王俊　李明建　鄒揚(yáng)慶　羅紅霞

摘要針對(duì)傳統(tǒng)GIS應(yīng)用信息顯示直觀性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，在GIS應(yīng)用中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究了地理要素實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的關(guān)鍵技術(shù)及方法，并以Windows Phone開(kāi)發(fā)平臺(tái)為例，實(shí)現(xiàn)了具有地理坐標(biāo)信息的地理要素的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。結(jié)果證明，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與GIS的結(jié)合能夠很好的將真實(shí)環(huán)境與虛擬地理要素信息融合起來(lái)，使得地理要素的識(shí)別更具直觀性。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；GIS；地理要素；虛實(shí)融合

中圖分類(lèi)號(hào)S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）09-02783-03

作者簡(jiǎn)介王?。?988- ），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：遙感與GIS開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用。*通訊作者，副教授，博士，從事生態(tài)、環(huán)境與遙感GIS應(yīng)用。

GIS系統(tǒng)中最常用的一項(xiàng)功能就是基于地理位置的搜索，然而傳統(tǒng)的GIS搜索主要是在二維平面地圖上進(jìn)行，搜出的結(jié)果也被標(biāo)注在二維平面地圖上，需要人為的參與標(biāo)識(shí)物的辨別，由于直觀性不強(qiáng)，對(duì)于地理知識(shí)較弱的人們?cè)谧R(shí)別上有一定的困難，甚至專(zhuān)業(yè)人員在復(fù)雜的環(huán)境下識(shí)別也會(huì)有一定的難度。近些年來(lái)，隨著三維GIS的發(fā)展，通過(guò)建立真實(shí)環(huán)境的三維虛擬模型代替二維地圖[1]，在標(biāo)識(shí)物辨別的直觀性上取得較大進(jìn)步。雖然三維GIS在GIS可視化研究上取得了一定的進(jìn)展，但是三維虛擬模型的創(chuàng)建在人力、物力上耗費(fèi)巨大，同時(shí)對(duì)承載GIS系統(tǒng)的硬件要求也較高，以及同真實(shí)環(huán)境相比在顏色、光澤、材質(zhì)等特性上有一定的差異，無(wú)法滿足人們直接與真實(shí)環(huán)境交互的愿望。其實(shí)真實(shí)環(huán)境本身就是一個(gè)復(fù)雜的“三維空間地圖”，如果把真實(shí)環(huán)境作為GIS操作的窗口，將虛擬信息標(biāo)注在真實(shí)環(huán)境上，將會(huì)大大提高地理要素辨別的直觀性。

這種假設(shè)可以通過(guò)引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種通過(guò)將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形、文字注釋等虛擬信息有機(jī)地融合到使用者所看到的真實(shí)世界景象中，對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行景象增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)[2]。通俗地講，就是當(dāng)使用者打開(kāi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用后，就會(huì)看到攝像頭所拍攝的真實(shí)世界視頻流，同時(shí)在視頻流里面還可以看見(jiàn)相關(guān)虛擬圖形和文字信息疊加在相關(guān)物體上，從而使真實(shí)世界更加豐富和多樣化。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從早期在室內(nèi)研究、采用設(shè)備昂貴、不靈動(dòng)以及特定用途領(lǐng)域如軍事、醫(yī)療[3]等向室外研究、采用設(shè)備便宜便攜的移動(dòng)端以及大眾化應(yīng)用方向發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大眾化應(yīng)用得益于移動(dòng)終端設(shè)備的發(fā)展和普及，尤其是以智能手機(jī)終端為代表的移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展和普及，其強(qiáng)大的傳感器、GPS和指南針等功能的終端完全滿足了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件要求[4]。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)直接把真實(shí)環(huán)境作為視圖背景，省去了復(fù)雜三維模型創(chuàng)建，提高了人與真實(shí)環(huán)境之間的互動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)終端如智能手機(jī)的發(fā)展為在其上創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了條件。基于此，筆者針對(duì)目前傳統(tǒng)GIS信息顯示直觀性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，在GIS系統(tǒng)中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究了如何實(shí)現(xiàn)GIS系統(tǒng)中地理要素的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與方法，同時(shí)以Windows Phone開(kāi)發(fā)平臺(tái)為例，實(shí)現(xiàn)了具有地理坐標(biāo)屬性的地理要素的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。

1關(guān)鍵技術(shù)研究

實(shí)現(xiàn)GIS系統(tǒng)地理要素的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，其關(guān)鍵技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形、文字等虛擬信息疊加到真實(shí)環(huán)境中，即虛實(shí)融合技術(shù)。目前，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合技術(shù)的方法主要有基于硬件跟蹤器的注冊(cè)方式、基于視覺(jué)的圖像注冊(cè)方式、混合注冊(cè)方式3種。該研究考慮到移動(dòng)GIS地理要素離不開(kāi)地理位置的支持，而智能移動(dòng)手機(jī)終端配有加速計(jì)、陀螺儀等傳感器可以完美地支持AR技術(shù)等特性，將采用基于硬件跟蹤器的圖像注冊(cè)方式完成虛實(shí)融合?；谟布櫟膱D像注冊(cè)方式撇開(kāi)了復(fù)雜的圖像匹配算法計(jì)算，根據(jù)攝像頭的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)能夠快速確定虛擬物體在真實(shí)環(huán)境中的位置，降低系統(tǒng)的延遲性，能夠很好地適應(yīng)智能手機(jī)終端配置要求[5]。

完成虛實(shí)融合需要涉及到世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系（視圖坐標(biāo)系）、虛擬物體空間坐標(biāo)系、投影平面坐標(biāo)系、屏幕二維平面坐標(biāo)系5個(gè)坐標(biāo)系之間的變換。如圖1所示，x、y、z表示世界坐標(biāo)系；ε、η、δ表示虛擬物體空間坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系用來(lái)對(duì)所添加的虛擬物體進(jìn)行幾何描述；x′、y′、z′（左手坐標(biāo)系）表示攝像機(jī)坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系的o′、z′軸與觀察者視線方向重合；u、v 是一個(gè)二維平面坐標(biāo)系，表示投影平面坐標(biāo)系并且和屏幕坐標(biāo)系處于同一平面，垂直于o′、z′軸投影面，即為觀察者看到的畫(huà)平面[6-7]。

2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在GIS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在GIS系統(tǒng)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)這樣的一系列流程，如圖2所示。首先作為GIS應(yīng)用的窗口，必須要有與真實(shí)世界交互的窗口，因此獲取攝像頭應(yīng)用權(quán)限，獲取視頻源顯得尤為重要；其次，需要提供設(shè)備準(zhǔn)確的地理位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，以便正確地疊加虛擬物體，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)可以通過(guò)設(shè)備的GPS和電子羅盤(pán)數(shù)據(jù)獲??；接著根據(jù)攝像機(jī)視角建立相機(jī)坐標(biāo)系下的取景范圍，并判斷虛擬物體是否在取景范圍內(nèi)。如果在取景范圍內(nèi)則對(duì)虛擬物體進(jìn)行渲染，然后輸出圖像并顯示；如果不在取景范圍內(nèi)，則虛擬物體不顯示并實(shí)時(shí)根據(jù)設(shè)備的位置和姿態(tài)再次進(jìn)行判斷。

2.1相機(jī)取景范圍的建立攝像機(jī)的取景范圍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是攝像機(jī)能夠捕獲的真實(shí)世界范圍，可以通過(guò)定義兩種矩陣實(shí)現(xiàn)，分別為視圖矩陣和投影矩陣。視圖矩陣也稱(chēng)作攝像機(jī)矩陣，主要是描述攝像機(jī)的位置、攝像機(jī)朝向的目標(biāo)位置、向上的方向信息，主要功能相當(dāng)于把攝像機(jī)固定下來(lái)；投影矩陣用于描述攝像機(jī)的視角、成像的長(zhǎng)寬比、投影參數(shù)這3個(gè)屬性，相當(dāng)于把鏡頭和像紙信息固定下來(lái)。

在計(jì)算機(jī)編程中，可以使用XNA類(lèi)庫(kù)中Matrix類(lèi)來(lái)創(chuàng)建這兩種矩陣，Matrix類(lèi)提供了一組以Create開(kāi)頭的靜態(tài)方法用于創(chuàng)建所需要的矩陣類(lèi)型，視圖矩陣可以使用Matrix類(lèi)中的CreateLookAt（）方法創(chuàng)建，方法原型為：public static MatrixCreateLookAt（Vector3 cameraPosition，Vector3 cameraTarget，Vector3 cameraUpVector）。該方法中定義的3個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)前述的攝像機(jī)位置、朝向的目標(biāo)位置、向上的方向3種信息。

同樣，投影矩陣也可以通過(guò)Matrix類(lèi)提供的CreatePerspectiveFieldOfView（）方法來(lái)創(chuàng)建，方法原型為：public static MatrixCreatePerspectiveFieldOfView（float fieldOfView，float aspectRatio，float nearPlaneDistance，float farPlaneDistance）。該方法定義了4個(gè)參數(shù)，參數(shù)fieldOfView為視角，也就是可視范圍，以弧度制來(lái)表現(xiàn)，通常設(shè)為π/4；參數(shù)aspectRatio為成像的長(zhǎng)寬比，一般通過(guò)獲取視頻源區(qū)域view的長(zhǎng)寬比來(lái)設(shè)定，這里并不是屏幕的長(zhǎng)寬比；參數(shù)nearPlaneDistance為攝像機(jī)能夠觀察到的最近距離，可以通過(guò)查看攝像機(jī)參數(shù)信息獲??；參數(shù)farPlaneDistance為攝像機(jī)鏡頭能夠觀察到的最遠(yuǎn)距離，同樣通過(guò)查看攝像機(jī)參數(shù)信息獲取。

2.2判斷虛擬物體是否在取景范圍內(nèi)視圖矩陣和投影矩陣的定義確定了攝像機(jī)的取景范圍，在判定虛擬物體是否在取景范圍之前，還需要引入世界矩陣。世界矩陣的主要作用是確定虛擬物體在世界空間坐標(biāo)系里面的相對(duì)位置，在XNA中世界矩陣使用Matrix類(lèi)中CreateWorld（）方法創(chuàng)建，方法原型為：public static MatrixCreateWorld（Vector3 position，Vector3 forward，Vector3 up）。該方法中定義了3個(gè)Vector3參數(shù)，其中第1個(gè)參數(shù)position表示虛擬物體在世界中所處的三維坐標(biāo)，一般設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)的（0，0，0），也就是坐標(biāo)原點(diǎn)；第2個(gè)參數(shù)forward表示虛擬物體的朝向向量，一般根據(jù)虛擬物體的朝向確定；第3個(gè)參數(shù)up表示哪個(gè)方向是虛擬物體的向上方向，一般設(shè)置為（0，0，1），也就是Y軸正方向。

定義好世界矩陣后，結(jié)合前面定義的視圖矩陣和投影矩陣一起將虛擬物體進(jìn)行投影變換，變換方法采用Viewport的Project（）方法，原型為：public static ViewportProject（Vector3 source，Matix projection，Matrix view，Matrix world）。該方法中參數(shù)source為虛擬物體在世界中所處的三維坐標(biāo)，參數(shù)projection、view與前面定義的投影矩陣和視圖矩陣相同，而參數(shù)world與所定義的世界矩陣并不相同，而是世界矩陣與姿態(tài)矩陣相乘后的矩陣，這是因?yàn)樵诨蝿?dòng)或者翻轉(zhuǎn)手機(jī)的時(shí)候空間在不斷的變換。世界矩陣在和前面獲取的姿態(tài)矩陣做乘積運(yùn)算時(shí)先要對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn)行繞X軸90°的旋轉(zhuǎn)變換，目的是讓姿態(tài)矩陣坐標(biāo)系同XNA右手坐標(biāo)系相同，從而達(dá)到正確坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。該方法返回一個(gè)Vetctor3對(duì)象，其中X、Y為已經(jīng)投影到Viewport上的點(diǎn)坐標(biāo)，Z值表示該點(diǎn)的深度，如果該值<0或者>1，則該點(diǎn)位于相機(jī)“后面”，將無(wú)法觀測(cè)到；如果該值≥0且≤1，則該點(diǎn)位于相機(jī)“前面”，也就是處在視野范圍內(nèi)。通過(guò)上述方法可對(duì)可視的虛擬物體進(jìn)行正確的疊加處理。

疊加出虛擬物體正確的位置后，為了使虛擬物體與真實(shí)的環(huán)境更加融合，還需要對(duì)虛擬物體進(jìn)行相關(guān)的渲染，在XNA中可以利用BasicEffect類(lèi)來(lái)對(duì)疊加的虛擬物體的顏色、光線等特效進(jìn)行渲染控制。最后把渲染好的虛擬物體正確地輸出顯示，便完成了系統(tǒng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示功能。

3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在移動(dòng)GIS系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)例

以Windows Phone開(kāi)發(fā)平臺(tái)為例，實(shí)現(xiàn)了基于位置圖像注冊(cè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)GIS系統(tǒng)測(cè)試版，測(cè)試版系統(tǒng)的主要功能為獲取用戶(hù)周?chē)哂械乩碜鴺?biāo)位置的要素（在此以查詢(xún)周?chē)惋嬕貫槔?，分別以二維地圖方式和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方式顯示，系統(tǒng)的地圖服務(wù)采用微軟的必應(yīng)中國(guó)地圖服務(wù)，測(cè)試機(jī)采用Windows Phone操作系統(tǒng)的三星S7530E，地點(diǎn)位于重慶市沙坪壩上橋新街。

首先，在Windows Phone虛擬機(jī)上運(yùn)行程序，通過(guò)Bing Map的Search WebService獲取用戶(hù)周?chē)?00 m范圍內(nèi)的餐飲店，分別在二維地圖和真實(shí)環(huán)境中顯示。如圖3所示，屏幕中間的黑色點(diǎn)為當(dāng)前所在的位置，紅色標(biāo)注為查詢(xún)出來(lái)的餐飲店名稱(chēng)以及位置，屏幕上方為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊；由于虛擬機(jī)無(wú)法進(jìn)行攝像頭的模擬，所以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊顯示在屏幕上方，二維地圖顯示，可以根據(jù)屏幕下方的button按鈕進(jìn)行控制，屏幕右上方的圓形為手機(jī)當(dāng)前相對(duì)于地圖位置的朝向，有了它就可以很快辨別出在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的方向。

4結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與移動(dòng)GIS的結(jié)合，使得地理要素的識(shí)別更具直觀性，提高了人與真實(shí)環(huán)境的互動(dòng)性。由于兩者的結(jié)合受到GPS定位精度與網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定的限制，在實(shí)際使用中虛擬物體的顯示會(huì)有一定的誤差，同時(shí)受到智能手機(jī)硬件的限制，地圖的刷新和虛擬物體的顯示會(huì)有一定的延遲。此外，該研究?jī)H實(shí)現(xiàn)了基于地理位置點(diǎn)狀要素的增強(qiáng)，缺少三維物體的增強(qiáng)顯示，在接下來(lái)的研究中，將研究三維物體在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)GIS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。