鐘毅

摘 要：借用增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)工具ARToolKit，將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于遠程課件制作，介紹了系統(tǒng)開發(fā)的幾個關(guān)鍵技術(shù)，其中主要包括增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的跟蹤注冊技術(shù)，用于解決網(wǎng)絡(luò)卡頓現(xiàn)象的SMIL、AJAX技術(shù)。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實 ARToolKit AJAX

中圖分類號：G40-057 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0164-02

隨著教育事業(yè)的發(fā)展，人們對于知識的需求度提高，人們已經(jīng)不滿足于在課堂中學(xué)習(xí)，遠程教育以其無地域性、沒有時間限制等優(yōu)勢，迅速發(fā)展成為一種新的教學(xué)模式。目前遠程教學(xué)存在以下幾個問題：一是課件制作過程比較復(fù)雜，畫面效果不太好；二是頻繁的交互使得遠程課件制作平臺服務(wù)器的負擔(dān)較重，響應(yīng)較慢。

增強現(xiàn)實作為虛擬現(xiàn)實的一個分支，是近年來一個研究熱點，它將虛擬圖形環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境結(jié)合，提供了更加豐富的表現(xiàn)效果，在醫(yī)學(xué)到軍事等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，考慮將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于遠程多媒體課件制作中，以提供更加豐富的課件表現(xiàn)形式。增強現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)涉及顯示技術(shù)、跟蹤注冊技術(shù)、界面與可視化技術(shù)和相機標(biāo)定技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，其中，跟蹤注冊技術(shù)負責(zé)計算真實世界相對觀察者的位置和姿態(tài)，將虛擬場景與真實世界更加自然地進行融合（即三維注冊）。多媒體課件制作依二次開發(fā)工具ARToolKit為基礎(chǔ)。

為了解決第二個問題，考慮應(yīng)用AJAX技術(shù)與SMIL技術(shù)，這兩種技術(shù)在多媒體web應(yīng)用中被廣泛使用，AJAX技術(shù)減輕服務(wù)端的處理負擔(dān)，SMIL語言為多媒體開發(fā)提供了更大的便利。

1 ARToolKit、AJAX、SMIL介紹

1.1 ARToolKit簡介

ARTootKil是一套用于開發(fā)增強現(xiàn)實系統(tǒng)的二次開發(fā)包，它基于c語言，采用基于標(biāo)識的三維注冊方法，增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵是計算觀察者視點相對于已知標(biāo)識的位置和姿態(tài)，ARToolKit采用計算機視覺技術(shù)來解決這個難點，它能夠支持基于視覺或視頻的增強現(xiàn)實應(yīng)用，具有實時、精確的優(yōu)勢。ARToolKit提供一套開源的函數(shù)庫，為開發(fā)人員提供了很大的便利。

ARToolKit的工作流程如下，首先，對采集到的視頻流進行二值化處理，然后，對標(biāo)識輪廓進行提取和識別；之后，ARToolKit利用標(biāo)識區(qū)域的變形來計算攝像機相對于已知標(biāo)識的位置和姿態(tài)，最后，根據(jù)得到的變換矩陣實現(xiàn)虛實之間的注冊。據(jù)此，遠程多媒體課件制作平臺可以首先對視頻進行現(xiàn)實場景與虛擬場景的融合，然后發(fā)布到網(wǎng)站上。

1.2 AJAX技術(shù)與SMIL語言

AJAX（Asynchronous JavaScrit and XML）是現(xiàn)有的多種技術(shù)的綜合，包括JavaScript、DOM、XML、XMLHttpRequest、HTML、CSS等等。與傳統(tǒng)的Click-refresh不同，Ajax技術(shù)在客戶端與服務(wù)器端之間添加中間處理程序，它的工作流程為：用戶提交請求，中間處理程序先進行初步處理，返回一部分結(jié)果給客戶端，（若有需要）中間程序再向服務(wù)器傳送處理結(jié)果，服務(wù)器端的負載和網(wǎng)絡(luò)帶寬都得到減輕。

在客戶端，AJAX技術(shù)通常通過JavaScript程序處理客戶端的請求，通過XMLHttpRequest處理程序進行異步的數(shù)據(jù)查詢和檢索操作。AJAX技術(shù)通過部分更新的方式縮短了響應(yīng)時間，給用戶更好的體驗，因此在web應(yīng)用程序中得到了廣泛應(yīng)用。

SMIL是一種專注于多媒體操縱的語言，相比于HTML，SMIL更加方便處理多媒體素材，如聲音素材、視頻文件和圖片文字，對多媒體素材的位置設(shè)計、播放方式、播放時間的設(shè)置簡單易行。因此，相較于HTML/XHTML而言，SMIL更加適用于遠程多媒體課件制作平臺的搭建。

2 基于ARToolKit的增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)

使用ARToolKit工具包進行增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)，首先需要進行攝像頭定標(biāo)、模板制作與訓(xùn)練兩項工作。

2.1 攝像機定標(biāo)

ARToolKit有世界坐標(biāo)系和攝像機坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系，它采用基于標(biāo)識的虛實注冊方法，將三維注冊問題轉(zhuǎn)換為求解標(biāo)識坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的變換矩陣，其變換關(guān)系如式（1）。

攝像機定標(biāo)即確定攝像頭內(nèi)部的幾個幾何參數(shù)，主要包括：焦距、像面中心、像素的水平和垂直間距△，△、傾斜率等。這些內(nèi)部參數(shù)將在系統(tǒng)運行時用于計算三維變換矩陣，因此它們的準確與否將影響系統(tǒng)的精度。ARTooIKit提供了用于攝像頭定標(biāo)的程序，可以方便地獲得攝像頭的內(nèi)部參數(shù)。

2.2 模板制作與訓(xùn)練

ARToolKit采用基于標(biāo)識的注冊方法，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)識（分配給標(biāo)識不同的ID）返回的ID來選擇要疊加的虛擬場景。因此，在開發(fā)之前，必須制作標(biāo)識，并且進行訓(xùn)練。

ARTooIKit默認的標(biāo)識是一個正方形，通常帶有黑框，開發(fā)人員根據(jù)自己的不同需求向正方形的白色區(qū)域中添加圖形，就可以獲得不同的標(biāo)識，如圖1所示。在制作標(biāo)識時，需要注意應(yīng)該使不同的標(biāo)識有較大的差異，以提高系統(tǒng)識別的精確度。

通常標(biāo)識使用之前，需要訓(xùn)練系統(tǒng)對標(biāo)識的識別，系統(tǒng)將根據(jù)不同的標(biāo)識生成相應(yīng)的模板文件。ARToolKit提供一個函數(shù)arSavePatt來完成標(biāo)識的訓(xùn)練工作。

2.3 開發(fā)流程

利用ARTooIKit進行系統(tǒng)開發(fā)必須經(jīng)過如下幾個步驟。

（1）初始化攝像機，讀取攝像機參數(shù)和標(biāo)準模板庫。

（2）獲取一幀圖像。

（3）標(biāo)識識別。

（4）視點與目標(biāo)標(biāo)識之間轉(zhuǎn)換矩陣的計算。

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣疊加虛擬場景。

（6）關(guān)閉視頻流。

其中第二步到第五步是一個循環(huán)過程，直到程序結(jié)束。第一步和第六步只在系統(tǒng)初始化和退出時執(zhí)行。

3 AJAX的實現(xiàn)

2005年以后AJAX技術(shù)在Google得到了大規(guī)模的成功運用，由于AJAX眾多的優(yōu)點，越來越多的軟件廠商開始對AJAX進行研發(fā)和提供支持。作為.Net平臺的開發(fā)者，微軟推出了AJAX程序開發(fā)環(huán)境Atlas，并且集成到Visual Studio中，以為AJAX開發(fā)提供支持。Atlas框架能夠方便地進行結(jié)構(gòu)化操作，為構(gòu)建GUI用戶界面接口提供了良好的支持，并且擴展性較好，使用Atlas框架能夠方便地進行開發(fā)。

遠程多媒體課件制作平臺的開發(fā)可以使用微軟發(fā)布的AJAX2.0包，該包提供了良好的AJAX控件支持。JavaScript代碼與AJAX技術(shù)相結(jié)合，能夠方便地實現(xiàn)異步交換和頁面局部更新的功能。在本遠程課件制作平臺的實現(xiàn)當(dāng)中，使用AJAX在服務(wù)器與客戶端之間實現(xiàn)頁面局部更新等功能，需要解決兩個問題：一是在客戶端實現(xiàn)部分功能，通過JavaScript代碼實現(xiàn)所需功能，在客戶請求后，首先提交給JavaScript程序處理；二是與服務(wù)器的連接，通過JavaScript向服務(wù)器提交請求。

4 SMIL和動態(tài)導(dǎo)航樹的構(gòu)建

動態(tài)導(dǎo)航樹像書籍的目錄，應(yīng)用在遠程多媒體課件制作平臺中，便是課件的信息的組合，將章節(jié)、資源標(biāo)題等組織成樹狀結(jié)構(gòu)。為了一致，多媒體課件制作平臺這部分的資源也組織成為樹形結(jié)構(gòu)進行管理。

動態(tài)導(dǎo)航樹的結(jié)構(gòu)如圖2所示，樹形結(jié)構(gòu)中的每一個節(jié)點關(guān)聯(lián)一個SMIL文件，使用動態(tài)導(dǎo)航樹，用戶可以組織自己的多媒體課件。用戶通過對節(jié)點進行增加、刪除和移動來獲得個性化的課件，用戶提出請求后，由AJAX技術(shù)進行處理，然后提交給服務(wù)器。

5 結(jié)語

本遠程多媒體課件制作平臺的開發(fā)主要采用了ARToolKit增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)工具、AJAX技術(shù)和SMIL技術(shù)，提供了內(nèi)容更加豐富、表達能力更強的課件形式，同時提高了平臺的響應(yīng)速度，使用SMIL提供了一種通用的導(dǎo)航樹的創(chuàng)建形式。

相較傳統(tǒng)的課件制作平臺，本系統(tǒng)具有效率高、內(nèi)容豐富的優(yōu)勢，具有一定的價值和意義。

參考文獻

[1] 張曉敏，王振勇.基于流媒體技術(shù)的多媒體課件的研究與設(shè)計[J].計算機應(yīng)用研究，2003，17（1）：34-38.

[2] 鐘慧娟，劉肖琳，吳曉莉.增強現(xiàn)實系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機仿真，2008，25（1）：252-255.

[3] 任波，管濤，李利軍，等.基于ARToolKit的增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2006，15（1）：81-84.

[4] 宋偉，崔軍巖，邱保志.遠程多媒體課件制作平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)報（自然版），2010，38（4）：148-150.