遙感方向的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)研究

翟 濤，杜慶東

（沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院 遼寧 沈陽 110034）

遙感方向的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)研究

翟 濤，杜慶東

（沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院 遼寧 沈陽 110034）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將計(jì)算機(jī)渲染生成的虛擬場(chǎng)景和真實(shí)世界中的實(shí)際場(chǎng)景無縫結(jié)合起來的一種全新技術(shù)。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們通過計(jì)算機(jī)與世界交流和接觸的實(shí)際愿景更加需要實(shí)踐發(fā)展的機(jī)會(huì)，因而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)便是在這樣的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中獲得了較大的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為下一代人機(jī)交互的重要發(fā)展方向，具備很好的研究?jī)r(jià)值。文章從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的現(xiàn)實(shí)發(fā)展?fàn)顩r入手并整合遙感方向的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了基于遙感的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)的研究，旨在為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展提供全新的方向。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；遙感；虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其能將計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景和實(shí)際場(chǎng)景相結(jié)合的功能而成為現(xiàn)代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的革命性突破，該技術(shù)的應(yīng)用為計(jì)算機(jī)與空間信息的交互發(fā)展提供了更大的空間，也使人對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用有了更深的體驗(yàn)，在1966年由Ivan Sutherland發(fā)明的頭盔顯示器獲得實(shí)際應(yīng)用之后，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)便獲得了不斷地發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)的研究深入以及計(jì)算機(jī)數(shù)字科學(xué)的發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，同時(shí)以日常使用為主要用途的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型產(chǎn)品也屢見不鮮，這都預(yù)示著一個(gè)全新的移動(dòng)信息時(shí)代的開啟，而與此同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)的研究領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，遙感與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合便是這樣一個(gè)全新的嘗試。

1 遙感與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

1.1 遙感技術(shù)的定義

遙感是一種非接觸的，具有遠(yuǎn)端探測(cè)能力的科學(xué)技術(shù)。一般指的是運(yùn)用空間傳感器或者遙感器接收來自物體的電磁波輻射信號(hào)，以獲取被偵測(cè)物體的相應(yīng)信息的技術(shù)。遙感的應(yīng)用以地球科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和現(xiàn)代化互聯(lián)網(wǎng)為主要載體，對(duì)于被偵測(cè)物體的相關(guān)性質(zhì)有良好的呈現(xiàn)能力。遙感經(jīng)過無記錄地面遙感、有記錄地面遙感、空中攝影遙感階段、現(xiàn)代遙感發(fā)展等幾個(gè)階段不斷發(fā)展和革新，在使用的設(shè)備和探測(cè)的準(zhǔn)確性上有了良好的提升，同時(shí)對(duì)于可探測(cè)物的范圍和距離也都有了一定程度的提升。遙感科學(xué)對(duì)我國(guó)氣象、地理、防災(zāi)減災(zāi)等工程研究領(lǐng)域的貢獻(xiàn)十分巨大，通過不斷加強(qiáng)空間遙感影像的分辨率最終將形成良好的探測(cè)科學(xué)與地理科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步局面。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有兩種較為通用的定義，其中一種定義來自于1994年P(guān)aul和Fumio提出的“現(xiàn)實(shí)—虛擬連續(xù)體”這一定義描述的是虛擬物體與真實(shí)相結(jié)合的顯示環(huán)境，這一定義將真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境分為兩極，其中靠近真實(shí)環(huán)境的一端叫作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，而靠近虛擬的一端被定義為增強(qiáng)虛擬。

第二種定義是根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3種具體特征來定義的，這一定義在1997年由北卡羅來納大學(xué)的Ronald提出，虛實(shí)結(jié)合、三維注冊(cè)、實(shí)時(shí)交互是這一技術(shù)突出的特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)可以進(jìn)行如下的定義：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是對(duì)真實(shí)與虛擬環(huán)境的融合，并加強(qiáng)人們對(duì)主觀意識(shí)上的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的注意力，提升感官綜合作用特性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬環(huán)境的交融與溝通。

根據(jù)以上定義可以看出，雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是從虛擬現(xiàn)實(shí)的概念之中得到發(fā)展的，然而卻與虛擬現(xiàn)實(shí)有較大的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)利用虛擬物體和環(huán)境的模擬使得感受者仿佛身臨其境，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則側(cè)重于對(duì)人的實(shí)際現(xiàn)實(shí)感受的增強(qiáng)。

1.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其卓越的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)已逐漸為眾多行業(yè)所使用和進(jìn)行創(chuàng)新性研究，比如房地產(chǎn)、商場(chǎng)、數(shù)碼、教育出版等行業(yè)或企業(yè)進(jìn)行相關(guān)的產(chǎn)品展示、理念闡述等。在很大程度上與公眾形成了良好的互動(dòng)與交流體驗(yàn)，讓參與者能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)和良好的信息溝通渠道。因?yàn)槠渚哂辛己玫慕换バ院托畔⒊休d性的特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的用作信息展示的數(shù)字化平臺(tái)即平面顯示系統(tǒng)的應(yīng)用縮小，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得公眾接受信息的維度從2D變?yōu)榱?D，形成了立體式的信息接納體系，從而獲得一種良好的視覺體驗(yàn)，提高商品信息的豐富度。故而目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件廣泛適用于商場(chǎng)、電子產(chǎn)品營(yíng)銷、樓盤展售等需要較強(qiáng)的互動(dòng)體驗(yàn)與實(shí)景體驗(yàn)的場(chǎng)所。

2 遙感方向的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理以及計(jì)算機(jī)編程原理等科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，由于其實(shí)現(xiàn)了真實(shí)世界中的虛擬和虛擬平臺(tái)上的真實(shí)體驗(yàn)相結(jié)合的功能，故而具備良好的應(yīng)用前景。而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之中，跟蹤注冊(cè)、顯示技術(shù)、智能交互技術(shù)等都是極為重要的部分。

2.1 跟蹤注冊(cè)技術(shù)

應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件之中的跟蹤注冊(cè)技術(shù)主要體現(xiàn)為使用攝像機(jī)和硬件傳感器為主并將其作為主要跟蹤對(duì)象的技術(shù)和將人及其周圍的信息作為主要跟蹤對(duì)象的技術(shù)。在該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過程中，GPS全球定位系統(tǒng)和GIS地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了連接通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊的重要功能，其中的核心應(yīng)用比如：Web-GIS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)。它是一種全球化、集成的客戶端、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在目前的Web-GIS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)開發(fā)中，具有多種開發(fā)模式，比如：arcGIS api for flex+flexbuilder.以及arcGIS+Silverlight+Vs，arcgis api for javascript+html（本文所述）。在Web-GIS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)軟件的后臺(tái)開發(fā)方面，開源的超文本預(yù)處理器（Hypertext Preprocessor，PHP）語言、Java語言都很好地解決了Web-GIS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)后臺(tái)程序的兼容性問題。因而在實(shí)際的應(yīng)用中較少會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)無法與計(jì)算機(jī)匹配的問題，很大程度上解決了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的信息交互與多媒體互聯(lián)應(yīng)用的問題。

同時(shí)，以人為主要跟蹤對(duì)象的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)遙感軟件可以遍布到人們生活的各個(gè)方面，由于衣食住行都與空間地理數(shù)據(jù)息息相關(guān)，諸如城市公交車站點(diǎn)的查詢，公共自行車位置的查詢，各種客戶端應(yīng)用的位置服務(wù)。這些都是空間地理信息系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算輸出的結(jié)果，而將人作為跟蹤對(duì)象的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用會(huì)以人為第一視角，通過對(duì)其周圍景與物、具體地標(biāo)的分析與測(cè)算實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人位置的實(shí)時(shí)界定。

一些主流A P P可以利用應(yīng)用程序的調(diào)用接口（Application Programming Interface，API）數(shù)據(jù)端口進(jìn)行相對(duì)位置的計(jì)算，精確地理信息的輸出，甚至可以內(nèi)嵌地圖應(yīng)用，而這些應(yīng)用可以全面地支持PC端和移動(dòng)客戶端，這就使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平臺(tái)擴(kuò)展到不同的領(lǐng)域，而不僅是單一的應(yīng)用于工程、測(cè)繪、橋梁、水利等公用項(xiàng)目中，也不單單是科學(xué)研究。而可以明確的是方便人的檢索和使用是遙感類型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件發(fā)展的主要方向。

2.2 遙感方向的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的顯示技術(shù)

視覺是人類與外界環(huán)境之間最為重要和直接的信息交流方式。因此基于現(xiàn)實(shí)并利用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端信息的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的必須技術(shù)之一。顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件中的重要技術(shù)，常見的顯示系統(tǒng)中包括頭盔顯示器、手持式顯示器、投影顯示等。

2.2.1 頭戴式顯示器

頭戴式顯示器常與基于攝像機(jī)原理的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)一同出現(xiàn)，使人感覺到沉浸感。頭戴式顯示器以視頻呈現(xiàn)圖像為主，用戶通過頭盔上一個(gè)或數(shù)個(gè)相機(jī)來獲取實(shí)時(shí)圖像，并經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理和虛擬渲染等步驟使得虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)景物貼合，最終在顯示器內(nèi)獲得顯示。

目前比較成熟的頭盔顯示器為微軟推出的Meta2以及Google公司的光學(xué)透視式頭盔顯示器。在以上產(chǎn)品結(jié)合具有遙感功能的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行圖像顯示時(shí)能夠更好地保證遠(yuǎn)端道路、山川在細(xì)節(jié)上的呈現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn)定位和細(xì)節(jié)檢索。

2.2.2 計(jì)算機(jī)屏幕顯示器

計(jì)算機(jī)屏幕顯示器通常具有較高的分辨率和視覺效果，可以滿足商業(yè)用戶的實(shí)際需求，比如在辦公室環(huán)境內(nèi)對(duì)一定距離之外的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行增強(qiáng)。在該顯示器接受到來自遙感信息系統(tǒng)回傳的地理圖像數(shù)據(jù)之后即可開始3D渲染和連通平面地圖進(jìn)行重要地理信息的同步標(biāo)識(shí)。通常可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的虛擬物體和場(chǎng)景的渲染還原，同時(shí)該平面顯示系統(tǒng)的實(shí)際造價(jià)較低，從而性價(jià)比較高。適合在遙感增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件獲得大面積開發(fā)應(yīng)用之后進(jìn)行普及使用，可顯著提升信息顯示的綜合程度和現(xiàn)實(shí)感。

2.3 遙感方向的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的智能交互技術(shù)

為了提升增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的智能化水平而進(jìn)行的諸如手勢(shì)交互、鍵盤交互、投影交互等手段已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)層面上實(shí)現(xiàn)了遙感增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的智能化水平。智能手機(jī)的可觸控屏幕算是鍵盤交互的一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。通過一些模擬效果較好的動(dòng)畫或者切換方式來達(dá)到用戶身臨其境的體驗(yàn)的效果。然而始終無法實(shí)現(xiàn)真正的“人機(jī)交互”。手勢(shì)交互作為新型交互手段，以人的手作為基本指令源，通過特定的手勢(shì)來變換或顯示三維模擬物體及場(chǎng)景。

3 結(jié)語

綜上所述，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)今信息化時(shí)代的發(fā)展不斷擴(kuò)大，2016年7月份，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已由Gartner公司認(rèn)定正式從概念炒作階段步入商業(yè)化運(yùn)作的準(zhǔn)備期。在這一時(shí)期進(jìn)行結(jié)合遙感技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件的聯(lián)合研究更加具有良好的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也可以看到這一應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展的潛力，而相關(guān)的技術(shù)研究和綜合分析有助于形成系統(tǒng)的理論，幫助遙感增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)較快發(fā)展。

Research on augmented reality software technology of remote sensing direction

Zhai Tao, Du Qingdong
（Software School, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China）

Augmented reality is a new technology which seamlessly combines the virtual scene generated by computer rendering with the actual scenes in the real world. Thanks to the rapid development of computer technology, practical wish to communicate and interact with the world through computers needs more practical development chance for people, therefore, augmented reality technology has made great progress in such a realistic environment. Augmented reality, as an important development direction of the next generation of human-computer interaction, has a very good research value. This paper starts from the related application of the real development status of augmented reality software and integrated related application of remote sensing direction to study the augmented reality software technology based on remote sensing, to provide a new direction for the development of augmented reality technology.

augmented reality; remote sensing; virtual reality

翟濤（1992— ），男，山西永濟(jì)人，碩士研究生；研究方向：移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)。