劉安森，張威巍，王光霞

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

引用著錄：劉安森，張威巍，王光霞.無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2017，26(12)：64-70，80.

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.12.013

無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

劉安森，張威巍，王光霞

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

紙質(zhì)地圖因其通用性和全局性特點(diǎn)在地理環(huán)境的認(rèn)知過(guò)程中具有重要意義，經(jīng)過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合將會(huì)在信息載負(fù)量和可視化維度等方面實(shí)現(xiàn)突破。文中簡(jiǎn)述無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)原理，提出一種紙質(zhì)地圖無(wú)標(biāo)識(shí)配準(zhǔn)方法，歸納總結(jié)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)方法及其作用，研究紙質(zhì)地圖人機(jī)交互方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合，增強(qiáng)傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖的認(rèn)知功能。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；配準(zhǔn)技術(shù)；無(wú)標(biāo)識(shí)；人機(jī)交互；表達(dá)方法

地圖是現(xiàn)實(shí)世界的模型，是地理信息傳遞的載體[1]，因其整體宏觀、使用方便、便于攜帶和無(wú)需外設(shè)的優(yōu)點(diǎn)成為人們認(rèn)知地球、探索地理的主要工具。隨著電子設(shè)備和信息化技術(shù)的更新，紙質(zhì)地圖的缺陷也日益突出：地形“降維”造成認(rèn)知功能下降、交互功能的缺失、表現(xiàn)形式單一、更新效率差以及信息載負(fù)量限制[2]等等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)是一種利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的附加信息對(duì)使用者所看到的真實(shí)世界景象進(jìn)行增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)，是跨學(xué)科的綜合體[3-5]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與地圖印刷制品的融合可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖設(shè)計(jì)和制作的固定模式帶來(lái)的缺陷，具有升維(地理信息立體顯示)、擴(kuò)容(地圖信息載負(fù)量的擴(kuò)增)和交互(基于手勢(shì)的人機(jī)交互)的優(yōu)勢(shì)。增強(qiáng)后的紙質(zhì)地圖既具有真實(shí)感，又可以作為人機(jī)交互的界面和工具，將地理信息“降維”的地圖進(jìn)行逆轉(zhuǎn)“升維”，同時(shí)在不影響地圖自身協(xié)調(diào)性和藝術(shù)性的前提下擴(kuò)增其信息載負(fù)量，是發(fā)展紙質(zhì)地圖的新思路。

自從Bobrich[6]等把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于地圖可視化——把DEM三維模型以視頻的方式插入顯示到一張地形圖，“增強(qiáng)地圖”開(kāi)始真正的出現(xiàn)。Schmalstieg[7]等制作了一個(gè)在倫敦地圖上增強(qiáng)疊加洪水淹沒(méi)動(dòng)畫來(lái)證明自己“地圖可視化新媒體——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的觀點(diǎn)；Paelke[8]等通過(guò)一個(gè)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了用戶與紙質(zhì)地圖的交互。國(guó)內(nèi)方面，孫敏等[9]將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入GIS，提出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)的概念，徐旺[10]等人對(duì)紙地圖中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)做了相關(guān)研究。雖然在地圖領(lǐng)域早已引入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念，但以上研究都是停留在二者的初步融合和實(shí)現(xiàn)，存在問(wèn)題有：紙質(zhì)地圖識(shí)別配準(zhǔn)大都依賴于人工標(biāo)識(shí)，缺少對(duì)無(wú)標(biāo)識(shí)地圖識(shí)別配準(zhǔn)方法的深入研究；現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中表達(dá)方法種類多樣，缺少一個(gè)針對(duì)地圖的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)方法的歸納總結(jié)；人機(jī)交互方面研究不足。本文將針對(duì)這3個(gè)問(wèn)題對(duì)無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)原理、表達(dá)方式和人機(jī)交互進(jìn)行研究，并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)。

1 無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和傳感器等技術(shù)將增強(qiáng)信息和紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)融合以達(dá)到增強(qiáng)地圖認(rèn)知功能的綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)將紙質(zhì)地圖灰度化后采集存儲(chǔ)其特征點(diǎn)，并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)目標(biāo)地圖進(jìn)行識(shí)別配準(zhǔn)，最后將虛擬信息與紙質(zhì)地圖“無(wú)縫”融合實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)地圖認(rèn)知功能的目的。本文將無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)原型分為4個(gè)部分并闡述其原理，如圖1所示。

圖1 紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)原理示意圖

預(yù)處理部分是識(shí)別前的地圖處理階段，主要是提取和存儲(chǔ)地圖的特征點(diǎn)并將數(shù)據(jù)傳給設(shè)計(jì)者對(duì)相應(yīng)增強(qiáng)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作的過(guò)程。地圖識(shí)別和配準(zhǔn)部分通過(guò)調(diào)取特征庫(kù)中的特征點(diǎn)并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)將視頻流中的幀圖像與處理后的地圖特征點(diǎn)對(duì)比識(shí)別，同時(shí)利用屏幕坐標(biāo)系中特征點(diǎn)之間的相對(duì)位置對(duì)地圖在世界坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)[11]進(jìn)行判斷，進(jìn)而為增強(qiáng)信息預(yù)制件的布置提供坐標(biāo)基礎(chǔ)。人機(jī)交互部分主要是基于心智模型[12]的手勢(shì)交互的設(shè)計(jì)。顯示部分是通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化將世界坐標(biāo)系和虛擬坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到屏幕坐標(biāo)系上并將地理信息通過(guò)模型、文本或多媒體等方式疊加到紙質(zhì)地圖上并可進(jìn)行交互的過(guò)程。

2 無(wú)標(biāo)識(shí)的紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)技術(shù)

2.1 無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)的基本流程

目前，在紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)方面，大多數(shù)學(xué)者采用基于人工標(biāo)識(shí)的配準(zhǔn)方法，也就是在地圖上添加二維碼等人工標(biāo)識(shí)以輔助配準(zhǔn)，這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)配準(zhǔn)的目的，但破壞了地圖的美觀，尤其不適用于已經(jīng)出版的地圖，為了解決這一問(wèn)題，本文力圖探索一種無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配準(zhǔn)方法。

無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配準(zhǔn)的關(guān)鍵是如何獲取能夠滿足匹配要求的地圖圖像自然特征集，整個(gè)配準(zhǔn)過(guò)程分為預(yù)處理和實(shí)時(shí)處理兩個(gè)階段。預(yù)處理階段的主要工作是：構(gòu)建紙質(zhì)地圖自然特征庫(kù)、構(gòu)建地圖增強(qiáng)信息庫(kù)、紙質(zhì)地圖與增強(qiáng)信息的關(guān)聯(lián)。實(shí)時(shí)階段的主要工作是：將獲取的視頻關(guān)鍵幀圖像特征與紙質(zhì)地圖特征庫(kù)進(jìn)行圖像匹配，估計(jì)相機(jī)的位置和姿態(tài)，提取當(dāng)前視窗下的增強(qiáng)信息并進(jìn)行繪制，具體流程如圖2所示，其中的核心是紙質(zhì)地圖自然特征提取和相機(jī)位姿估計(jì)。

由于不同的地圖在設(shè)計(jì)風(fēng)格、色彩模式方面的差異較大，無(wú)論采用哪種圖像特征描述方法，都不能保證所有的紙質(zhì)地圖經(jīng)過(guò)掃描后直接提取出滿足匹配要求的特征集。主要的問(wèn)題有兩個(gè)：一是不能提取足夠數(shù)量的特征點(diǎn)，二是特征點(diǎn)在圖中分布極不均衡。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文提出一種自適應(yīng)紙質(zhì)地圖圖像特征提取與匹配方法。

圖2 紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)流程

2.2 基于圖像增強(qiáng)的地圖圖像特征提取方法

圖像特征描述的方法有很多，例如SIFT、SURF、FAST、BRISK、ORB等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合精度和效率因素，本文擬采用FAST算法對(duì)地圖特征點(diǎn)進(jìn)行提取。FAST特征描述方法首先以待檢測(cè)點(diǎn)p為中心建立一個(gè)半徑為3個(gè)像素的Bresenham圓，圓形軌跡上可得到16個(gè)與待測(cè)點(diǎn)p相鄰的像素點(diǎn)。如果這周圍的16個(gè)像素點(diǎn)中有連續(xù)的12個(gè)像素點(diǎn)的像素值都小于或者大于一個(gè)閾值，則認(rèn)為p為角點(diǎn)，如式(1)所示。

(1)

其中：I(x)表示像素x的亮度值，t為給定的極小閾值。如果在Bresenham圓中與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的亮度相差一定閾值的點(diǎn)超過(guò)給定的閾值n，則該檢測(cè)是圖像的特征點(diǎn)。

在圖像特征提取的過(guò)程中，特征點(diǎn)的數(shù)量往往難以滿足匹配要求，為提高紙質(zhì)地圖圖像特征點(diǎn)提取數(shù)量，本文通過(guò)反銳化掩模法(Unsharp Masking)加強(qiáng)圖像高頻成分，進(jìn)而增加特征點(diǎn)的數(shù)量。首先對(duì)地圖圖像低通濾波得到鈍化模糊圖像，將原圖與鈍化模糊圖像相減得到高頻圖像(或細(xì)節(jié)圖像)，再將與放大系數(shù)相乘后的高頻圖像疊加到原圖上即可得到邊緣銳化的增強(qiáng)圖像，如式(2)所示，其中fraw(x,y)為原圖像，gmask(x,y)為原圖的高頻圖像，fblur(x,y)為原圖的鈍化模糊圖像，fsharpen(x,y)為邊緣銳化的增強(qiáng)圖像，λ為放大系數(shù)。

fsharpen(x,y)=fraw(x,y)+gmask(x,y)，

gmask(x,y)=λ·[fraw(x,y)-fblur(x,y)].

(2)

2.3 基于圖像分割的地圖圖像匹配方法

針對(duì)圖像增強(qiáng)(銳化)處理后特征顯著度仍較低的地圖，本文通過(guò)自適應(yīng)分割方法進(jìn)行圖像處理。首先對(duì)圖像解析得到長(zhǎng)寬以及面積數(shù)據(jù)，在符合長(zhǎng)寬比例以及面積限制(原圖面積的50%)的情況下對(duì)圖像特征點(diǎn)相對(duì)密集的區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)分割，得到特征顯著的局部圖像(分割截取后的圖像)，其次利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)化建立非識(shí)別區(qū)域圖像與識(shí)別區(qū)域圖像在世界坐標(biāo)系下的位置關(guān)系，最終AR系統(tǒng)通過(guò)對(duì)局部圖像(識(shí)別區(qū)域圖像)的識(shí)別配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)整幅圖像的擴(kuò)展跟蹤，如圖3左下角所示。已知地圖上任意點(diǎn)在其平面坐標(biāo)系下坐標(biāo)和識(shí)別區(qū)域任意點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)，通過(guò)識(shí)別區(qū)域的任意3個(gè)不同線的點(diǎn)和非識(shí)別區(qū)域上任意一點(diǎn)的平面坐標(biāo)建立聯(lián)系求得非識(shí)別區(qū)域的世界坐標(biāo)，之后通過(guò)識(shí)別區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式求得非識(shí)別區(qū)域在屏幕圖像上投影點(diǎn)的像素坐標(biāo)。非識(shí)別區(qū)域圖像與識(shí)別區(qū)域圖像之間的位置關(guān)系，如式(3)所示。世界坐標(biāo)系下，識(shí)別區(qū)域內(nèi)三點(diǎn)坐標(biāo)為(xw1,yw1,zw1)，(xw2,yw2,zw2)和(xw3,yw3,zw3)，非識(shí)別區(qū)域坐標(biāo)為(x,y,z)。在地圖平面坐標(biāo)系下，識(shí)別區(qū)域內(nèi)三點(diǎn)坐標(biāo)為(xm1,ym1)，(xm2,ym2)和(xm3,ym3)，非識(shí)別區(qū)域內(nèi)在坐標(biāo)為(xm0,ym0)。

(3)

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

2.4 基于自適應(yīng)地圖圖像匹配的相機(jī)姿態(tài)估計(jì)

首先判斷地圖圖像特征集是否能夠滿足匹配要求，如果因?yàn)樘卣鼽c(diǎn)數(shù)量不足而不能滿足匹配要求，則對(duì)原始圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)處理，以增加圖像特征點(diǎn)的數(shù)量。如果因?yàn)樘卣鼽c(diǎn)分布不均衡而導(dǎo)致不能滿足匹配要求，自適應(yīng)地對(duì)地圖圖像進(jìn)行分割處理，方法是從原始圖像中截取特征點(diǎn)分布相對(duì)均勻的矩形區(qū)域，以此局部圖像為特征采集圖像，并建立局部圖像與全局圖像之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了保證圖像匹配的準(zhǔn)確性，在對(duì)原始圖像進(jìn)行分割處理時(shí)，局部區(qū)域的面積要大于全部圖像面積的一半。地圖自然特征提取方法如圖4所示。

圖4 紙質(zhì)地圖自然特征提取示意圖

相機(jī)位姿估計(jì)的目的是計(jì)算增強(qiáng)信息在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。首先，圖像匹配成功后，根據(jù)單應(yīng)性矩陣變換，計(jì)算出相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，也就是確定相機(jī)的外部參數(shù)，隨后根據(jù)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，對(duì)增強(qiáng)信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算出在相機(jī)坐標(biāo)系下，增強(qiáng)信息的坐標(biāo)，據(jù)此就可對(duì)增強(qiáng)信息進(jìn)行繪制，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信息與紙質(zhì)地圖的疊加。設(shè)空間某一點(diǎn)在世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為(Xw,Yw,Zw)，其對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)像素坐標(biāo)為(u,v)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(4)所示，f,Δx,Δy,u0,v0為相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，R為3×3旋轉(zhuǎn)矩陣，T為三維平移矢量，R和T統(tǒng)稱為相機(jī)外部參數(shù)，由相機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的方位決定。

(4)

2.5 紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

在百度搜索和必應(yīng)搜索中隨機(jī)抽取了54份不同類型的紙質(zhì)地圖掃描圖片進(jìn)行自然特征提取與匹配實(shí)驗(yàn)，圖種涵蓋了政區(qū)圖、交通圖、人口密度圖、暈渲圖、水系流域圖、礦藏分布圖、影像地圖等多種地圖，圖幅范圍包含了從全球到街區(qū)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Vofuria SDK，將每一幅地圖圖像特征提取結(jié)果按照特征點(diǎn)的數(shù)量和分布均勻程度區(qū)分為優(yōu)良、中等、較差3檔，優(yōu)良檔為特征點(diǎn)多且分布均勻的圖像，較差檔為特征點(diǎn)少且分布集中不利于識(shí)別的圖像，中等檔為介于兩者可識(shí)別的圖像，圖5展示了總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用本文方法處理后的圖像特征提取結(jié)果優(yōu)良率從46%提升到94%，消除了特征提取評(píng)級(jí)為差的情況，圖6展示了其中一幅全國(guó)水系分布地圖在處理前后的特征點(diǎn)分布情況，該地圖在未處理情況下的圖像特征集評(píng)級(jí)為差，特征點(diǎn)分布如圖6(b)所示，經(jīng)過(guò)處理后，圖像特征集評(píng)級(jí)為優(yōu)，如圖6(c)所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的自適應(yīng)紙質(zhì)地圖圖像特征提取方法能夠有效滿足無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配準(zhǔn)的要求。

圖5 地圖圖像特征點(diǎn)提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)與交互技術(shù)

3.1 紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)技術(shù)

紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的內(nèi)容表達(dá)本質(zhì)上就是增強(qiáng)信息的可視化，這種可視化不同于傳統(tǒng)地圖的表達(dá)，重點(diǎn)是將不可見(jiàn)、難以認(rèn)知或難以想象的地理空間信息以直觀多維的方式表現(xiàn)出來(lái)。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)方法有很多，但并未針對(duì)紙質(zhì)地圖進(jìn)行系統(tǒng)化總結(jié)。本文將增強(qiáng)信息的可視化方法匯總歸納，總結(jié)了適用于紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的表達(dá)方法并描述相應(yīng)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的內(nèi)容表達(dá)本質(zhì)是雙圖層或多圖層的疊加：一個(gè)或多個(gè)信息增強(qiáng)層與底圖地圖層配準(zhǔn)疊加，將紙質(zhì)地圖因圖幅限制等原因舍棄的信息通過(guò)信息增強(qiáng)層合理地展示給用戶，如圖7所示。其表達(dá)方法可分為模型疊加法、多媒體注記法和超鏈接嵌入法，如表1所示。

模型疊加法是指在紙質(zhì)地圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維模型的預(yù)制件導(dǎo)入并在顯示輸出設(shè)備上將模型與紙質(zhì)地圖配準(zhǔn)疊加的可視化方法。這種方法有效降低地圖的判讀難度，使地形等基本地理信息直觀地展現(xiàn)在用戶面前，增強(qiáng)地圖的模擬功能。模型疊加可根據(jù)需要進(jìn)行全局疊加和局部疊加，或改變模型的透明度減少模型對(duì)底圖地圖信息的壓蓋。多媒體注記法是通過(guò)文本框、視頻、音頻或圖標(biāo)等多媒體方式將描述性信息疊加在底圖地圖上相應(yīng)位置以實(shí)現(xiàn)位置指示或者相關(guān)信息描述的功能。通常，這種方法會(huì)和地圖POI興趣點(diǎn)選取以及人機(jī)交互方式配合使用，增加紙質(zhì)地圖的交互性，拓展其信息載負(fù)量，是描述屬性信息或熱點(diǎn)問(wèn)題的可視化方法。超鏈接嵌入法是指通過(guò)用戶界面設(shè)計(jì)、屏幕觸摸按鈕或虛擬按鍵設(shè)置將紙質(zhì)地圖與網(wǎng)絡(luò)地址(嵌入按鈕的URL)連接起來(lái)的可視化方法。

圖6 紙質(zhì)地圖銳化處理特征提取結(jié)果示意圖

圖7 信息增強(qiáng)層與底圖地圖層對(duì)比示意圖

分類依據(jù)表達(dá)方法描述舉例增強(qiáng)信息的內(nèi)容要素模型疊加法模型具有地理特征或?qū)傩蕴卣鳌＿@種方法可以將模型與二維地圖無(wú)縫連接,有效降低地圖的判讀難度,簡(jiǎn)化特定地物在地圖中的檢索過(guò)程,增強(qiáng)地圖的模擬功能位置標(biāo)識(shí)模型、建筑模型、地形模型等多媒體注記法該方法增加紙質(zhì)地圖的交互性,拓展其信息載負(fù)量,是描述屬性信息(建筑物屬性信息、描述性視頻信息、音頻信息等)或熱點(diǎn)問(wèn)題的可視化方法導(dǎo)航指示符號(hào)、信息增強(qiáng)文本框、地區(qū)性介紹視頻等超鏈接嵌入法該方法可以實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)地圖和網(wǎng)絡(luò)地圖的切換URL按鈕等

3.2 紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)

紙質(zhì)地圖攜帶方便，整體閱讀性和全局把控性強(qiáng)，但卻缺少地理信息選取(如POI點(diǎn)的選取和屬性信息查看)和基本行為操作(如地理模型添加、旋轉(zhuǎn)和縮放)等人機(jī)交互。實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)場(chǎng)景中的虛擬對(duì)象之間更加自然的交互更是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目標(biāo)之一[11]。如何解決限制紙質(zhì)地圖發(fā)展的人機(jī)交互問(wèn)題是本文要討論和實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。目前常用的3種手勢(shì)方法為：①基于鼠標(biāo)和觸摸的輸入方式；②基于數(shù)據(jù)手套的手勢(shì)輸入方式；③體感交互方式。數(shù)據(jù)手套能獲取手指動(dòng)作在三維空間上的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，體感交互能實(shí)現(xiàn)更豐富多樣的手勢(shì)操作，但硬件設(shè)備價(jià)格較高，不能普及化。與其相比的觸摸方式雖然只能獲取二維平面手勢(shì)動(dòng)作，但硬件成本較低且穩(wěn)定方便。因此本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是開(kāi)發(fā)性能好的Android設(shè)備。

針對(duì)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)原型，筆者設(shè)計(jì)了一組簡(jiǎn)單的觸屏手勢(shì)。手勢(shì)操作以及手勢(shì)語(yǔ)言的設(shè)計(jì)需要符合用戶心智模型，即符合用戶操作心理和操作習(xí)慣，具體如表2所示。

Android設(shè)備手勢(shì)交互流程如下：手指觸碰屏幕觸發(fā)位移事件，該事件被觸碰監(jiān)聽(tīng)器監(jiān)聽(tīng)，觸碰監(jiān)聽(tīng)器獲取事件對(duì)象并通過(guò)手勢(shì)識(shí)別器將事件對(duì)象傳遞至手勢(shì)監(jiān)聽(tīng)器來(lái)獲取封裝的信息并做出相應(yīng)反饋，如圖8所示。Android通過(guò)手勢(shì)點(diǎn)類和手勢(shì)筆畫類存儲(chǔ)和傳遞手勢(shì)點(diǎn)信息，利用模板匹配技術(shù)將預(yù)先存儲(chǔ)好的手勢(shì)模型與傳感器輸入信息對(duì)比匹配[9]。

表2 實(shí)驗(yàn)手勢(shì)設(shè)計(jì)

圖8 基于手勢(shì)的人機(jī)交互流程圖

手勢(shì)操作可以對(duì)虛擬信息進(jìn)行位置變換，也可以進(jìn)行虛擬信息深度操作，通過(guò)調(diào)用不同的函數(shù)對(duì)手勢(shì)進(jìn)行消息響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息擴(kuò)增。多種表達(dá)方法與交互技術(shù)的融合使用有效地提高了地圖的可讀性，降低了讀圖識(shí)圖的難度，并使得紙質(zhì)地圖具有了良好的人機(jī)交互界面。通過(guò)地形和其他模型的導(dǎo)入以及擴(kuò)展追蹤功能(識(shí)別圖離開(kāi)鏡頭后增強(qiáng)信息能夠保持一個(gè)空間的定位)的實(shí)現(xiàn)，可使讀圖者能夠任意切換讀圖角度，既能總覽地圖全景，又能在地形模型中漫游，優(yōu)化了交互方式，增強(qiáng)了地圖的認(rèn)知功能。

4 無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)例

基于紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)無(wú)標(biāo)識(shí)配準(zhǔn)的基本原理，結(jié)合針對(duì)紙質(zhì)地圖的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)方式和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，本文利用Vuforia SDK設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原型，并使用Android設(shè)備(Android手機(jī)和EPSON BT200智能眼鏡)作為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)對(duì)紙質(zhì)地圖實(shí)現(xiàn)模型疊加、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)鏈接嵌入的功能。

原型系統(tǒng)用戶界面由3個(gè)按鈕組成，分別為“模型疊加”、“POI”和“網(wǎng)絡(luò)地圖”，每個(gè)按鈕的消息響應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)3種表達(dá)方法。通過(guò)點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)相應(yīng)的功能性響應(yīng)函數(shù)，本系統(tǒng)原型以河南省行政區(qū)劃圖和世界地圖為例。

點(diǎn)擊“模型疊加”按鈕后將Android設(shè)備攝像機(jī)分別對(duì)兩張準(zhǔn)識(shí)別地圖，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并將三維模型(地形模型和地球模型)疊加到相應(yīng)地圖，用戶可以通過(guò)手指“左右”或者“上下”地滑動(dòng)手機(jī)屏幕或智能眼鏡操作板控制模型旋轉(zhuǎn)達(dá)到從不同角度認(rèn)知地圖的目的；點(diǎn)擊“POI”按鈕后，系統(tǒng)會(huì)將河南省行政區(qū)劃圖上的地形模型移除并顯示省會(huì)和各地級(jí)市POI位置標(biāo)識(shí)模型，通過(guò)點(diǎn)擊地形圖上POI模型或者世界地圖上地球模型控制相關(guān)介紹性文本信息的顯示與關(guān)閉；點(diǎn)擊“網(wǎng)絡(luò)地圖”按鈕后，Android設(shè)備顯示內(nèi)容會(huì)通過(guò)嵌入按鈕的超鏈接地址切換到網(wǎng)絡(luò)地圖(本實(shí)驗(yàn)鏈接為百度地圖)，用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地圖進(jìn)一步學(xué)習(xí)和認(rèn)知。實(shí)驗(yàn)對(duì)比示意圖如圖9所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出結(jié)論：無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖設(shè)計(jì)和制作的固定模式帶來(lái)的缺陷，具有升維(地理信息立體顯示)、擴(kuò)容(地圖信息載負(fù)量的擴(kuò)增)和交互(基于手勢(shì)的人機(jī)交互)的優(yōu)勢(shì)。增強(qiáng)后的紙質(zhì)地圖既具有真實(shí)感，又可以作為人機(jī)交互的界面和工具，將地理信息“降維”的地圖進(jìn)行逆轉(zhuǎn)“升維”，同時(shí)在不影響地圖自身協(xié)調(diào)性和藝術(shù)性的前提下擴(kuò)增其信息載負(fù)量。

圖9 實(shí)驗(yàn)對(duì)比示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)地圖是一個(gè)“降維”的過(guò)程，將三維世界降至二維平面已達(dá)到簡(jiǎn)化現(xiàn)實(shí)突出地理特征并易于信息傳遞和表達(dá)的目的。新時(shí)期下地圖表達(dá)方式的發(fā)展趨勢(shì)是更好地將二維平面數(shù)據(jù)以三維信息形式傳遞給讀圖者來(lái)增強(qiáng)其對(duì)地圖的認(rèn)知能力和范圍。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用為地圖“二維—三維”[12]之間的無(wú)縫切換提供了新的可能，也通過(guò)技術(shù)手段增強(qiáng)了人的認(rèn)知能力。本文實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)標(biāo)識(shí)紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)原型系統(tǒng)，對(duì)紙質(zhì)地圖進(jìn)行信息增強(qiáng)，在保證地圖藝術(shù)性和簡(jiǎn)易性的前提下，增加了地圖信息載負(fù)量，將高程等信息進(jìn)行了具體化和三維化，改變了紙質(zhì)地圖單一的表達(dá)方法，間接地提高了讀圖者的地圖認(rèn)知能力。但本文還存在某些不足有待深入研究，如用戶界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺少對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中顯示符號(hào)和色彩的研究。

總體上，本文通過(guò)增強(qiáng)技術(shù)一定程度地克服了傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖的弊端，豐富了表達(dá)形式和地圖信息載負(fù)量。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)給地圖學(xué)理論帶來(lái)一個(gè)新的發(fā)展契機(jī)，紙質(zhì)地圖也將重獲新生。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Realizationandresearchonunmarkedpapermapaugmentedrealitytechnology

LIU Ansen, ZHANG Weiwei, WANG Guangxia

(Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Paper map is of great significance in the cognitive process of geographical environment because of its generality and integrality, which can achieve a major breakthrough in the fileds of information load and visualization by the technology of augmented reality. Theoretically, the technology principle of unmarked paper map augmented reality system is described in this paper, and a registration method of paper map is proposed. Besides, the expression methods and effect of paper map augmented reality are summarized, and the integration of unmarked paper map and augmented reality technology is realized, which can enhance the cognitive function of traditional paper map.

augmented reality; registration method; non-marker; human-computer interaction; expression methods

P28

A

1006-7949(2017)12-0064-07

2016-09-10

河南省中原學(xué)者項(xiàng)目(142101510005)

劉安森(1992-)，男，碩士研究生.