圖書館增強(qiáng)現(xiàn)實導(dǎo)航系統(tǒng)研究

周偉

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實作為將虛擬影像和現(xiàn)實場景實時合成的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)、軍事以及娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。把增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于圖書館檢索導(dǎo)航，通過把圖書館庫存資料通過導(dǎo)航符號疊加于圖書館真實場景?？梢詭椭殚喺哐杆佾@取圖書在書架上的準(zhǔn)確位置。

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

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實是將計算機(jī)生成的虛擬物體或其他信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實信息的“增強(qiáng)”與“拓展”。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)綜合了計算機(jī)圖形、多種傳感器技術(shù)、融合顯示、圖像處理、人工視覺等多種技術(shù)。以往的圖書館檢索系統(tǒng)，僅僅標(biāo)示了圖書的館藏編號及對應(yīng)的書架編號。如果通過人工尋找圖書在書架上的定位，讀者要找到某一本書并不容易。隨著移動計算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)備上的應(yīng)用越來越多。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)，使讀者可以通過手持式移動設(shè)備，利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以觀看到的圖書位置及書本信息實時地疊加于館內(nèi)書架上。比以往的平面導(dǎo)航方式更為直觀。

1 國內(nèi)外研究及應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實導(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。飛行員通過前視風(fēng)擋就可以看到各類飛行參數(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)實系統(tǒng)中注冊技術(shù)的實現(xiàn)。為了培訓(xùn)學(xué)員學(xué)習(xí)計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的研究小組于1996年在實驗室實現(xiàn)了早期的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)。加拿大多倫多大學(xué)的Milgram提出了一個虛擬環(huán)境與真實環(huán)境的關(guān)系圖譜。我國浙江大學(xué)CAD國家重點(diǎn)實驗室在三色立體基準(zhǔn)注冊和高精度視頻目標(biāo)跟蹤算法方面取得了較大的進(jìn)展。華中科技大學(xué)的明德烈等在視覺注冊技術(shù)上提出了自己的仿射坐標(biāo)變換法，能夠簡單而快速地實現(xiàn)注冊中的坐標(biāo)變換。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在公共環(huán)境中已進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域。由Nokia開發(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)實的運(yùn)行平臺，該手機(jī)運(yùn)用加速計、角度儀以及GPS定位實現(xiàn)手機(jī)的絕對姿態(tài)跟蹤定位，并通過藍(lán)牙無線接口向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)采用的三維注冊技術(shù)

三維注冊技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，為的是達(dá)到真實環(huán)境和虛擬影像的融合。要將虛擬景象與真實景象進(jìn)行無縫拼接，產(chǎn)生使現(xiàn)實世界的元素得到增強(qiáng)的視覺效果，必須將虛擬物體準(zhǔn)確地融合到現(xiàn)實世界中的相應(yīng)位置上。目前已經(jīng)擁有多種方法對真實場景進(jìn)行定位與跟蹤來實現(xiàn)注冊，如視頻檢測、GPS定位、射頻裝置定位、慣性導(dǎo)航、磁場檢測等。對于類似圖書館導(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)跟蹤需要實時地計算用戶攝像機(jī)的姿態(tài)，也就是獲得攝像機(jī)坐標(biāo)系與真實世界坐標(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)建的圖書館導(dǎo)覽系統(tǒng)，將在圖書館內(nèi)均勻布置Wifi射頻裝置，每個發(fā)射器的有效覆蓋范圍可至一些圖書存放架。當(dāng)用戶進(jìn)入場館時，用戶移動設(shè)備將接收到發(fā)射器發(fā)送的信號，系統(tǒng)通過對Wifi信息的處理，可以獲取進(jìn)行三維注冊所需的用戶空間位置信息。圖書館導(dǎo)航系統(tǒng)首先存入真實場景三維位置信息，在此基礎(chǔ)上獲得虛擬物體在真實場景中的三維注冊信息。同時移動設(shè)備自帶的慣性裝置和陀螺儀將實時跟蹤攝像頭的指向。使用包圍盒算法計算用戶與目標(biāo)之間是否有障礙物。障礙物后目標(biāo)與直接可視目標(biāo)所顯示符號會有區(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提示用戶轉(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和文字信息。要在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中建模要考慮空間準(zhǔn)確性，實時性和可控性。關(guān)鍵是兩個方面：設(shè)備自身攝像頭在空間中的定位和跟蹤；虛擬物體在真實空間中的定位。當(dāng)攝像機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化時，虛擬物體的注冊位置也要發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)涉及虛擬物體坐標(biāo)系、真實場景坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、2D成像平面坐標(biāo)這4個坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。虛擬物體自身擁有虛擬坐標(biāo)系，用于確定虛擬物體和真實空間之間的實時關(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。用戶能看到地板以下或者天花板上方的定位符號以提供導(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)實場景中，達(dá)到虛實融合的目的。系統(tǒng)需要實時跟蹤手機(jī)在真實場景中的位置及姿態(tài)，并根據(jù)這些信息計算出虛擬物體在攝像機(jī)中的坐標(biāo)。過程中需要考慮多種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)虛擬物體和真實環(huán)境的“無縫”對接。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”這個坐標(biāo)系影響著投影到顯示器上的結(jié)果，以及真實世界坐標(biāo)系。

信息合成要同時處理真實和虛擬兩種視頻流，會帶來大約十幾毫秒的延遲。真實和虛擬兩種視頻流無法同步，會得到不理想的結(jié)果。而視頻攝像機(jī)所拍攝的圖像幾乎都會對景物造成光學(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)軸線與用戶眼睛軸線完美重合；攝像機(jī)視角與用戶視場相一致。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實際觀看環(huán)境有較大的差距。同時手持設(shè)備還存在用戶手部無意識抖動引起跟蹤注冊準(zhǔn)確性降低的問題。對性能較低的手持設(shè)備每一幀檢測抖動補(bǔ)償會產(chǎn)生延時，降低注冊的實時性。

4 結(jié)論

本文提出一種用于圖書館導(dǎo)覽的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，探索該技術(shù)在公共服務(wù)領(lǐng)域的實用性。其三維注冊精度為+-0.5米。使用射頻信號作為注冊方法，可避免人工視覺中因為障礙物干擾和室內(nèi)光線變化而導(dǎo)致注冊失敗。其缺點(diǎn)是不能實時跟蹤每一本書的真正去向，書本的定位依據(jù)以數(shù)據(jù)庫為準(zhǔn)。如果圖書擺放錯誤導(dǎo)致圖書所在與數(shù)據(jù)庫不符，則導(dǎo)航會失效。由于射頻信號的限制使用范圍只限于圖書館內(nèi)部。

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