呈现的不足，但这些结合模式更多的只是在营造舞台环境，丰富视觉语言，缺乏互动性以及沉浸感。

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是在虚拟现实基础上发展起来的一项新技术。[3]它具有虚实结合、实时交互与三维注册[4]等特征，能够实现虚拟世界信息与真实世界信息的交融。近年来，AR技术被不断应用于教育教学、广告宣传、展览演示等诸多行业，但在传统戏曲舞台的应用上却仍是空白。

本文作者项目组于2014年度得到国家科技支撑计划《戏曲舞台3D技术集成与应用示范》项目支持，致力于将增强现实等3D技术与传统舞台戏曲结合，以弥补现有戏曲舞台表现力的不足，开创出更多的可能性。将AR技术应用于戏曲舞台之中，能够打破现有条件和传统模式的束缚，为戏曲艺术表现带来更为显著的交互性、空间感、沉浸感等。二者的融合可以实现演员与虚拟影像中的物体及特效进行交互，给演员更多的表现空间，也给编剧、导演等创作人员提供了更宽阔的创作空间。同时，可以给观众带来身临其境的沉浸感，为戏曲开拓出一种全新的艺术呈现、审美体验与发展空间，丰富广大受众的精神文化生活，创造出更多的经济、文化与社会等效益。

1 增强现实技术与戏曲融合的探索

增强现实技术与戏曲舞台的结合，具体而言，是应用增强现实技术将虚拟的效果、环境及物体与真实演员进行互动式、沉浸式融合。运用增强现实技术，借助体感交互、图像识别、位置传感等技术跟踪及识别演员的位置、姿势与动作，包括演员使用的道具的位置、状态等，然后根据舞美设计与剧情发展的需要，针对故事场景及表演呈现的方式与需求，通过透明投影幕在舞台空间里进行虚实融合互动呈现，将虚拟影像与演员的道具动作在舞台上进行实时匹配且在互动表演的过程中无缝融合，以实现最佳舞台效果呈现，增强观众审美体验。增强现实与戏曲舞台的融合，包括立体视觉呈现的舞台虚拟环境与真实环境的融合、真人演员与虚拟演员同台表演、真人表演与虚拟道具、特效、背景互动、虚拟特效与真实道具互动匹配等效果。下面本文将根据其结合模式与效果从舞台呈现、观众体验及经济、文化与社会效益三个方面展开进一步探索。

1.1 舞台呈现

（1）突破现有条件限制，增强舞台呈现效果。戏曲舞台呈现过程中诸多场景、特效及相关元素无法采用实体形式进行展现或使用道具无法呈现出理想的效果，这其中以神话类题材最为突出，如黄梅戏《牛郎织女》中的鹊桥相会。传统舞台对于这一类神话型场景大多采用背景或道具來呈现，如表现仙界，即在背景投映仙界图片或一群表演者托举云型道具在舞台上或走动或静止，这些方式难以营造出神话意境效果，也不方便观众的理解。借助AR技术将可以打破此类物理环境因素的限制，它能够将传统手段难以呈现的形象直观立体且动态地呈献。通过传感器与图像识别等手段，真人演员能够与虚拟影像角色同台表演。例如，《牛郎织女》中，牛郎的扮演者可以与虚拟影像创造出的拟人化老牛同时出现在舞台之上，且能够与其交流、互动。同样，借助这些手段，演员可以实现与虚拟道具、虚拟特效和背景等的互动。《牛郎织女》中的仙女沐浴时能够在舞台上溅起水花，鹊桥的形态随着牛郎织女的步伐和动作实时变化；《天仙配》中的难香只需摇动羽扇即可焚烧；《长生殿》中背景随着杨贵妃魂魄的飘荡实时变化，诸如此类。二者的融合，以丰富多样的手段与形式带来全新的舞台呈现效果。

（2）基于动作捕捉的实时交互，拓展演员的表现空间。在传统的戏曲舞台表演及影像呈现模式中，影像与演员的关系在形成之初就已经被限定——演员处于被动的状态，只能根据既定的影像及表演编排时序交互特性在一遍遍的排练中去配合影像。这种形式虽然在一定程度上能够带来绚丽的视觉效果，但无疑局限了演员表演的艺术空间，多重条件约束之下也很难达成理想的效果。AR技术实时互动的特点使得增强现实很适合在虚实结合的舞台表演中充当与演员有着互动、存在触发等行为的虚拟角色、虚拟特效、虚拟道具或背景。借助AR技术，通过体感捕捉、图像识别与匹配等相关技术，对表演者的动作进行实时捕捉，根据其动作去匹配相应的虚拟效果，实现演员在表演过程中与虚拟影像效果实时互动且完美匹配。如图1，虚拟特效根据表演者的动作与其进行匹配，伴随着表演者动作的改变，在形态上进行实时调整，以适应表演者动作的变化，进而实现演员与特效的实时互动与无缝匹配。

图1 戏曲表演中的交互式3D特效视觉效果[5]

二者的融合使主我关系发生变更，从演员被动配合影像到影像实时互动地配合演员的动作，化被动为主动。最重要的是，演员不再需要去根据前期排演的影像记忆而做出相应的匹配动作，也不再需要根据想象去表演互动效果。虚实融合之下的表演者，能够真正地与虚拟影像进行互动，在保持原有艺术本体特质基本不变的前提下，拥有能够即兴发挥的艺术表现空间。演员能够根据剧场环境、观众反应等综合因素进行实时的调整，掌握了一定的主动权，通过虚实互动也增强了其作品的艺术感染力，给观众留下更为深刻的印象。

1.2 观众体验

（1）感知与思想的延伸。第一，感知体验的延伸。AR技术的多感知性特征对于用户的感知系统而言，更具亲和力。在视觉层次和立体空间的延伸与拓展之上，无疑再一次为我们“打开了通向感知和新型活动领域的大门”。[6]观众不再仅仅用眼睛去看、耳朵去听，而是在视觉感知与听觉感知得到极大丰富的基础之上，产生了建立在想象空间的触觉感知。在视听经验和“身临其境”的沉浸感中，触感欲望得以激发和调动。各种感官互通互动，造成通感领域，形成一个超越视听空间的“触觉联觉空间”。[7]正如德里达所言——既是理论的（视觉中心的）又是“触觉中心的”（haptocentrique）哲学与某种被文化标识了的“身体”经验有关。[8]增强现实技术下，我们的身体经验在视听的极大丰富中被建构和解构，推动了身体知觉的前进。[9]以视觉感知、听觉感知与建立在想象空间的触觉感知等多感知系统去欣赏戏曲，开拓出新的感官功能，延伸人体不同的感知体系。第二，思想意识的延伸。“一切技术都是肉体和神经系统增加力量和速度的延伸”。[10]按照麦克卢汉的说法，媒介不仅是人类感官的延伸，也是神经系统即意识的延伸。AR技术作为一种新兴媒介手段，在延伸了观众的感官之外，更因其开创出新的可能性，使观众对于戏曲舞台等诸多方面的呈现产生一种新的意识。正如互联网的诞生催生出人类的互联网思维，增强现实技术的融合也可能会产生类似于“互联网+”的“AR+”思维。眼前一亮，促使脑洞大开，不仅仅在戏曲上，也会在其他方面创造出新的可能性，产生新的认知，使外在感官和内在思想都得以延伸。第三，多重感官相互作用，升华感知体验。除了感官与意识的延伸外，视听信息在加工整合的过程之中，存在广泛的相互影响和交互作用。利用视觉和听觉信息在空间中定位物体，形成物体与自己之间距离远近的知觉，是人们日常生活中常见而重要的一种空间知觉能力。[11]剧场舞台环境中，乐器声、语音、歌声、数字化声音等多声源声音的并发，在立体声同步播放系统的作用下，加之声音在剧场声学设计环境中的折射与反射，形成3D立体音场。观众置身于视觉与听觉的3D环境中，视、听两种剧场环境中最为真实的感官相互作用，相互增强。虚实融合的互动过程，使得感知体验效果更为真实，从而进一步沉浸其中。彼此增强下，全新的视听享受让观众与舞台的心理距离得以缩短。

（2）被动想象走向主动沉浸。按照谢尔德·尚克（Theodore Shank）在《戏剧艺术的艺术》中的说法，“戏剧艺术家的目的就是利用任何和所有可能的资源将虚拟的行为呈现为直接可视和可听的‘在场经验”。[12]戏剧的全部价值在于能否有效地利用舞台资源来模拟在舞台之外的“真实”的世界，使观众和戏剧之间产生共鸣和移情。[12]空间的参与不仅停留在观演关系上，它同样存在于空间和表演的连接上。传统戏曲由于多重因素的限制，无法直观地呈现一些重要元素，需要演员与观众去想象，将表演建立在想象的基础之上。例如，京剧《武松打虎》中的“虎”，作为整出戏的核心元素，传统表演都是采用真人穿着特定服装的形式，是演员与观众共识之下，真人演员彼此之间的打斗。这种形式难以呈现人与虎打斗的精彩场面，营造不出故事该有的紧张感与壮观场面，难以触动观众的神经。观众需要将真人演员想象成真实的老虎，无论从动作、神情，还是整体状态上都具有相当大的难度，感官体验的不足导致观众容易丧失兴趣。运用AR技术创造出“老虎”的虚拟影像，实现真人演员武松与虚拟老虎打斗，呈现“真实”、立体的打斗过程。观众不仅可以看见人与虎打斗的动作，更可以看见老虎从最初的凶猛到奄奄一息直至最后死亡整个过程中的神态变化。观众有一种“在场”感，仿佛处在人与虎打斗的真实场景之中，往前迈几步就能触碰到老虎，而非根据两个演员的动作去被动地想象“真实”的状态。

AR技术以其深度沉浸感融合，以及剧场环境中3D立体音场对增强现实视觉效果的再促进，为观众带来了更为逼真的体验。将其应用于戏曲舞台呈现之中，与现有的技术融合促进，不仅能够增强空间感，更能够减少观众不必要的被动想象。让观众有一种置身于内的沉浸感，不再是被动的信息接收者，而是试图以体验者的身份去与虚拟物体进行交互，主体意识得以增强，娱乐性、趣味性、清晰度和代入感大大提升。

1.3 经济、文化与社会效益

（1）节省人力、物力、财力，提升经济效益。目前，传统演艺行业发展缓慢，市场程度不高，主要受制于演出生产成本过高，而演出生产成本中，舞美道具费用占据相当大的比例。每场演出都需要将大量设备与道具进行转移、搭建，演出过程中也需要大量的工作人员进行配合。繁杂的道具，有的是专门为某个演出定制，无法循环使用，通用类道具即使能循环使用也存在着损耗、淘汰等情况，這些都是目前摆在戏曲舞台艺术发展道路上不可忽视的阻碍问题。AR技术与传统戏曲舞台的融合，以数字信息取代传统的布艺、纸制、木制等背景与实物道具，将大大减少舞美道具成本，并且创新文化艺术的表现形式。简单的电子设备可以替代大量的实物道具，不存在一次性浪费及运输与使用过程中的磨损等问题。演出过程中也不再需要单纯安装与配置道具的工作人员，能够很大程度上节省人力、物力与财力。另外，将AR技术应用于传统戏曲之中可以提升戏曲文化产品的品质和活力，为观众带来全新的舞台视听享受，满足观众日益增长的审美需求，吸引更多的观众去感受，提升我国演出市场在国际上的竞争力，实现更大的经济效益。同时，带动演艺行业的科技进步，扩大文化消费，促进科技、文化与社会经济等的综合发展。

（2）内涵价值的直观传达，有利于传统文化的弘扬与继承。传统戏剧作为我国精神文化的瑰宝，在艺术欣赏及文化推广方面都有极高的价值。AR与传统戏曲的结合，将传统手段难以呈现的形象直观立体地展现，减少表演者与观众的视觉场景想象，不仅拓宽了表演者的表演空间，更有利于戏曲所蕴含的意境及价值意义的传达。虚实结合的创新体验、身临其境的沉浸感，给观众多重感官的冲击，能够让观众形成更为深刻的印象，促使价值理念传播更为透彻，也会提高人们对于传统戏曲的认知，加深对传统戏曲的理解与感悟。传统戏曲文化的传播力与影响力增加的同时，更可以改善当下社会传统戏曲遭遇的窘迫境遇，吸引新一代年轻观众的加入，以新鲜的血液、满腔的热情去研究、继承和发展我国的优秀传统文化。

（3）多重社会效益的可能性创造。科技与传统的结合，AR融入戏曲的舞台呈现，产品、模式、体系、思想等在此之上的融合延伸，“内爆”与“外爆”产生的多重效应，交互作用、相互影响，现有基础上的拓展以及可能性的全新创造，都会带来不可估量的社会综合效益。例如，AR技术与传统戏曲舞台成功的结合模式不仅可能会形成增强现实戏曲产业，衍生出众多周边产品，也会对其他行业产生辐射效应，促使更多行业去探索与AR技术的结合模式，这一切都还有待我们去发现与挖掘。

2 总结与思考

AR技术与传统戏曲舞台的融合，除了給以上几个方面带来的变革与影响之外，也会对其他领域产生一些影响，如对于传统戏曲的创作与审美方面。以编剧为例，AR与戏曲的结合，技术性因素得以突破，编剧可以根据AR的技术特征进行更自由的创作，开拓出新的创作模式与创作领域。在审美方面，全新的体验形式与多重感官的延伸会产生不同的审美需求，这就要求编剧、导演、演员等要充分考虑到观众的多重感官审美需求，尤其是触觉性审美这一新的领域，从多重感官的审美需求着手去开创戏曲舞台艺术呈现的新形式。要研究新模式下的观众心理美学，根据观众的感知、卷入与反馈等行为与心理因素进行调整、变更与创作。

然而，AR技术作为一种新兴技术，是多重价值的矛盾与统一体，自然也不可避免地会陷入“科技是把双刃剑”这一长期探讨的哲学话题。每一种艺术形式都具有其异于其他的独特之处，戏曲艺术自然也具有其固定的审美范式。一味地以新技术手段进行展示，如果把握不好尺度，可能会使戏曲本身蕴含的价值意义削弱或丧失。投入大量的资金、人力等却形成适得其反的效果，就违背了对其进行技术性融合的最初目的。此外，这种开拓对于那些没有运用或难以运用新兴技术的戏曲也会产生不小的冲击，可能会使其陷入更为窘困的状态。需要明确的是，新兴技术可能会对社会大众的思想观念产生冲击，如果不能够把握尺度，会产生诸多负面问题。例如，在舞台上虚实融合审美尺度的把握方面，不能一味地去追求绚丽的效果，而产生负面影响，要在道德和法律的基础之上，把握好度的衡量。

新的技术手段与基于此的思维开拓，易使人陷入盲目追求的状态。创作者和体验者等都可能会一味地去追求AR技术所带来的绚丽效果，而忽视了戏曲原有的价值内涵与审美取向。所以，作为技术手段的AR技术的运用要么必须建立在力求保持原有艺术本体特质基本不变的前提下，只是对其进行补充和拓展，并非本质上的改变，要么就创造出一种全新的增强现实式戏曲，与传统的戏曲艺术形式区别开来，形成特定的增强现实式艺术。

总的来说，技术只是手段，关键在于如何掌控。增强现实技术与传统戏曲舞台的融合如何趋利避害，发挥最大的效益，还有待继续探索。

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增强现实技术的研究 篇6

增强现实 (Augmented Reality, 简称AR) 是通过计算机系统提供的信息来增强用户对现实世界感知能力的一种技术, 也就是将计算机生成的虚拟物体、场景叠加到真实场景中, 从而实现对现实信息的"增强"。因此构造一个成功的增强现实系统的技术关键是要进行准确的虚拟物体与真实物体的对准, 从而可以将周围世界真实场景与计算机生成的虚拟增强信息融合。通常使用的一种方法是在真实环境中设置人工标志物, 通过对标志物信息的提取获得注册所需的信息而达到注册目的, 然而这种人工标志有许多不足之处, 如:在每帧图像中必须存在一个标志物, 否则就不能实现注册。

本文介绍的是在虚拟物体将叠加的地方指定了四个平面点来构成一个区域, 并试图利用自然特征来变换这些点, 指定的区域也可以是任意的。

2、KLT特征跟踪系统

自然特征的跟踪在计算机视觉是一个热门研究课题, 本节概述了经典KLT特征跟踪系统。

当相机移动时, 图像的帧强度变化可被看作为一个有三个变量的函数, 即I (x, y, t) 。帧强度的变化就可以代表一个图像序列。I (x) 此函数在后面的章节有时简称为I (t) 。函数I (x, y, t) 满足 (1) 。

I (x, y, t) 中的一点在t和t+τ时刻的位移定义为d= (dx, dy) , 确定一个点从一桢到下一桢的位移d= (dx, dy) 时, 一个关键性的问题是单一的像素点不能作为跟踪点, 这个像素点的值可能由于噪声会改变, 并且很难辨别其相邻的像素。

在t+τ时刻获取的图像定义为图像, 方程 (1) 可重新定义为

表明x点从第一图像I移向第二图像J, 而且仅仅是平移。对于一个给定的视窗w, 确定其运动参数的问题就是最小化其相异点:

其中w (x) 是权重函数, 通常置1。

方程 (2) 可利用泰勒级数重新整理如下:

其中Z是2×2的矩阵z???g (x) gÁ (x) w (x) dx和

e是下列2×1的向量:

使用强度斜率, Z和e可以分别写成以下形式:

其中gx和gy是由I (x, y, t) 得出的偏导数, Id是图像I和J的强度差。

为了最小化两个视窗之间的差异, 可以用牛顿迭代法来估计位移d= (dx, dy) 。应在执行KLT特征跟踪器前优先选择好的特征。Z的一个小特征值与区域中一个相对恒定的强度相应。Z的特征值分布预测了一点上的光流量计算值, 所以有利于选择特征点。在实际中, 当Z的某一个小特征值足够大, 大于给定的下限λ0时, 那么可认为这些点是可接受的特征:

3、注册的基本原理

图像点和三维点分别由齐次向量m= (u, v, 1) T和M= (X, Y, Z, 1) T来表示。三维点M与其图像投影m之间的关系一般如下:

其中ρ是一个任意系数, R和t分别代表相机相对于世界坐标系的旋转矩阵和位移向量, 一般称为外参, A被称为相机固有矩阵。

在任意两个相机系统中都存在对极几何图形[5]。基本矩阵F概括了这个对极几何图形, F是一个3×3矩阵, 秩为2, 它有无限多的投影基数, 以满足对极几何图形。F作为反对称矩阵[e']x和矩阵M的乘积, 即F=[e']xM, 则可以选择两个投影相机矩阵[5], [6]:

P与P'确定了唯一的投影空间, 在两个图像之间给定一对匹配点 (m1i, m2i) , 其相应的三维投射坐标点Mi可用最小二乘法或最小特征值的方法由smi1=PM和s'm2i=PMiT两式导出, s和s'的是任意两个标量。对于第mki幅图像, 图像坐标Mi和其三维投影坐标的关系如下:

Pk是第k幅图像的一个相应的投影矩阵, 在Pk上有11个未知参数。如果存在至少6对点 (mki, mk) , 那么就可以估计出投影矩阵PK。另一方面, 投影矩阵可以将每一个三维投影坐标映射到一个二维的投影点。因此, 如果在初始阶段已知一个三维投影点, 就可以在跟踪过程中用所估计的矩阵来计算其投影。由式 (8) 给出n对点 (mki, mk) , 则必须满足以下的线性方程:

其中A是2n×12的矩阵, p代表Pk的所有参数的向量, 可通过最少的特征值方法求出p。

4、注册算法

本小节在KLT特征跟踪器和投影重建技术的基础上介绍了一个注册算法。注册包括两个步骤:嵌入和重现。事实上, 嵌入阶段是用来初始化AR系统的, 为方便起见, 将这一系列K时刻在第K幅图像中获取的自然特征记为NF (tk) , 并且将NF (tk) 中一系列自然特征的数量记为numberNF (tk) , 在跟踪过程中一些自然特征被记为lostNF (tk) 就是可能丢失了, 因此可以得到:

嵌入之前就选出两个控制图像, 即I (t0) 和I (t1) 。首先用方程 (5) 从第一幅图像I (t0) 中获取自然特征。在整个增强过程中, 我们用KLT特征跟踪器跟踪图像I (t1) 中的自然特征并作为参考点, 而且这些自然特征, 是图像I (t0) 里那些已检测到的自然特征NF (t0) 中与之相对应的点。通常一个自然特征与一个可辨别的物理点相对应, 但是, 也有可能有些特征与物理点并不相对应 (在[5]中, 这样的特征被称为"坏"点) 。例如, 一棵树的图像中, 一根在前景中水平树枝能与一根在后景中垂直树枝交叉, 我们可能会把交叉点看作是一个自然特征, 然而, 图像中的这个交叉点不是真正物理图像中的实际点。接下来用[5], [6]中描述的方法, 即在NF (t1) 中的点和在NF (t1) 中其对应的点的基础上, 来计算基本矩阵。我们可以得到两个控制图像的投影相机矩阵P和P', 通过这两个矩阵可以计算NF (t1) 的三维投影坐标

接着要在将叠加虚拟物体的地方指定四个平面点{x0i} (i=1, …, 4) , 指定的四点构成了x和y轴的世界坐标系, 并且坐标系的原点是在四点构成的近似方形的中心, z轴是xy平面[7][8]的垂直方向。指定的四个平面点可以是任意的, 即它们不一定是自然特征, 当指定四个匹配点后, 为了测定出这些点在其他图像中的位置, 我们需要计算出其相关的投影三维坐标{x0i} (i=1, …, 4) , 因而就可以确定出一个虚拟三维物体的位置和结构。

经过初期的嵌入过程以后, 下一步工作是变换指定的区域 (即, 四个点) , 虚拟物体将在用户移动的过程中被叠加在此区域上。对于视频序列中的第k幅图像, 由KLT特征跟踪器跟踪并且与NF (tk) numberNF (tk) ) ≥6相应的自然特征, 可以根据嵌入阶段计算出的相应三维坐标{Mi}, 利用第2节中的估计方法来估计投影矩阵Pk。由于在嵌入阶段已经计算出四个指定点的三维投影坐标, 我们可以在NF (tk) 及其相应的投影三维坐标基础上, 计算出这些三维点的投影 (即, 第k幅图像中指定的四点的图像坐标) 。当一些已被跟踪的自然特征的数量, 即numberNF (tk) , 少于某一值时, 估计出的Pk将恢复那些已经丢失的自然特征。接着可以用 (5) 式检测真正自然特征, 已恢复的自然特征主要用来寻找相应的真正的自然特征, 最后, 真正自然特征会被输入到KLT追踪器, 因此, 为了得到更加稳定的结果, 始终要有足够多的自然特征来估计相应的投影矩阵。

该算法的主要目的是在投影重建技术基础上, 利用已跟踪的自然特征来变换指定的四个点, 接着, 就可以用ARToolKit的估计方法很方便地计算出Rk和tk。

5、结论

在本文中介绍了一种利用自然特征的注册方法, 在这个注册算法中, 采用经典的KLT跟踪器来获得自然特征。虚拟物体可以叠加在任意由用户指定的区域中, 并且可以用投影重建技术来跟踪这些点, 这种方法最大的优点是可以根据用户的要求在自然环境中任意指定区域, 即使区域的有些部分在跟踪过程中被遮蔽, 虚拟物仍可以叠加在指定的区域。

参考文献

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[8].顾耀林, 毛健.一种基于平面模板的虚实配准算法.[D]中国图象图形学报-2006:11[8]-1175-1179.

增强现实技术与标准化 篇7

由Terrance E.Boult提出的远程现实(Remote Reality,RR)具有重要的应用前景,它由全景摄像机、视频采集/传输系统、遥控车、头盔显示器等组成[1,2,3]。远程现实系统通过全景成像和头盔显示器提供一个沉浸式的远程环境,让用户具有身临其境的感觉,并且用户利用头盔中的姿态跟踪器可以在全景摄像机的半球形视野中自然地环顾。因此远程现实提供了直观的视频界面,具有不需要对环境“建立模型”的重要优点,但是与传统的虚拟现实相比,远程现实中的人机交互较少、信息单一。文献[4-5]把远程现实用于无人直升机遥控当中,用覆盖的文字和图标信息对图像界面进行“增强”,提高了情景意识、增加了多种辅助信息。

本文设计了基于移动机器人的远程现实系统,辅助机器人遥操作,以进行危险环境中的监控、探测等任务。然而,远程移动机器人的遥操作系统面临的主要问题是落后的人机交互技术。主要表现在以下几个方面:

1)全景图像中心的摄像头投影遮挡了机器人,对视觉效果产生很大影响;在展开图像中只能看到机器人的前端部分,并有很大变形,使得操作人员无法观察到机器人的整体位置。

2)只有单一的视频图像界面,操作人员难以准确获得移动机器人的各种状态信息,如机器人的方向、运动速度等。

3)基地控制站和远程机器人之间的通讯大时延的影响,操作信号和视觉信号容易失去因果联系,从而造成误操作。

近年来兴起的增强现实(Augmented Reality,AR)技术则可以很好地解决上述问题,而其中的关键之一是对虚拟物体进行准确注册。文献[6]提出了一种基于视觉的增强现实三维注册算法,但该算法仅适用于普通摄像机。本文根据三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中的注册算法。将增强现实技术应用到远程现实系统中,把两者有机结合起来组成增强远程现实(Augmented Remote Reality,ARR),应用于展开的图像界面当中,从而改善了人机控制界面的视觉感官效果、增加了辅助信息、提高了人机交互能力。

2 系统总体结构

实验中的移动机器人如图1所示,车载控制系统基于PC104而设计,结合全景摄像机组成远程现实系统,其总体结构如图2所示。基地操作端系统分为:人机交互、图形生成、视频融合、图像显示、无线通讯等功能模块;远程机器人端分为:全景视频信息采集、测距与电机控制、无线通讯等功能模块。全景摄像机固定在机器人的顶部,对周围360°范围的场景进行采集。遥控计算机和PC104之间通过无线局域网(802.11b/g)进行通信。

在操作端,操作者通过键盘、鼠标等人机交互设备发出命令,这些控制命令一方面通过通讯环节送往远端的机器人系统,另一方面直接控制交互界面中的虚拟机器人系统,通过预测仿真系统可以看到实时的操作结果。通过无线通讯,现场的视频图像信息、机器人的运动状态信息都可以反馈到操作端。操作者可以根据需要选择传送全局视频图像还是局部的视频图像。视频图像有两个用处,一是给操作者提供监控信息,二是用来和虚拟仿真模型进行融合。

3 全景成像中增强现实的注册算法

全景成像技术利用光学的反射原理来扩大视觉系统的视野,只用一台摄像机就可观察到机器人周围360°内的全景环境[7]。文献[6]提出了一种基于计算机视觉的增强现实三维注册算法,但该算法是基于普通摄像机的,并不适用于全景摄像机。

3.1 增强现实的三维注册原理

为了说明三维注册算法的原理,这里采用4个坐标系统来进行描述,如图3所示,xwywzw是绝对空间坐标系(真实空间坐标系);xmymzm表示虚拟空间坐标系,此坐标系用来对所添加的虚拟物体进行几何描述;xyz表示观察空间坐标系(摄像机坐标系);uv是一个二维坐标系,表示投影图像平面坐标系,此坐标系的oz轴与观察者视线方向重合。

由于所需要添加的虚拟物体在真实空间坐标系中的方位是由系统要完成的功能所决定的,即虚拟空间坐标系xmymzm与真实空间坐标系xwywzw的关系是已知的,所以虚拟空间坐标系xmymzm中三维虚拟物体的几何描述(xm,ym,zm)可以变换为真实空间坐标系xwywzw中的几何描述(xw,yw,zw):

上式中A是两个坐标系之间已知的变换知阵。

如果能够求出真实空间坐标系xwywzw与观察空间坐标系xyz之间的变换矩阵B,就可以将虚拟物体坐标系中三维虚拟物体的几何描述(xm,ym,zm)变换为观察空间坐标系中的几何描述(x,y,z):

此时,再将观察空间坐标系中的虚拟物体投影到图像平面坐标系uv中,就完成了增强现实系统的三维注册。

3.2 双曲面全景成像中三维虚拟物体的注册

完成了虚拟空间坐标系xmymzm到观察空间坐标系xyz的转换后,下一步就是将虚拟物体投影到像平面坐标系中。如图4所示,由于双曲面为旋转对称结构,只须在二维空间以虚拟相机投影中心F′为原点建立直角坐标系,双曲面反射镜的面形公式为[8]

在极坐标系中:

双曲面面形公式为

虚拟物体上的一点O在观察空间坐标系(xyzF′)中的坐标为(xO,yO,zO),虚拟物体的投影注册就是要先计算出O点在像平面坐标系中的坐标Q(tQ,zQ),即求Q(xQ,yQ)。

空间物点O的直角坐标为(tO,zO),入射光线OP与竖直方向的夹角为θ=arctan(tO/zO),由式(5)得到该光线与双曲面的交点P坐标ρ。代入式(4)得到P点的直角坐标(tP,zP),又摄像头投影中心F的坐标为(0,2c),设反射光线与竖直方向夹角为β,其正切为

将式(5)代入并整理得到

在实际像平面内,光线的落点为Q,其横坐标为

在三维空间,入射光线和反射光线具有相等的方位角。将入射、反射光线投影到成像平面内(见图5),物点O的投影点O′坐标为(xO,yO),像点Q坐标为(xQ,yQ):

所以已知物点O的观察空间坐标系中的坐标(xO,yO,zO),由式(7)~(11)可以确定像点Q的坐标(xQ,yQ)。这样,就完成了对虚拟物体的注册。

3.3 三维注册的实验结果

图6是远程现实中的一个全景图像,可以看出,中心的摄像头遮挡了机器人,对视觉效果产生很大影响。因此,采用3DS MAX和Open GL技术构造一个虚拟的移动机器人(如图7所示),然后在机器人上取几个标志点,根据标志点在摄像机观察空间中的位置,利用上一节推导的三维注册算法对虚拟移动机人在全景图像中进行注册,其结果如图8所示。

从图8可以看出真实的视频和虚拟的三维机器人的融合效果比较令人满意,两者之间能正确对位。经AR注册后明显改善了视觉效果,基本消除了中间的摄像头投影;通过将现场返回的视频图像和预测的虚拟模型进行动态的融合,还可以克服时延的影响,提高操作的精度和效率。

4 基于增强远程现实的人机界面

图8所示的环形图不太符合人的观察习惯,所以直接以图8为人机交互界面并不合适,需要把全方位图像按360º展开,恢复成一个矩形柱面全景图像。展开目的有两个:一是提供更加直观的人机交互界面,二是为了后续图像处理中一些算法能够正确、方便的应用。本文使用一种快速的近似展开算法[9],如图9所示,设圆形图的圆心O坐标为(x0,y0),展开的矩形图左下角原点坐标O1(0,0),矩形图中任意一点P(x,y)所对应的点在圆形图中的坐标为(x1,y1),展开后的右图的宽度等于左图中虚线所示的圆的周长。下面我们需要求的是(x,y)和(x1,y1)的对应关系。根据几何关系可以得到如下公式:

利用式(12)~(15)对图6进行展开,其结果如图10所示。然后再结合增强现实技术,组成增强远程现实(Augmented Remote Reality,ARR),应用于展开的图像界面当中,并利用图像拼接技术提供机器人周围的虚拟背景。此外,在界面中还叠加了一些文字和图标信息,如机器人的东南西北方向、运动速度、行走里程等基本的导航与控制信息,其中的矩形框为对前方运动目标的锁定位置。采用增强远程现实获得的屏幕场景效果图如图11所示,与图10相比,明显改善了人机控制界面的视觉感官效果、提高了人机交互能力、增加了信息量。

5 结论

采用移动机器人作为远程现实技术的新载体,将增强现实技术与远程现实系统相结合,开发研制了基于移动机器人的增强远程现实系统。本文根据三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中基于视觉的三维注册算法,其实验效果表明,在全景视觉中实现增强现实系统是完全可行的。为了提供更加直观的人机交互界面,我们把增强远程现实应用于全景视觉的展开图像中,从而改善了人机控制界面的视觉感官效果、提高了人机交互能力、增加了信息量。增强现实技术在远程现实上的开发和应用不仅拓宽了增强现实技术的应用领域和范围,而且为远程现实的功能扩展提供了崭新方向。两者结合组成的增强远程现实系统能够在机器人摇操作、智能监控、危险环境中的监视与探测、以及无人车和无人机导航等军事领域中得到广泛的应用。

摘要：设计了基于移动机器人的远程现实系统,辅助机器人遥操作。为提高人机交互能力,把增强现实技术应用到远程现实当中,根据增强现实中三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中基于视觉的注册算法,实现了三维虚拟机器人在全景图像中的注册定位。为了提供更加直观的人机交互界面,采用一种快速算法把圆形全景图进行近似的柱面展开,并将“增强远程现实”应用于展开的图像界面中。实验结果表明,增强远程现实改善了场景的视觉感官效果、增加了辅助信息、提高了人机交互能力。

关键词：移动机器人,增强现实,远程现实,全景图像,三维注册

参考文献

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增强现实技术与标准化 篇8

增强现实技术主要是通过利用计算机所营造的虚拟环境, 可以有效模拟出真实的现场景观, 将真实的世界与虚拟的电脑世界融合在一起, 是一种全新的人机交互技术。计算机增强现实技术就是通过计算机技术将虚拟的整合对象融入到真实的三维立体空间中来, 将虚拟物体和真实物体结合, 可以帮助用户真实地感受到虚拟世界的物体[1]。简言之, 就是将虚拟的世界套在现实世界并进行互动。因此, 增强现实技术能让大家在普通的生活方式下熟悉日常对象, 通过虚拟世界和现实世界的紧密结合来满足大家的体验, 增强物理世界中的对象。与西方国家相比, 虽然我国的增强现实技术呈现出加速增长的趋势, 但是, 还存在一定的不足。

二、我国增强现实技术的特点及重要性

2.1增强现实技术的特点

增强现实技术的特点有很多, 比如, 虚实结合, 多角度三维立体感, 交互特性等。它的这些特征主要是由计算机信息技术的现状所造成的。虚实结合是增强现实技术最主要的特征, 是对虚拟技术的补充, 帮助用户体验到虚拟结合的视听效果, 而且多角度的三维立体感, 将其与真实场景的融合, 展现出真实世界和虚拟世界的信息, 达到增强用户的视觉冲击力, 将使用者加强实时互动, 获得更多的感官体验。

2.2增强现实技术的重要性

在21世纪的今天, 计算机信息技术有了很大的进展, 计算机信息已成为获取知识、对外宣传、浏览信息的重要渠道, 我国的计算机信息技术也有了很大的进步。对于基于信息技术下的增强现实技术, 是为满足时代发展需求的产物, 它也将会成为未来的重要应用[2]。增强现实技术能够很好的感知外界真实的环境, 虚拟融合, 在未来的应用展望中可以了解更多信息, 也将会被广泛的应用于军事、医疗、建筑、娱乐等中来。因此, 增强现实技术具有非常重要的现实意义, 对于我国未来的虚拟现实技术、三维立体感及真实世界和虚拟世界的结合等有着积极的推动作用。

三、基于信息技术下的增强现实技术的应用展望

随着计算机技术的不断发展, 大家对计算机技术的需求日益加大, 计算机增强现实技术也就顺势而生了。由于虚拟现实技术主要是停留在试验阶段, 并没有广泛地应用到现实生活中来, 所以, 增强现实技术还存在一些开发技术难点, 主要有物体成像、定位系统、数据传输和数据计算等。由于摄像机的角度与眼睛的位置有一定的偏差, 所以, 虚拟物体的定位毕竟会和实际中的现实角度有偏差。如果在较差的天气情况下, 采用GPS可能会产生一定的偏差, 也不适合商业化的应用, 而且宽带的限制也会虚拟现实应用的使用效果。

为了能有效增强现实技术未来的发展, 还需在实际的教学过程中, 加强对课程外的学习, 比如, 在大自然或者博物馆中进行自主学习, 这在一定程度上有利于开阔个人视野[3]。可以开发一套增强现实系统的技术, 可以通过户外用户来看到虚拟的军事设施, 将磁性传感器和跟踪技术结合在一定进行研究, 从而进一步加强现实技术的应用。参观漫游是增强现实技术的应用之一, 可将此技术应用到名胜古迹的参观之中, 之后便可进入到古代的环境中且了解相关信息。需要注意的是, 增强现实技术有一重要应用就是可以将虚拟的人物和事件与真实的进行混合, 带来一种较好的视觉效果和感受。而当下, 国内的增强现实系统还不够成熟, 与西方国家相比, 还存在一定的差异, 但是, 随着我国经济和技术的不断发展, 我国的增强现实技术也有了很大的发展和进步, 也呈现出加速增长的趋势。

结束语:

如今, 增强现实技术已成为大家关注的一大焦点, 由于计算机信息技术的发展给我们的日常生活带来了诸多便利, 有效满足了大家的日常及工作需求, 有效提升了整个工作效率, 保障了整个社会工作效率。而增强现实技术也帮助大家很好的感知外界真实的环境, 在未来的应用展望中可以了解更多信息, 不仅被广泛的应用于军事中, 而且用于户外学习、参观漫游等中来, 其重要性有目共睹, 它将会成为未来主要的应用之一。以上就是笔者对基于信息技术下的增强现实技术进行了相关介绍, 重点指出了基于信息技术下的增强现实技术的重要性、相关技术难点及未来应用展望。由于笔者对增强现实技术研究的还不太全面, 所以研究还有部分不太严谨的地方, 这也是笔者以后继续要努力探索。

参考文献

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[2]张灼.增强现实技术安全与风险管理之我见[J].信息技术与信息化, 2013, (3) :23-25.

基于增强现实技术的导航系统研究 篇9

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是一种将虚拟物体和真实环境“无缝”叠加在一起的技术,将在现实世界一定时间空间范围内很难体验到的实体信息,如视觉信息、声音、味道、触觉等,通过电脑等技术模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而获得超越现实的感官体验[1]。相比于虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR),增强现实技术增强了人对真实环境的感知与交互,它具有以下3个特征:(1)虚实结合:将虚拟物体和现实世界结合在一起,实现感官上的统一;(2)三维注册:增强现实技术与混合媒体(Mixed Media)的区分点,虚拟物体必须准确地注册到真实世界中,与真实世界完美融合,要求虚拟物体的注册位置是三维的[2];(3)实时交互:实时感知用户操作并互动。

增强现实技术由于具有对真实环境进行增强显示输出的特性,在医疗研究、精密仪器维修、古迹复原、娱乐与艺术等领域具有明显的优势[3]。

目前大多数智能手机的导航软件都以2D或3D形式提供导航服务,但这些都是通过矢量数据来提供地图导航,满足不了用户获取实时交通路况的需求,用户体验较差。本文提出一种通过手机摄像头获取实时路况,通过高德地图接口获取导航信息,并利用增强现实技术将路线指引和路况合成渲染,以提供更加直观的导航系统。

1 关键技术

1.1 增强现实技术

增强现实技术在智能手机客户端有两种实现方式:

(1)基于视觉的增强现实技术。它的识别方式分为基于标志(Marker Based)和非基于标志(Markerless)两种。其中,基于标志的识别又分为固定模板类和自定义模板类。

基于标志的主要代表是ARToolKit,其为采用C/C++语言编写的库。主要原理是预先将标志(Marker)图像信息保存,通过图像识别技术将当前图像中的标志图像识别出来,然后在标识图像上叠加信息[4]。效果如图1和图2所示。

目前,增强现实浏览器魔眼(Junaio)和Trading Card游戏等都采用了这种技术。但这种模板匹配方式的误识别率较高,一旦标志被遮挡将导致跟踪失败,所以不适合运用于户外导航。

非基于标志的主要代表是PTAM(Parallel Tracking and Mapping),其主要原理是从摄影图像上捕捉特征点,检测出平面,在上面建立虚拟的3D坐标,然后合成摄影图像和动画。其特点在于立体平面的检测和图像的合成采用并行处理方式[5]。

(2)基于智能手机上的GPS和传感器的增强现实技术。通过GPS获取当前位置的经纬度和高度,通过方向传感(Orientation Sensor)获取面向的方向和倾斜的角度,然后根据这些位置信息叠加相关信息[4]。目前荷兰SPRXmobile公司研发设计的增强现实手机浏览器Layar、Wikitude公司开发的Wikitude drive与Wikitude World Browser等都基于这种技术。

本文采用基于智能手机的GPS和传感器的增强现实技术来实现户外导航系统功能。

1.2 Android手机传感器原理

目前大多数Android智能手机都配备有测量运动、方向和环境的传感器。包括:加速度传感器、磁力传感器、方向传感器、陀螺仪传感器、温度传感器等[6]。

本系统主要采用方向传感器。当设备保持默认方向时(见图3),X轴指向屏幕面板的外部,Y轴水平向右,Z轴垂直向上。在方向传感器SensorEvent类中的Values的3个值分别对应3个坐标轴的角度数据,含义如下[7]:

Values[0]:方向角的大小,也就是手机绕着X轴旋转的角度。Values[0]的取值范围为0~360。0或360表示手机朝向正北;90表示手机朝向正东;180表示手机朝向正南;270表示手机朝向正西。

Values[1]:倾斜角的大小,也就是手机绕着Y轴旋转的角度。Values[1]的取值范围为-180~180。当手机屏幕朝上水平放置时,Values[1]的值为0;将手机头部抬起,绕Y轴旋转,当手机屏幕朝下水平放置时,Values[1]的值为180;将手机尾部抬起,绕Y轴旋转,当手机屏幕朝下水平放置时,Values[1]的值为-180[6]。

Values[2]:侧翻角大小,也就是手机绕Z轴旋转的角度。Values[2]的取值范围为-90~90。当手机水平放置时,Values[2]的值为0;当手机屏幕面向左侧时,Values[2]的值为-90;当手机屏幕面向右侧时,Values[2]的值为90。

1.3 Android定位原理

本系统使用Android手机自带的GPS进行粗略定位,同时也使用高德地图提供的定位SDK进行精确定位。定位的基本原理:当应用程序向定位SDK发起定位请求时,定位SDK会根据当前的GPS、WiFi信息生成相对应的定位依据。如果需要,定位SDK也会向定位服务器发送网络请求,然后根据请求的定位依据推算出对应的坐标位置,生成定位结果后返回给定位SDK[8]。

2 系统实现

2.1 系统总体框架

系统流程如图4所示。

2.2 地图定位

在MainActivity中调用高德地图的地图SDK和定位SDK。首先进行地图初始化,加载地图,通过LocationManagerProxy每隔固定时间发起一次定位请求。再通过OnLocationChangedListener中onLocationChanged()方法使用aMapLocation.getLatitude()和aMapLocation.getLongitude()获得经纬度;AMapLocation.getExtras()方法获取位置的描述信息,包括省、市、区以及街道信息,并以空格分隔。最后将地图中心定位到该位置。地图可进行缩放。运行效果如图5所示。

2.3 路线规划

点击图5中的出发按钮,跳转到RouteActivity进行路线规划。路线规划有3种模式可以选择,分别为公交模式、驾车模式、步行模式。为了便于测试,我们只选择步行模式。可以选择输入起点和终点或者在地图上点击起点和终点。为了提高精确度,对起点和终点附近的兴趣点进行搜索,并显示在ListView上让用户点击确认。界面如图6所示。以起点为例,点击确认后,通过RouteSearchPoiDialog获得startpoiItem,再通过startpoiItem.getLatLonPoint()方法转换成起点的经纬度。获得起点和终点的经纬度,用searchRouteResult(LatLonPoint startPoint,LatLonPoint endPoint)方法进行路径规划。再通过回调方法onWalkRouteSearched()获取路径WalkPath,并将路径的节点WalkRouteOverlay覆盖在地图上,运行效果如图7所示。

2.4 增强现实导航

通过路径规划获取路径WalkPath,路径节点列表由walkPath.getSteps()获得。通过Intent将其传递到NaviActivity中。

在NaviActivity中先开启摄像头,创建一个相机预览的类cameraPreview,继承SurfaceView类,并实现SurfaceHolder接口。SurfaceHolder.Callback()方法进行预览。然后根据Intent传递过来的stepList,通过stepList.get(i).getAction()可获取一个节点的导航信息。根据其判断加载直行箭头、左转箭头或者右转箭头(箭头通过Android的Graphics类绘制而成)。本次测试中获取的第一个节点导航信息是左转,所以加载左转箭头,并用TextView将详细的导航信息显示出来,效果如图8所示。

2.5 传感器实时导航

从图8可以看出预先设定的预览屏幕是横屏,但是用户在导航过程中不可能将手机姿态一直保持水平状态,所以需要利用手机的传感器数据,使箭头根据手机姿态的变化而旋转,实时指向正确的前进方向。首先要注册和监听方向传感器,当传感器变化时,在SensorEventListener中获取传感器变化的参数数组。调用SensorManager.getRotationMatrix方法获取旋转矩阵,然后调用SensorManager.getOrientation方法获取有手机方位信息的参数数组。将数组转为角度信息,对应图3的X、Y、Z轴信息。把数组回调给绘制箭头的类ArrowView,控制箭头的旋转。手机横屏旋转后的效果如图9和图10所示。

最后当用户接近路径的下一个节点时,用Android定时器对导航信息和箭头进行刷新。

3 结语

本系统在Android平台下,采用高德地图接口实现地图定位和路线规划功能,并采用基于GPS和方向传感器的增强现实技术将指引箭头和路况合成渲染,给予用户更直观的导航体验。

本系统还可扩展到大型场所的室内导航,也可以把景点作为兴趣点应用于旅游景区导航。

参考文献

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增强现实技术与标准化 篇10

这些场景并不是出现在科幻电影里,而是AR技术带给受众的全新视觉体验。

一、什么是AR技术?

AR(Augmented Reality)技术,即指增强现实技术,是利用计算机技术生成一种逼真的视、听、触和动等感觉的虚拟环境,通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,把虚拟的图像、视频和文字讯息与现实生活景物结合在一起,实现用户和环境直接进行自然交互。

以阅读报纸为例,读者安装AR软件后,通过摄像头扫描报纸,报纸上平面单调的文字形态就会以立体逼真的视频、音频甚至3D影像等多媒体形态呈现在手机屏幕上,让读者以立体、交互的方式阅读,实现在报纸上看视频新闻、听歌、购物、玩游戏……新闻可以更新更快更全面,广告可以更新颖更有趣,实现全媒体的立体传播效果。

二、传统媒体利用AR技术的实践案例

近年来,以数字技术为基础,依托网络载体进行信息传播的新媒体,凭借其交互性和时效性的优势,迅速发展壮大,对电视、报刊等为代表的传统媒体形成了巨大冲击。传统媒体正经历前所未有的转型阵痛,迫切需要借助新技术,推动自身融合发展。

作为一种新兴技术,AR技术在国内的应用已经延伸至各个领域,比如教学培训、智能穿戴、科普体验、广告营销等方面,其所呈现的效果让大家惊诧不已,甚至有评论网站直指,这可能是近年来最热的Web趋势之一。Facebook CEO马克·扎克伯格曾说,虚拟现实将成为继智能手机和平板电脑等移动设备之后,计算平台的又一大事件。

AR技术的不断成熟,为传统媒体实现立体交互式、全媒体传播提供了契机。

2013年初,日本《东京新闻》推出了一款采用AR技术的软件,读者通过手机扫描报纸版面后,在手机屏幕上看到的文字可以翻转,标题则会通过动画的形式出现,一些关于经济、传统文化等原本乏味的话题瞬间变得生动活泼起来。不仅如此,一些商家也在报纸上投放能够吸引读者的互动广告。事实上,从这款AR软件在苹果应用商店上不断快速增长的下载量上来看,《东京新闻》无疑已经拥有了越来越多的读者。

2013年11月8日,广西日报传媒集团整合应用QR(二维码)、AR(增强现实)等技术,推出“广传魔码”(如图)。读者安装手机“魔码”客户端后,通过扫描报纸“魔码扫一扫”字样旁边的QR或AR图片,精彩的视频、音频新闻等内容就会跃上手机屏幕,打破了传统媒体阅读界限,实现立体、交互式的阅读体验。

2014年巴西世界杯期间,中央电视台综合运用多种技术,全面实施台网联动,实现了电视屏幕、电脑屏幕、手机屏幕的多屏互动,开启“全媒体报道时代”。其中体育频道一档名为《豪门盛宴》的节目就充分运用了AR技术。当主持人介绍巴西队情况时,观众通过电视屏幕看到了巴西队核心球员内马尔的三维影像,“他”走进央视直播大厅,与观众们挥手致意,同主持人进行互动,最后还表演了点球射门,精彩炫酷的画面迅速吸引了观众的眼球,节目收视率节节攀升。

三、对传统媒体加快媒体融合发展、创新媒体传播模式的启示

1、AR技术对于传统媒体创新信息传播模式是一次机遇

如今传媒行业变革激荡,新兴媒体发展迅速,传统媒体面临诸多困境,一是生存之困,市场占有率和盈利能力不断下降;二是转型之困,面对新媒体、自媒体的强烈冲击,传统媒体的信息传播模式亟待改变。AR技术的出现,无疑是传统媒体运用新技术新应用创新媒体传播方式的一次机会。报纸、电视本身就具备了丰富的内容,如果能很好与AR技术融合起来,借助AR技术实现多样化、立体化、交互式、全媒体式传播,有利于引导其逐步转型,实现新的跨越发展。

2、AR技术有助于优化用户体验,在培养纸媒读者阅读兴趣、激发读者互动热情等方面的应用前景值得期待

百度创始人李彦宏首次提出互联网思维后,业界对此有着较多的议论和不同的观点,但有一点基本达成共识,那就是重视和优化用户体验。AR增强现实与虚拟之间的互动,使读者在阅读时,纸媒能有更多信息被展示出来,区别以往报纸呆板的形象,给了读者以全新的视听体验,这对于培养纸媒读者新的阅读兴趣点,吸引更多的读者重新拿起报纸,显然具有一定的推动作用。

3、AR技术有助于增强电视与视频节目的现场感和互动感

2008年CNN对美国总统大选的电视报道中就很好地运用了AR技术,在大选现场的记者并不是通过普通的连线进行报道,而是电视台利用AR技术,使他的三维影像同时“出现”在了演播室,与主持人进行讨论。

从这个案例可以看出,电视节目利用AR技术,整合了时间与空间,将虚拟的形象放置于真实的环境之中,使真实与虚拟结合,给观众身临其境的感觉。这对于增强电视节目的现场感,激发观众互动参与的热情,将起到巨大的推动作用。

4、AR技术还可以应用到媒体融合集成产品生产、移动客户端推广等领域

近年来,传统媒体在坚持“内容为王”的原则下,通过对新闻内容的“再编辑、再加工、再包装”,组织策划了多种形式的媒体融合集成产品,不断探索创新网络信息时代条件下新的传播模式。

在如今这个网民占主导的Web2.0时代,“互动性”日益成为产品传播的制胜关键,而“参与度”极高的AR技术,通过虚拟三维影像等方式与受众的感官现实相结合,实现产品与用户的立体化互动,为传统媒体创新融合集成产品的表现形式,逐步实现互动式传播方式提供了可借鉴的思路。

随着传统媒体向新媒体转型融合步伐的加快,基于智能手机等移动终端载体的客户端产品如雨后春笋般涌现出来,如何在这些客户端产品中脱颖而出,除了坚持打造高品质新闻信息聚合服务平台的理念外,还可将AR增强现实等先进技术与移动客户端的优质内容互为补充,先期可通过对部分互动性较强的栏目内容进行AR应用开发,吸引受众参与,这也有助于增加用户对移动客户端的依赖性和黏合度,进而进一步扩大传统媒体的影响力和传播力。

四、可能面临的几个问题

AR技术的出现,为报刊、电视等传统媒体利用新媒体技术,革新传播模式,走全媒体融合之路提供了一种途径。但目前,AR技术在国内传统媒体并未得到更好的推广,应用AR技术还存在一定的局限性。

1、持续的技术和资金投入会增加传统媒体的生产成本

业内人士指出,AR技术的实现需要成立一个优秀的团队,有一定的资金投入,购置高质量的设备,印刷出的文字图片信息、拍摄出的视频画面还要经过复杂的技术处理才能实现增强现实的效果,这些因素无疑会导致传统媒体生产成本和发行成本的上升。

2、如何借助AR技术创新盈利模式仍有待进一步探索