郭小成

（河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 江蘇 211100）

0 引言

目前，絕大多數(shù)的餐飲企業(yè)的點(diǎn)餐過(guò)程仍然停留在單一、乏味的文字或圖案菜譜上，無(wú)法展現(xiàn)菜式的詳細(xì)信息，僅憑稀奇古怪的菜名常常讓客戶不知所云;其次，傳統(tǒng)的點(diǎn)餐方式需要服務(wù)員借助筆、紙張和計(jì)算器等工具，不僅破壞了自由點(diǎn)餐的空間，也耗費(fèi)了大量的人力和物力;再者，基本上每家餐廳都需要定期更換菜譜，而傳統(tǒng)的菜譜制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力;最后，傳統(tǒng)的點(diǎn)餐方式缺少分享和推送功能，不利于餐飲企業(yè)特色菜、招牌菜的推廣。

本文將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到餐飲企業(yè)的點(diǎn)餐過(guò)程中，對(duì)傳統(tǒng)菜譜進(jìn)行適當(dāng)修改，再利用手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備的攝像頭作為數(shù)據(jù)采集裝置，將采集到的圖像數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器端對(duì)接受到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取特征值和分類判別等步驟識(shí)別出菜式，再利用投影變換矩陣原理，實(shí)時(shí)注冊(cè)跟蹤并在客戶移動(dòng)設(shè)備的屏幕上疊加接近真實(shí)的三維菜色模型。從而可以讓用戶對(duì)菜色的外觀、味道、成份和用戶評(píng)價(jià)等信息有一個(gè)清晰直觀的了解，有效地增強(qiáng)客戶就餐的服務(wù)體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。廚房終端是普通的PC機(jī)，通過(guò)B/S模式訪問(wèn)，采用Ajax技術(shù)實(shí)時(shí)更新客戶的訂單信息?？蛻粢苿?dòng)終端可以是手機(jī)、平板等帶有攝像功能的移動(dòng)設(shè)備。

客戶在移動(dòng)終端上運(yùn)行系統(tǒng)的Android應(yīng)用程序之后，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)餐廳的菜譜，將拍攝到的圖片上傳到服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)對(duì)圖片進(jìn)行去噪、濾波和平滑等預(yù)處理，提取圖片的特征值，然后以數(shù)據(jù)挖掘的算法進(jìn)行分類，識(shí)別出對(duì)應(yīng)的菜式，隨后從數(shù)據(jù)服務(wù)器取出該菜式對(duì)應(yīng)的三維模型和相關(guān)信息。最后移動(dòng)終端接受該菜式的信息，利用投影變換矩陣原理，實(shí)時(shí)注冊(cè)跟蹤并在客戶移動(dòng)設(shè)備的屏幕上疊加接近真實(shí)的三維菜色模型和相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)涉及兩個(gè)重要的過(guò)程。一是識(shí)別文字菜譜的過(guò)程，只有正確識(shí)別出客戶指定的菜式，才能提供正確的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息；二是實(shí)時(shí)跟蹤注冊(cè)過(guò)程，需要通過(guò)投影變換矩陣技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出攝像頭與菜譜標(biāo)識(shí)物的相對(duì)位置，才能準(zhǔn)確的加載虛擬的三維模型，以達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果。

2.1 菜譜識(shí)別過(guò)程

2.1.1 傳統(tǒng)菜譜的修改

首先需要對(duì)傳統(tǒng)的文字菜譜進(jìn)行適當(dāng)修改，以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)識(shí)物簡(jiǎn)單、易區(qū)分、易識(shí)別的特點(diǎn)。在修改過(guò)程中，需要滿足以下兩條原則。

菜譜上的菜式可以是任意的文字或圖案，但一定不能中心對(duì)稱或軸對(duì)稱，否則虛擬物體會(huì)上下或左右倒置。

菜譜上的菜式的文字或圖案應(yīng)該越簡(jiǎn)單越好，越簡(jiǎn)單識(shí)別速度越快。其中，黑白相間的圖案可以有效地加速標(biāo)識(shí)物的邊緣探測(cè)。

圖1 系統(tǒng)的體系架構(gòu)

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從客戶移動(dòng)終端的攝像頭獲取到圖像后，在移動(dòng)終端進(jìn)行初步的處理，將圖像進(jìn)行灰度化處理和適當(dāng)壓縮。上傳到服務(wù)器之后，對(duì)圖像進(jìn)行去噪、濾波、平滑和提取邊緣等 處理。

2.1.3 提取特征值

提取特征值過(guò)程實(shí)質(zhì)上是在圖像上檢測(cè)“興趣點(diǎn)”，然后對(duì)這些“興趣點(diǎn)”轉(zhuǎn)換為特征向量。這里我們采用SURF算法[2]生成一個(gè)64維的向量，該算法提取的特征向量對(duì)光照和視角變換的影響很小，對(duì)平移，旋轉(zhuǎn)和縮放也能保持不變性[4]。

2.1.4 分類判別分析

因?yàn)镾VM能較好地解決小樣本、非線性、高維數(shù)的分類問(wèn)題，在圖像識(shí)別上有先天的優(yōu)勢(shì)[2]。在使用SVM分類器進(jìn)行分類時(shí)，包含以下兩個(gè)階段：

模型訓(xùn)練階段，首先需要預(yù)先將菜譜中的菜式圖案上傳到服務(wù)器，服務(wù)器端對(duì)這些圖片進(jìn)行預(yù)處理，提取特征值生成特征向量之后，輸入到SVM模型中進(jìn)行訓(xùn)練。

在線識(shí)別階段，客戶移動(dòng)終端將獲取到的圖像上傳到服務(wù)器，服務(wù)器端對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，提取特征值生成特征向量作為之前訓(xùn)練好的SVM模型的輸入，輸出即為分類結(jié)果。

2.2 跟蹤注冊(cè)過(guò)程

2.2.1 投影矩陣變換原理

在進(jìn)行標(biāo)識(shí)物的跟蹤注冊(cè)時(shí)，涉及到三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，分別是客觀世界絕對(duì)坐標(biāo)系，攝像頭坐標(biāo)系和標(biāo)識(shí)物平面坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系統(tǒng)

為了獲取攝像頭的位置和方向，可以通過(guò)式(1)[5]將菜譜坐標(biāo)（Xmc，Ymc，Zmc）轉(zhuǎn)換到攝像頭坐標(biāo)（Xcc，Ycc，Zcc）。式(1)中，變換矩陣由一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣V3×3和一個(gè)平移矩陣V3×1組成。

在攝像頭的定標(biāo)過(guò)程中，可以由公式(2)[5]獲得攝像機(jī)的透視投影矩陣P，即攝像頭坐標(biāo)系到絕對(duì)世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

式(2)中，f 為攝像頭鏡頭焦距；Sx 與Sy 分別為X 軸、Y 軸方向的比例因子，(x0，y0）為人眼坐標(biāo)系中Z軸的位置[1]，K是校準(zhǔn)參數(shù)。

因?yàn)椴俗V對(duì)應(yīng)的矩形區(qū)域四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)是確定的，移動(dòng)終端屏幕顯示區(qū)域四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)也可以實(shí)時(shí)獲得。在確定了V3×3矩陣之后，就可以計(jì)算出從菜譜坐標(biāo)系到攝像頭坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。此外，由于標(biāo)識(shí)物的圖案是不對(duì)稱的，利用它可以確定攝像頭的方向。

2.2.2 疊加虛擬圖像

利用OpenGL ES的矩形運(yùn)算和圖形繪制函數(shù)庫(kù)，將事先設(shè)計(jì)好的菜式三維模型實(shí)時(shí)加載到真實(shí)環(huán)境中，以達(dá)到虛實(shí)結(jié)合。

3 總結(jié)和展望

本文設(shè)計(jì)的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電子點(diǎn)餐系統(tǒng)，具有用戶體驗(yàn)好、更換菜譜方便和實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)。但目前該系統(tǒng)還有很大的提升空間，例如菜譜識(shí)別的準(zhǔn)確性，攝像頭定標(biāo)的穩(wěn)定性以及虛擬物體的加載速度等。

[1]周見(jiàn)光,石剛等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬交互方法 [J].計(jì)算機(jī)工程, 2012, 38(1): 251-253

[2] 劉太安.基于支持向量機(jī)的空間數(shù)據(jù)挖掘方法及其在旅游地理經(jīng)濟(jì)分析中的應(yīng)用[D]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

[3]鐘志鵬.移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)博物館導(dǎo)覽應(yīng)用研究[D].北京:北京理工大學(xué), 2011.

[4]Kato H,Billinghurst M,Weghorst S, et al.A Mixed Reality 3D Conferencing Application[R]. Washington D. C., USA: University of Washington, Technical Report: R-99-1, 1999.