呂淘沙，湯 汶，萬韜阮，朱耀麟，武 桐，田 蓉

（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710047；2.提賽德大學 計算機學院，英國 米德爾斯伯勒；3.布拉德福德大學 媒體與信息學院，英國 布拉德福德，BD7 1DP）

0 引 言

在20世紀60年代，Ivan Sutherland［1］就提出將計算機生成的信息直接加到真實世界中的想法.直到90年代，增強現(xiàn)實技術(shù)被波音公司的Tom Caudel提出［2-3］.增強現(xiàn)實系統(tǒng)可將計算機技術(shù)和可視化技術(shù)生成的3D虛擬物體，通過數(shù)字化處理計算后精確地疊加在真實環(huán)境中已經(jīng)標定好的位置上，最后通過顯示設(shè)備將虛實融合的場景展現(xiàn)出來，給參觀者帶來新的視覺沖擊［4］.

早期，研究人員通過向真實場景中添加人為的已經(jīng)標定好的標志物來獲取完成虛實注冊所需的攝像機位置和姿態(tài)信息.即基于標志物的注冊技術(shù)［5-9］.以美國華盛頓大學的ARToolKit，德國政府資助研發(fā)的ARVIKA以及國內(nèi)北京理工大學的彩色標志點方法［10］和華中科技大學的ARDK為代表［11］，以上方法能在一定程度上解決注冊問題，但同時也存在一些缺陷.比如，在系統(tǒng)運行的過程中人為添加且已經(jīng)標定好的標志物需要始終位于參觀者的視線范圍之內(nèi)或必須在攝像機的視角范圍內(nèi)對真實場景中已標定好的標志物持續(xù)跟蹤，如果超出參觀者視線范圍或標志物一旦被遮擋，則不能正確預估其位置，系統(tǒng)就無法正常運行.此外，在人類認知范圍內(nèi)的博物館一般是以文物為基礎(chǔ)，利用櫥窗、玻璃燈箱和說明牌等刻板的方式進行文物的展出.展覽方式枯燥單一，展品數(shù)量雖多，但傳達的信息量卻很少，許多展品背后所蘊藏的信息被忽視.

針對上述問題，本文采用Vuforia特征點檢測匹配方法實現(xiàn)秦兵馬俑人機交互系統(tǒng)，利用相似比算法將虛擬按鍵由二維坐標轉(zhuǎn)化到三維坐標，根據(jù)真實秦兵馬俑坐標信息制作的幻影模型導入計算機，最后通過手指觸發(fā)虛擬按鍵產(chǎn)生相應(yīng)的指令.該方法也使展覽的趣味性增加，以往乏味陳舊的參展方式也逐漸變?yōu)槎喔泄俚幕臃绞?，實現(xiàn)博物館的多元化［12］.

1 基于標志物的三維注冊

在文物展示中，要達到虛擬特體與真實場景的無縫結(jié)合，并實時顯示，則系統(tǒng)需要進行精準的三維注冊［13-15］.該系統(tǒng)采用基于標識物的計算機視覺的三維注冊技術(shù)，與無標識跟蹤方法相比，有標識物的視覺跟蹤方法通過設(shè)置標識物減少對目標物體的跟蹤時間，實時性較好.

1.1 標志物的選取

為了便于識別和分析，標志物通常采用方形標識物，標志物上的圖案對應(yīng)不同的虛擬內(nèi)容.Vuforia圖像識別無需特別的黑白識別碼.檢測和追蹤到圖片本身的可識別點，通過對比識別數(shù)據(jù)庫里的識別數(shù)據(jù)和攝像頭捕捉到的圖片上的識別點是否吻合來達到特征點匹配［16］.

選取AR標志物是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵之一，本系統(tǒng)中Vuforia使用彩色標志物如圖1所示，且標志物滿足以下幾點：

（1）圖片上細節(jié)豐富，特征點明顯，避免柔和或圓滑的形狀.

（2）圖像對比度強烈.

（3）圖片無相似的重復圖案，選取非對稱的圖案，盡量有很多不同的角度.

（4）圖片格式必須為8bit或24bit的PNG或JPG圖片，2M以內(nèi).JPG圖片必須是RGB模式或者灰度模式（不能使用CMYK模式）.

圖1 系統(tǒng)所選用的標志物及特征點在線提取Fig.1 The marker of AR system and feature points extraction online

本系統(tǒng)選取的圖像作為辨別標志物，如圖1所示，具有實時性強，穩(wěn)定性高等優(yōu)點.將所選取的標志物上傳到在線的Target Manager創(chuàng)建設(shè)備數(shù)據(jù)庫，在線創(chuàng)建設(shè)備數(shù)據(jù)庫即對用戶上傳的圖片進行特征提取，用于之后的識別跟蹤，計算標識坐標系與相機坐標系之間的關(guān)系.

1.2 真實場景中標志物的位置獲取

Vuforia通過QCARManagerImpl類獲取圖像，并進行圖像識別，跟蹤物體，得到目標物體的位姿.主要使用到的相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有

（1）ImageHeaderData 圖 像 頭 結(jié) 構(gòu) 體；（2）FrameState結(jié)構(gòu)體，它包含了識別跟蹤到的數(shù)據(jù).其中有找到跟蹤目標的個數(shù)，虛擬按鍵的個數(shù)，幀的索引號，跟蹤結(jié)果數(shù)據(jù)，虛擬按鍵跟蹤結(jié)果；（3）TrackableResultData結(jié)構(gòu)體，它包含了圖像識別跟蹤的數(shù)據(jù).位姿數(shù)據(jù)，跟蹤狀態(tài)以及目標的ID號；（4）PoseData結(jié)構(gòu)體，它包含了姿態(tài).其中有位置和旋轉(zhuǎn)量.目標物體位姿的具體程度如圖2所示.

2 交互技術(shù)

交互是指兩個或兩個以上物體之間相互影響以及相互作用的過程.交互技術(shù)內(nèi)容包括人機交互，人與所處真實場景之間的交互，以及真實世界中的物體與計算機生成的虛擬物體之間的交互.與虛擬物體的交互主要體現(xiàn)在用戶對虛擬物體的控制或編輯上［17］.

2.1 增強現(xiàn)實交互系統(tǒng)模塊及工作流程

現(xiàn)實世界與虛擬信息交互比較困難，系統(tǒng)使用外形簡單，易于識別的特制工具作為虛擬按鍵，通過按鍵可以觸發(fā)一些系統(tǒng)事件，利用Vuforia進行增強現(xiàn)實系統(tǒng)的建立.系統(tǒng)通過虛擬按鍵對兵馬俑模型進行控制，用戶通過手指點擊虛擬按鍵更換不同的兵馬俑3D模型并控制它們平移旋轉(zhuǎn)等動作，如圖3所示.

2.2 虛擬按鍵坐標的計算

標志物二維坐標系原點在標志物的左上角，Y坐標為豎直方向，X坐標為水平方向.像素為（1500，1050），按鍵尺寸為（200，75）.Vuforia SDK使用右手坐標系，以標志物的中心點坐標（0，0，0）定義一個三維坐標系.坐標X向右為正，坐標Y在標志物平面向上為正，坐標Z垂直于標志物平面以中心點向上為正.表1中原始像素坐標分別為按鍵矩形框中的左上角和右下角的坐標值.

圖2 相機得到目標物體位姿的程序流程圖Fig.2 The program flowchart of getting object pose

圖3 基于標識的交互系統(tǒng)工作流程Fig.3 The flowchart of interaction system based on the markers

表1 虛擬按鍵二維坐標到三維坐標的轉(zhuǎn)化Table 1 The transform of virtural buttons′2Dcoordinate and 3Dcoordinate

以紅鍵為例，利用相似比計算出表1中二維坐標轉(zhuǎn)化成三維坐標系后的X值和Y值.即90／750=（123.5-X）／123.5，X=108.68

同理計算Y值，判斷正負，轉(zhuǎn)化后的坐標值為（-108.68，-53.52）.表1中三維坐標數(shù)據(jù)即為原始坐標系轉(zhuǎn)化成三維坐標系得出的值.

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)及效果展示

圖4 手指觸發(fā)Red和Blue按鍵出現(xiàn)的虛擬模型效果圖Fig.4 The result of touching the Red button and the Blue button

利用Vuforia特征點檢測匹配算法，通過計算識別并檢測出圖像中標志物的位置及其ID，并在標志物上生成相應(yīng)的虛擬信息，使參觀者在使用增強現(xiàn)實文物展示系統(tǒng)時，可通過按鍵的選擇對展品進行參觀，其中包括展品的選擇，展品的運動，展品的文字信息等等.

本系統(tǒng)設(shè)置了4個按鍵，參觀者通過觸碰相應(yīng)的按鍵對其進行對應(yīng)的控制，如圖4所示.當參觀者按下“Red”按鍵或者“Blue”按鍵時，標志物上將顯示對應(yīng)的跪俑和站立俑模型，參觀者按下“Yellow”按鍵時，可控制跪俑旋轉(zhuǎn)，而參觀者按下“Green”按鍵時，可控制站立俑平移，如圖5所示.系統(tǒng)解決以往使用的未改進的ARToolKit在遮擋標志物的一部分信息時出現(xiàn)的虛擬物體消失的問題.即使參觀者的視野不全部在標志物范圍內(nèi)，仍能顯示虛擬物體，更接近人眼觀察，而未經(jīng)改進的ARToolKit達不到該效果.該優(yōu)點能很好地適用于博物館當中.此外系統(tǒng)的實時性較好，在運行過程中，虛擬物體的產(chǎn)生未出現(xiàn)延遲現(xiàn)象.

圖5 觸發(fā)Yellow及Green按鍵出現(xiàn)的虛擬模型效果圖Fig.5 The result of touching the Yellow and Green button

3 結(jié)束語

本文利用Vuforia特征點檢測匹配的方法實現(xiàn)虛擬世界和真實世界的虛擬按鍵交互系統(tǒng)，分析了標志物的選取原則，采用彩色標志物，增強圖片對比度，或者選擇一些看起來更銳利的圖片更有利于被識別.避免圖片內(nèi)容形狀簡單，過多圓形內(nèi)容以及模糊、壓縮過度的圖片和重復圖案.介紹了虛擬按鍵的設(shè)置以及利用相似比算法實現(xiàn)虛擬按鍵二維坐標到三維坐標的轉(zhuǎn)化.系統(tǒng)設(shè)置4種不同顏色的按鍵，分別控制文物的呈現(xiàn)與運動.參觀者手指控制能正確地反映到交互過程中.無須標志物完全顯示在攝像機視野范圍之內(nèi)，參觀者同樣可以看到虛擬文物，更加接近人眼觀察效果，帶給參觀者更逼真的沉浸感.在博物館大場景范圍中進行文物展示，攝像頭識別標志物之間的距離還可以進一步增加，使之更遠.

通過該增強現(xiàn)實虛擬按鍵交互系統(tǒng)的效果展示，反映出在博物館中增強現(xiàn)實技術(shù)有其獨特的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，對增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考價值.增強現(xiàn)實技術(shù)在近幾年的發(fā)展很快，逐漸深入人們的生活中，該技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護方面的應(yīng)用也將成為趨勢.

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