廖小康，楊美傳

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610000)

1 研究背景

近年來，隨著城市軌道交通技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的城市開始興建地鐵，解決城市人口的交通問題。在此階段，列車控制、運營指揮等鐵路產(chǎn)品也在不斷更新，用以提升鐵路建設(shè)質(zhì)量、效率和信號設(shè)備的安全性以及可靠性[1]。地鐵作為現(xiàn)代化交通工具，采取地下交通方式，解決了地面交通堵車的不便利性，但是也曝露出地面風(fēng)景不可可視化這個缺點。

2 增強現(xiàn)實技術(shù)概述

增強現(xiàn)實技術(shù)是近些年來在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的一個新興研究領(lǐng)域。增強現(xiàn)實系統(tǒng)借助計算機(jī)圖形技術(shù)、光電顯示技術(shù)、交互技術(shù)和可視化技術(shù)等產(chǎn)生出現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過現(xiàn)代化傳感技術(shù)將虛擬對象放置在真實環(huán)境之中，借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，并為用戶呈現(xiàn)出視覺逼真的新環(huán)境。當(dāng)觀察者在現(xiàn)實環(huán)境中移動時，虛擬信息也會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，使得觀察者從感官上確信產(chǎn)生出的虛擬環(huán)境是其周圍真實環(huán)境的有機(jī)組成部分[2]。

20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機(jī)相關(guān)軟硬件性能的不斷提高，逐漸為增強現(xiàn)實技術(shù)打下了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，國外科學(xué)研究對增強現(xiàn)實技術(shù)的提升做出了卓越貢獻(xiàn)。其中比較出名的增強現(xiàn)實系統(tǒng)有：①英國諾丁漢大學(xué)地下數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，其注冊采用了GPN/NPS集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下管網(wǎng)等特征進(jìn)行三維可視化[3]；②南澳大利亞大學(xué)Tinmith增強現(xiàn)實系統(tǒng)采用三軸磁力計、GPS進(jìn)行戶外注冊，可以將建筑物墻體內(nèi)電纜的虛擬圖像增強到用戶所看的建筑物上，還可進(jìn)行戶外游戲以及戶外導(dǎo)航等；③哥倫比亞大學(xué)的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)，同時適用于戶外與戶內(nèi)環(huán)境，其注冊采用了慣性傳感器、磁力計以及高精度的RTK GPS。

3 基于視覺的增強現(xiàn)實技術(shù)

隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展，科學(xué)家們對增強現(xiàn)實這一新興技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，增強現(xiàn)實系統(tǒng)中真實環(huán)境與虛擬物景融合技術(shù)涉及攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、3D虛擬注冊技術(shù)以及基于視頻的實景空間建模技術(shù)[4]。

研究增強現(xiàn)實技術(shù)在地鐵車窗上的應(yīng)用，要解決的關(guān)鍵問題是增強現(xiàn)實系統(tǒng)中虛擬物景和真實場景之間的靜態(tài)一致性以及動態(tài)一致性。靜態(tài)一致性包括地鐵上方真實物景與車窗顯示屏虛擬物景的外觀一致性以及空間一致性，即虛擬物景注冊的一致性研究。動態(tài)一致性包括地鐵上方真實場景的實時繪制技術(shù)、虛擬物景和真實場景在實時跟蹤過程中空間位置一致性技術(shù)。

從研究內(nèi)容上來看，要想研究增強現(xiàn)實技術(shù)在地鐵車窗上的應(yīng)用，在這方面的研究主要包括三維動態(tài)注冊技術(shù)、攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)和攝像機(jī)跟蹤技術(shù)。

4 增強現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維動態(tài)注冊技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)研究的重點在于虛擬物景與真實場景在三維空間位置上的一致性，即保證地鐵所在位置上方周圍環(huán)境與顯示屏上顯示的虛擬物景在三維空間位置上的一致性，也就是空間意義上的整合[5]。其關(guān)鍵在于進(jìn)行精確的三維動態(tài)注冊，也就是實時定位地鐵所在位置及方向，將虛擬信息準(zhǔn)確增強到真實環(huán)境之中，并將虛擬物景與真實場景融為一體。

目前，增強現(xiàn)實系統(tǒng)的注冊方法主要是基于傳感器技術(shù)的注冊方法?；趥鞲衅骷夹g(shù)的三維動態(tài)注冊采用的傳感器有測角傳感器與位置傳感器。測角傳感器主要有傾斜計與電子羅盤，該類傳感器主要問題是噪聲以及輸出延遲。位置傳感器有高精度的RTK GPS，其精度可以達(dá)到厘米級，有些GPS的接收機(jī)數(shù)據(jù)刷新甚至可達(dá)20 Hz，可以滿足增強現(xiàn)實系統(tǒng)的需求。但是在復(fù)雜地形下GPS信號會受到阻擋或根本接收不到信號，這就限制了GPS的使用范圍[6]。綜上，兩種傳感器都存在各自的弊端。為滿足增強現(xiàn)實系統(tǒng)準(zhǔn)確定位的要求，可以采用多個傳感器對地鐵進(jìn)行跟蹤定位，將多個位置傳感器與測角傳感器信息進(jìn)行比對，以得到準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果。

4.2 攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)

在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，必須精準(zhǔn)地估計攝像機(jī)朝向以及位置，否則將無法跟蹤到真實對應(yīng)的環(huán)境。攝像機(jī)標(biāo)定也就是確定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)鏡頭焦距、光心和像素高寬比等，用以改善攝像機(jī)因自身因素而造成的注冊誤差[7]。影響攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的因素有很多，對攝像機(jī)的標(biāo)定也要隨著物景的轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移。因此，要想解決增強現(xiàn)實系統(tǒng)在地鐵車窗上的應(yīng)用，必須研究攝像機(jī)實時性的標(biāo)定策略。攝像機(jī)標(biāo)定用以估計攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的切換，包括定焦與像素高寬比的調(diào)整，以便更好地對真實場景進(jìn)行實時錄制。

4.3 攝像機(jī)跟蹤技術(shù)

在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，跟蹤定位技術(shù)、交互技術(shù)和成像設(shè)備是實現(xiàn)一個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。攝像機(jī)跟蹤技術(shù)基于攝像機(jī)初始的標(biāo)定策略，實現(xiàn)虛擬物景與真實場景的交互[8]。

攝像機(jī)跟蹤技術(shù)從攝像機(jī)數(shù)目的角度可以分為單攝像機(jī)跟蹤和多攝像機(jī)跟蹤，從運動的角度可以分為靜止攝像機(jī)跟蹤和運動攝像機(jī)跟蹤。要實現(xiàn)增強現(xiàn)實系統(tǒng)在地鐵車窗上的應(yīng)用，應(yīng)該采用多攝像機(jī)跟蹤和靜止攝像機(jī)跟蹤的方法對地鐵沿線上方真實場景進(jìn)行多角度跟蹤[9]。

5 基于增強現(xiàn)實對地鐵車窗可視化的構(gòu)建

5.1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)地鐵車窗對地鐵沿線上方風(fēng)景的可視化，本文提出了基于GPS和測角傳感器相結(jié)合的注冊方法，攝像機(jī)跟蹤采用多攝像機(jī)跟蹤和靜止攝像機(jī)跟蹤的方法來對增強現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

5.2 增強現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成

位置傳感器采用兩臺雙頻GPS接收機(jī)，一臺為流動站，另一臺為基準(zhǔn)站[10]。流動站與計算機(jī)通過EX232接口相連，實時傳送高精度三維坐標(biāo)。測角傳感器采用SCA100T-D01型高精度雙軸傾角傳感器，實時傳送地鐵方位角的變化[11]。視頻傳感器采用靈敏度高的CCD攝像機(jī)，攝像機(jī)底座安裝有位置傳感器和測角傳感器的采集板，將位置傳感器和測角傳感器的信息接收并轉(zhuǎn)換，攝像機(jī)底部的機(jī)械裝置會按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換攝像機(jī)的位置以及角度并通過外置采集卡與地鐵車窗顯示屏相連。增強現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成框圖

5.3 增強現(xiàn)實系統(tǒng)的主要功能

(1) 實時將地鐵所在的精確位置及方位角傳送給地面CCD攝像機(jī)。

(2) 數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)時進(jìn)行預(yù)處理使得傳感器輸出數(shù)據(jù)保持同步。

(3) 保證地鐵所在位置上方周圍環(huán)境與顯示屏上顯示的虛擬物景在三維空間位置上一致，實現(xiàn)空間意義上的整合。

5.4 增強現(xiàn)實系統(tǒng)在地鐵車窗的應(yīng)用

將增強現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用到地鐵車窗之中，實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)與軌道交通技術(shù)的完美結(jié)合。對地鐵所在位置地面環(huán)境進(jìn)行虛擬現(xiàn)實仿真，利用3G或4G技術(shù)，通過裝設(shè)在地鐵車輛上的車載無線通信Wi-Fi服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，再通過局域網(wǎng)(LAN)主干網(wǎng)接收和傳輸?shù)孛姝h(huán)境動態(tài)以及旅客在途服務(wù)信息，讓旅客如同在地上乘坐交通工具一般。地鐵交通外部環(huán)境可視化效果如圖2所示。

圖2 地鐵交通外部環(huán)境可視化

6 結(jié)束語

將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于地鐵車窗的可視化研究，可以讓乘客在乘坐地鐵的同時觀賞地面上方部分風(fēng)景，感知地面交通的各方面信息，是現(xiàn)有地鐵交通狀況的一次革新。增強現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的研究領(lǐng)域，增加了乘客對于地面真實環(huán)境的感知與交互，可以廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境可視化、國防軍事和娛樂等領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zlatanova S.Augmented reality technology[J].GISt Report,2002(17):1-76.

[2] Satoh K,Hara K,Anabuki M,et al.TOWNWEAR:An outdoor wearable MR system with high-precision registration[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Mixed Reality.[s.l.]:[s.n.],2001:210-211.

[3] Comport A I,Marchand E,Pressigout M,et al.Real-time markerless tracking for augmented reality:The virtual visual servoing framework[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2006,12(4):615-628.

[4] Betke M,Haritaoglu E,Davis L S.Real-time multiple vehicle detection and tracking from a moving vehicle[J].Machine Vision and Applications,2000,12(2):69-83.

[5] 王涌天.戶外增強現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(3):329-333.

[6] 杜國明.城市3維管網(wǎng)的可視化及其系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2002,27(5):534-537.

[7] 朱杰杰.增強現(xiàn)實中多視圖幾何問題的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2007，15(2):32-36.

[8] 侯志強,韓崇昭.視覺跟蹤技術(shù)綜述[J].自動化學(xué)報,2006,32(4):603-617.

[9] 劉光然.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[10] 芮小平.空間信息可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,2004:1-10.

[11] 孫敏,陳秀萬,張飛舟.增強現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,40(6):906-913.