李大成，劉娜

（高新興科技集團(tuán)股份有限公司，廣州 510000)

0 引言

標(biāo)簽，也可以叫做Tag，最早出現(xiàn)于2005年，隨著Web2.0的Blog應(yīng)用被廣泛使用開來。標(biāo)簽是自由分類法的具體表現(xiàn)形式，是用戶賦予特定信息資源的標(biāo)識(shí)，用于描述資源的主題、類型、功能等多種特征。標(biāo)簽代表用戶對資源的理解和偏好，是實(shí)現(xiàn)信息資源組織和共享的基礎(chǔ)[1]。標(biāo)簽也可以說是一種關(guān)鍵詞標(biāo)記，可以更好地顯示和突出搜索的關(guān)鍵詞條，以便進(jìn)行更好地索引和瀏覽查找，清晰明了的標(biāo)簽設(shè)置是吸引用戶的一個(gè)手段[2]。

目前，各互聯(lián)網(wǎng)公司也逐漸傾向于標(biāo)簽數(shù)據(jù)的交換和共享，來獲取更豐富的受眾信息。所以在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，對海量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的管理已經(jīng)成為日趨重要的需求。

現(xiàn)有的普通攝像機(jī)一般不具備虛擬標(biāo)簽添加功能，由于缺乏附加性的信息，無法直觀呈現(xiàn)監(jiān)控畫面中的大量信息，給監(jiān)控畫面的安保人員帶來了極大困惑。而現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)已具備了虛擬標(biāo)簽添加功能，可以供用戶在客戶端視頻畫面上添加虛擬標(biāo)簽，通過各種虛擬標(biāo)簽對視頻背景信息進(jìn)行標(biāo)注、描述，使視頻信息可視化，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在攝像機(jī)領(lǐng)域是一個(gè)新的概念，它還存有某些技術(shù)缺陷。例如，當(dāng)它在轉(zhuǎn)動(dòng)和鏡頭焦距變化的情況下，視頻畫面中的物體位置發(fā)生了變化，但虛擬標(biāo)簽不會(huì)移動(dòng)，無法緊跟被標(biāo)注物體；當(dāng)鏡頭變倍造成的虛擬標(biāo)簽過于密集時(shí)，高階標(biāo)簽將會(huì)不顯示等，這些情況都容易誤導(dǎo)用戶，不利于用戶了解監(jiān)控視頻畫面的實(shí)時(shí)情況，不利于用戶體驗(yàn)。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)，是近幾年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。一些著名的實(shí)驗(yàn)室也從事該項(xiàng)目的研究，其中包括美國麻省理工大學(xué)的圖像導(dǎo)航外科手術(shù)室、哥倫比亞大學(xué)的圖形和用戶交互實(shí)驗(yàn)室、新加坡的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室等。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，借助顯示技術(shù)、交互技術(shù)、多種傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實(shí)環(huán)境的組成部分[3]。概括地說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，并呈現(xiàn)給用戶一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境[4]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）發(fā)展而來的，但與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)不同，VR技術(shù)就是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建一個(gè)完全虛擬的世界。而AR是利用虛擬世界來加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)了用戶對現(xiàn)實(shí)世界的感知能力與交互能力[5]。例如在一條真實(shí)的建筑物上面加入一些虛擬的標(biāo)簽，通過虛擬標(biāo)簽還可以查看標(biāo)簽鏈接的信息。

目前大多數(shù)的AR系統(tǒng)采用頭盔顯示器實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)場景的融合，利用高性能計(jì)算機(jī)跟蹤定位設(shè)備以及人機(jī)交互設(shè)備完成場景識(shí)別與信息的增強(qiáng)[6]。近來，機(jī)器智能的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)對人類的自然意識(shí)的理解越來越可靠，從而使智能交互有了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫钠鯔C(jī)。AR與人工智能結(jié)合，對于智能交通新應(yīng)用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 虛擬標(biāo)簽設(shè)計(jì)與管理

所謂虛擬標(biāo)簽，即通過AR攝像機(jī)產(chǎn)生的用來“增強(qiáng)”對現(xiàn)實(shí)視頻中物體感知能力的虛擬物體，它以標(biāo)簽的形式存在，對視頻監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的建筑物、道路、重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，從而對視頻背景信息進(jìn)行描述，使得背景信息可搜索、可定位，并能實(shí)現(xiàn)GPS坐標(biāo)映射、方位感知、視頻聯(lián)動(dòng)等功能。這樣，便于用戶了解監(jiān)控視頻畫面的實(shí)時(shí)情況，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。

視頻虛擬標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與管理方法可能會(huì)直接影響到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果，例如視頻中顯示的虛擬標(biāo)簽數(shù)目太多而導(dǎo)致標(biāo)簽重疊、混亂、不易區(qū)分，標(biāo)簽信息配置不靈活而無法達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的，等等。因此，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)的虛擬標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與管理需要涉及到標(biāo)簽設(shè)計(jì)、標(biāo)簽顯示控制、標(biāo)簽管理和標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫等多個(gè)方面。

（1）標(biāo)簽設(shè)計(jì)

“哇，哥哥好厲害！”妹妹的小臉上洋溢著喜悅，“這是我第一次得滿分哦。顏姨說了，為了獎(jiǎng)勵(lì)我，要請我吃大餐。”

首先，將標(biāo)簽進(jìn)行屬性分類，并完成各類標(biāo)簽的樣式設(shè)計(jì)管理與標(biāo)簽信息配置，以滿足客戶端與管理端的各種功能需求。按標(biāo)簽綁定信息的性質(zhì)（包括文本信息、圖片信息、視頻信息及應(yīng)用窗口信息等），可將標(biāo)簽分為動(dòng)態(tài)標(biāo)簽和靜態(tài)標(biāo)簽兩大類。動(dòng)態(tài)標(biāo)簽即一些業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)簽，標(biāo)簽的信息需要進(jìn)行定時(shí)更新；而靜態(tài)標(biāo)簽包括POI信息點(diǎn)標(biāo)簽和矢量標(biāo)簽，用來展示攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的道路、商場、酒店、銀行、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院等的相關(guān)穩(wěn)態(tài)信息等。

其次，對標(biāo)簽樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)簽的樣式包括標(biāo)簽外觀樣式、標(biāo)簽信息配置樣式和標(biāo)簽信息顯示樣式。標(biāo)簽外觀樣式包括標(biāo)簽寬度、高度、背景顏色、顯示標(biāo)題、文本高度等；標(biāo)簽信息配置樣式是開發(fā)人員給標(biāo)簽提供的所有數(shù)據(jù)信息及鏈接接口選項(xiàng)設(shè)計(jì)；而標(biāo)簽信息顯示樣式是在客戶端提供給用戶查看的標(biāo)簽所包含的信息選項(xiàng)，通過這些選項(xiàng)將標(biāo)簽所含有的信息以文本、圖片、視頻選擇性地展示給用戶。

最后，需要對標(biāo)簽信息進(jìn)行配置，不同屬性的標(biāo)簽配置信息不同。其中，標(biāo)簽基本配置信息包括：標(biāo)簽名稱、標(biāo)簽編號、標(biāo)簽描述、標(biāo)簽鏈接、標(biāo)簽層級、標(biāo)簽類型、標(biāo)簽備注、標(biāo)簽創(chuàng)建日期等。

（2）標(biāo)簽顯示控制

標(biāo)簽顯示控制模塊控制監(jiān)控視頻中虛擬標(biāo)簽的定位跟隨顯示、標(biāo)簽顯示模式及標(biāo)簽顯示狀態(tài)。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和鏡頭焦距變化的情況下，所標(biāo)注的虛擬標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地跟隨標(biāo)注物移動(dòng)，防止出現(xiàn)虛擬標(biāo)簽不能跟隨移動(dòng)或定位不準(zhǔn)確的狀況。同時(shí)，對所有虛擬標(biāo)簽進(jìn)行分層、分級與選擇性顯示控制。根據(jù)指示物的類型分層，不同類型的標(biāo)簽以不同顏色區(qū)分；根據(jù)指示物重要程度分級，一是在縮放畫面時(shí)自動(dòng)隱藏/顯示不同級別的標(biāo)簽，二是在標(biāo)簽過多遮擋畫面時(shí)手動(dòng)選擇性屏蔽部分標(biāo)簽，只呈現(xiàn)最重要或需要的虛擬標(biāo)簽，方便查看與管理，這些選擇性全部都保存在用戶配置文件中。

（3）標(biāo)簽管理

標(biāo)簽管理模塊對標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)分類管理，以滿足客戶端需求，包括標(biāo)簽標(biāo)注、標(biāo)簽編輯、標(biāo)簽查看、標(biāo)簽篩選、標(biāo)簽搜索定位和標(biāo)簽聯(lián)動(dòng)等。標(biāo)簽標(biāo)注方式分為手工標(biāo)注和系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)注，手工標(biāo)注可通過客戶端界面或菜單欄對視頻內(nèi)背景對象進(jìn)行新建/修改標(biāo)簽標(biāo)注；系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)注可通過實(shí)時(shí)的GPS數(shù)據(jù)對視頻內(nèi)背景對象進(jìn)行標(biāo)注。標(biāo)簽編輯包括對標(biāo)簽進(jìn)行添加、修改、刪除和清空等操作。注意，刪除標(biāo)簽時(shí)，只有將最底層的子標(biāo)簽刪除之后，才能刪除其上級標(biāo)簽。而標(biāo)簽聯(lián)動(dòng)則可實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)簽間聯(lián)動(dòng)與信息交互。

（4）標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫

標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫以樹形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)標(biāo)簽之間的層級和邏輯關(guān)系，可以對任意層級的標(biāo)簽進(jìn)行編輯管理，包括標(biāo)簽的存儲(chǔ)與備份、標(biāo)簽導(dǎo)入與導(dǎo)出、標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫更新和標(biāo)簽庫運(yùn)營管理。其中標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫采用分布式存儲(chǔ)方式，充分考慮保障系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，避免遭到惡意攻擊和數(shù)據(jù)被非法提取、使用的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

實(shí)現(xiàn)基于AR攝像機(jī)的虛擬標(biāo)簽的標(biāo)注與定位跟蹤顯示包含4個(gè)基本步驟：（1）獲取真實(shí)場景視頻信息；（2）對真實(shí)場景和相機(jī)位置信息進(jìn)行分析；（3）生成虛擬標(biāo)簽；（4）合并視頻或者直接顯示。在這整個(gè)過程中，最關(guān)鍵的是需要通過大量的定位數(shù)據(jù)和場景信息來保證由計(jì)算機(jī)生成的虛擬標(biāo)簽可以精確地定位在真實(shí)場景視頻中，且保證在攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和鏡頭焦距變化的情況下，虛擬標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崟r(shí)跟隨標(biāo)注物體移動(dòng)，定位準(zhǔn)確。

（1）虛擬標(biāo)簽的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)注技術(shù)

監(jiān)控?cái)z像機(jī)的地理位置信息和姿態(tài)信息是組成監(jiān)控信息的重要部分，我們往往不僅需要知道監(jiān)控區(qū)域的畫面信息，還需要知道畫面內(nèi)重要物體的具體方位。而現(xiàn)有監(jiān)控?cái)z像機(jī)雖然已經(jīng)可以做到獲取攝像機(jī)的地理位置信息，但是沒有集成獲取監(jiān)控方向的功能，大多是通過外部加裝傳感器來實(shí)現(xiàn)的；另外，相關(guān)傳感器獲取的數(shù)據(jù)都是直接疊加在視頻畫面上，無法被計(jì)算機(jī)使用，信息呈現(xiàn)形式枯燥單一，不夠生動(dòng)直觀。

因此，研究基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的攝像機(jī)，也就是將視頻信息、地理位置信息和姿態(tài)信息傳輸?shù)皆鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)管理終端顯示的技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)管理終端將地理位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行圖形化處理后疊加在實(shí)時(shí)畫面上。不僅能獲取監(jiān)控區(qū)域的畫面信息，還能獲取監(jiān)控?cái)z像機(jī)的地理位置信息和姿態(tài)信息，使得用戶對于地理位置信息和姿態(tài)信息的感知更為直觀，改善了用戶體驗(yàn)。

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)的3D自動(dòng)定位技術(shù)

當(dāng)監(jiān)控球機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)、焦距倍數(shù)變化時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)所標(biāo)注的虛擬標(biāo)簽自動(dòng)定位于被標(biāo)注的靜態(tài)物體上。所采用的3D自動(dòng)定位技術(shù)，在設(shè)備需內(nèi)置高精度可變倍鏡頭，利用坐標(biāo)自標(biāo)定算法實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置的實(shí)時(shí)更新，使得虛擬標(biāo)簽準(zhǔn)確地跟蹤物體。如圖1。

該方法通過攝像機(jī)三個(gè)維度參數(shù)p，t，V的實(shí)時(shí)更新 與 原 標(biāo) 簽 點(diǎn) 的 三 維 坐 標(biāo)（P，T），采 用其中：p為攝像機(jī)改變狀態(tài)后鏡頭水平角度；t為攝像機(jī)改變狀態(tài)后鏡頭垂直角度；V為攝像機(jī)改變狀態(tài)后水平視場角；P為標(biāo)簽點(diǎn)在三維球面極坐標(biāo)系下的水平角度；T為標(biāo)簽點(diǎn)在三維球面極坐標(biāo)系下的垂直角度；二維視頻畫面為分辨率為W×H的平面；Δx和Δy分別為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或鏡頭變倍后標(biāo)簽點(diǎn)離二維畫面中心新的水平偏移和垂直偏移；R為球面半徑，且為差量表示。

然后通過公式P=p+?p計(jì)算出原標(biāo)簽點(diǎn)在二維視頻畫面的新二維坐標(biāo)（Δx，Δy），從而在二維視頻畫面實(shí)現(xiàn)虛擬標(biāo)簽點(diǎn)實(shí)時(shí)跟隨標(biāo)注物。

圖1

4 在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于在醫(yī)療、旅游、家居、教育、制造與維修、娛樂和軍事等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)已有幾家安防廠商將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控?cái)z像，來而實(shí)現(xiàn)對城市交通運(yùn)行狀況的智能監(jiān)測。普通攝像機(jī)單點(diǎn)監(jiān)控范圍小，無法直觀呈現(xiàn)監(jiān)控畫面中的大量信息。同時(shí)，各交通系統(tǒng)獨(dú)立作戰(zhàn)，信息共享不充分，現(xiàn)場指揮困難，預(yù)警能力不足，整體交互偏落后，當(dāng)發(fā)生應(yīng)急事件、或組織大型活動(dòng)時(shí)，各交管指揮人員無法進(jìn)行快速響應(yīng)，統(tǒng)一融合聯(lián)動(dòng)指揮。

為了解決這些問題，采用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將已建視頻監(jiān)控系統(tǒng)、高清卡口系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)等各交通子系統(tǒng)進(jìn)行整合，將各系統(tǒng)在當(dāng)前AR場景中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，充分利用智能交通技術(shù)和現(xiàn)代科技管理手段，打破各系統(tǒng)之間壁壘，有效提高整體與各子系統(tǒng)效能的發(fā)揮。例如：

（1）交通信息可視化管理

通過AR技術(shù)，將監(jiān)控視頻內(nèi)的各種交通資源、交通要素、交通事件用虛擬標(biāo)簽形式標(biāo)注在視頻中，給實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面添加名稱、經(jīng)緯度、方位角、距離、位置等信息，在“現(xiàn)實(shí)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行“增強(qiáng)”。

（2）全業(yè)務(wù)門戶

在視頻畫面中，對各個(gè)交通子系統(tǒng)的重要設(shè)備與功能進(jìn)行虛擬標(biāo)簽的標(biāo)注與展示，通過虛擬標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)與各子系統(tǒng)的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的全面對接。

5 結(jié)語

本文對現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)虛擬標(biāo)簽管理方面存在的問題進(jìn)行分析，對此，給出了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)的虛擬標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與管理方法，有效消除服務(wù)于不同對象，構(gòu)建于不同時(shí)期，分布于不同攝像機(jī)的“標(biāo)簽信息孤島”的不足。同時(shí)，還對虛擬標(biāo)簽設(shè)計(jì)與管理所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。最后展望了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬標(biāo)簽標(biāo)注技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景，將AR技術(shù)服務(wù)于交通的指揮管控，開創(chuàng)城市交通指揮管理的新模式，對智慧城市建設(shè)的意義重大。