趙 晶，羅 松，李建亮

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 成都 610000；2.四川省地震局, 成都 610000；3.四川工商學(xué)院, 成都 610000）

0 引言

地震是我們熟知的一種自然災(zāi)害，常常造成嚴(yán)重的人員傷亡，會(huì)引起水災(zāi)、火災(zāi)、有毒氣體泄露、山崩等次生災(zāi)害。地震的發(fā)生往往是瞬間的，沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)防震知識(shí)的人可能會(huì)“盲目逃生”，沒(méi)有使用正確的方法來(lái)避險(xiǎn)，從而受到傷害。安縣桑棗中學(xué)的師生平時(shí)注重防震知識(shí)的學(xué)習(xí)，認(rèn)真完成每一次緊急疏散演習(xí)，在汶川地震發(fā)生時(shí)，有序疏散，及時(shí)撤離，無(wú)一人傷亡，體現(xiàn)了科學(xué)普及地震災(zāi)害知識(shí)的價(jià)值[1-2]。《“十三五”國(guó)家科普和創(chuàng)新文化建設(shè)規(guī)劃》中指出，科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域科普工作是當(dāng)前工作重點(diǎn)任務(wù)之一。由于地震災(zāi)害突發(fā)性、毀滅性極強(qiáng)，需要公眾在防御、抗御地震災(zāi)害方面提高意識(shí)、增強(qiáng)技能。

當(dāng)前地震科普主要存在的問(wèn)題有科普內(nèi)容形式比較單一、科普宣傳形式比較傳統(tǒng)、地震科普知識(shí)的專(zhuān)業(yè)性不高等。首先，地震科普資料常見(jiàn)形式為圖冊(cè)、展板、視頻動(dòng)畫(huà)等，這些可以起到一定的科普作用，但趣味性不高，不能吸引人們的關(guān)注，特別是書(shū)刊類(lèi)科普資料對(duì)于老人和幼兒群體收效甚微。其次，科普宣傳一般依靠固定展館或相關(guān)活動(dòng)開(kāi)展，并以展項(xiàng)展示或發(fā)放資料的方式去開(kāi)展宣傳，人們是被動(dòng)接收有限的地震科普知識(shí)信息，宣傳力度還不能滿足科學(xué)普及防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)的需求。另外，由于相關(guān)地震知識(shí)在群眾安全教育中應(yīng)用廣泛，所以專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)的地震科普資料都很多，有些科普資料并不準(zhǔn)確，甚至?xí)o人們錯(cuò)誤的引導(dǎo)。在當(dāng)今這個(gè)信息發(fā)達(dá)的社會(huì)，如何生動(dòng)、有效、準(zhǔn)確地去實(shí)施地震知識(shí)科學(xué)普及值得地震專(zhuān)業(yè)人員深入思考。

地震災(zāi)害的應(yīng)急處置是社會(huì)各界人士關(guān)注的焦點(diǎn)之一，如何有效地應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害是值得思考的問(wèn)題。提高公眾個(gè)人素質(zhì)與地震應(yīng)急意識(shí)、防震減災(zāi)能力，有助于地震應(yīng)急處理以及確保百姓的生命安全、減少地震造成的損傷[3]。AR 影響著人類(lèi)對(duì)世界的認(rèn)知，這種技術(shù)正在改變著我們感受世界的形式，帶給我們交互沉浸式的美好體驗(yàn)[4]。AR 技術(shù)能夠?qū)⒇S富的防震知識(shí)融合到用戶感受得到的真實(shí)情境中[5]，提高人們學(xué)習(xí)防震減災(zāi)知識(shí)的主動(dòng)性，并且使人們能夠有效應(yīng)對(duì)災(zāi)情處置工作。利用AR 技術(shù)去開(kāi)發(fā)人們?cè)敢馐褂貌⒂行Х勒饻p災(zāi)的地震科普應(yīng)用手機(jī)APP，具有顯著的研究意義和應(yīng)用前景。

手機(jī)已經(jīng)是人人普及的電子類(lèi)生活用品，無(wú)論男女老少都能便捷地使用手機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)、娛樂(lè)。當(dāng)前，防震減災(zāi)科普知識(shí)傳播手段正向信息化、智能化邁進(jìn)，開(kāi)發(fā)集科學(xué)性、權(quán)威性、趣味性于一體的科普產(chǎn)品，成為防震減災(zāi)科普作品開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)。作者及團(tuán)隊(duì)利用已有的專(zhuān)業(yè)資源開(kāi)發(fā)了一款專(zhuān)業(yè)的地震科普手機(jī)應(yīng)用程序，可以有效地將防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)推廣給人們。應(yīng)用安卓系統(tǒng)手機(jī)[6-7]上的AR科普應(yīng)用軟件能夠?qū)⒖菰锏牡卣鹬R(shí)變得有趣，使人們感興趣并愿意學(xué)習(xí)防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）英文縮寫(xiě)為AR，是利用現(xiàn)實(shí)和虛擬空間相互結(jié)合的技術(shù)方法，將難以體驗(yàn)的實(shí)體信息在計(jì)算機(jī)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真虛擬化，生動(dòng)形象地刻畫(huà)出實(shí)體信息，實(shí)現(xiàn)超越真實(shí)世界的感官體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中使用攝像頭和傳感器獲取真實(shí)場(chǎng)景的坐標(biāo)信息，通過(guò)分析處理對(duì)采集到的信息重新構(gòu)建，將現(xiàn)實(shí)中真實(shí)信息與虛擬場(chǎng)景內(nèi)容融合交互[8]，即把真實(shí)和虛擬場(chǎng)景的坐標(biāo)系對(duì)齊并融合計(jì)算后，將交互后的影像展現(xiàn)給用戶。為實(shí)現(xiàn)虛擬影像在現(xiàn)實(shí)空間環(huán)境中的無(wú)縫疊加，需要使用跟蹤注冊(cè)方法將設(shè)備攝像頭和虛擬影像的位置對(duì)應(yīng)，即在三維空間中完成注冊(cè)匹配。AR 在應(yīng)用時(shí)，原理一般是使用者利用電子設(shè)備上的攝像頭等器件捕捉真實(shí)空間信息并跟蹤，將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好的三維模型、圖像文字作為虛擬信息，和捕捉跟蹤到的三維空間場(chǎng)景通過(guò)三維注冊(cè)技術(shù)完成定位匹配，最后用顯示屏或3D 眼鏡[9]等電子設(shè)備展現(xiàn)融合后的“立體信息形式”。

1.2 場(chǎng)景識(shí)別

場(chǎng)景識(shí)別廣泛應(yīng)用在學(xué)習(xí)研究和生活當(dāng)中，用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像包含的內(nèi)容進(jìn)行分析判斷處理，理解并識(shí)別出圖像中的場(chǎng)景種類(lèi)。底層特征是刻畫(huà)圖像最基本信息的，描繪了圖像底層的邊緣輪廓、紋理結(jié)構(gòu)等信息，計(jì)算也較為容易。適合在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景下使用，若場(chǎng)景的物體繁多，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，得到的效果就很難滿足要求[10]。特征學(xué)習(xí)將像素作為基本點(diǎn)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，學(xué)習(xí)圖層中隱含的圖像特征信息。突出的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在復(fù)雜大規(guī)模的場(chǎng)景分類(lèi)問(wèn)題上取得了較好成果，將圖像處理后通過(guò)卷積層運(yùn)算，抽取三個(gè)連接層中的一層響應(yīng)數(shù)值，組成CNN 特征向量，在視覺(jué)識(shí)別中作為通用表示圖像[11]。

2 AR 軟件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境及主要功能

對(duì)地震知識(shí)的學(xué)習(xí)與認(rèn)知，有助于增強(qiáng)防震意識(shí)和減少盲目逃生所致的人員傷亡。本項(xiàng)目在安卓操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一款融入AR 元素的應(yīng)用程序，使防震減災(zāi)知識(shí)生動(dòng)形象地展現(xiàn)出來(lái)，讓人們比較容易地接受和理解防震知識(shí)，從而達(dá)到科普防震減災(zāi)知識(shí)的目的。應(yīng)用程序中還添加識(shí)物、區(qū)域定位與精確定位、地震信息和當(dāng)前天氣播報(bào)等功能，為科普用戶提供便捷的生活服務(wù)。

2.2 需求分析

生活中的地震應(yīng)急救援知識(shí)多數(shù)以文字圖畫(huà)的形式呈現(xiàn)。但人們的知識(shí)水平高低不一，不同年齡的群體接受與理解事物的能力差異較大，以單一的方式對(duì)大眾進(jìn)行防震知識(shí)宣傳，效果有限。應(yīng)用系統(tǒng)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要分為學(xué)校、車(chē)站、山區(qū)和住宅四大場(chǎng)景，以多元化的方式分別介紹在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中的防震知識(shí)。其次，為大眾用戶提供地圖定位、地震信息提示等便捷的生活服務(wù)。應(yīng)用不僅以AR 交互的形式給用戶提供地震應(yīng)急知識(shí)，還嵌合各種小功能增加應(yīng)用的實(shí)用性。

2.3 框架設(shè)計(jì)

應(yīng)用設(shè)計(jì)分為網(wǎng)絡(luò)模塊、日志模塊、文件模塊、AR 模塊、UI 模塊和數(shù)據(jù)處理模塊6 部分，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)模塊是與外界溝通的橋梁，用來(lái)請(qǐng)求和接收相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，如物體識(shí)別后的描述、地圖數(shù)據(jù)和地震信息等。日志模塊存儲(chǔ)日志和打印日志可以定位到問(wèn)題代碼處，并及時(shí)得到反饋，提高編程效率。文件模塊管理了地震科普的視頻與PDF 文件。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊向DuMix AR 內(nèi)容開(kāi)放平臺(tái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，AR 模塊運(yùn)算處理后通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)畫(huà)面展示給用戶。UI 模塊管理啟動(dòng)畫(huà)面、引導(dǎo)頁(yè)、菜單界面及子界面等界面信息，給用戶良好的體驗(yàn)交互。數(shù)據(jù)處理模塊處理了物體識(shí)別和地震信息網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求后的數(shù)據(jù)塊，提取其中有效的信息以及用戶在實(shí)時(shí)地圖上的位置。

圖1 應(yīng)用核心框架設(shè)計(jì)Fig.1 Application core framework design

2.4 功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，調(diào)用了封裝在各個(gè)模塊中的接口，以確保正常運(yùn)行使用。主要的接口包括場(chǎng)景識(shí)別、AR 展示、物體識(shí)別、百度地圖SDK、地震信息等，將基本功能封裝成API 接口庫(kù)模塊化，便于管理與使用，功能模塊如圖2 所示。

圖2 功能接口設(shè)計(jì)Fig.2 Functional interface design

2.5 數(shù)據(jù)集制作

為了提高場(chǎng)景/物體識(shí)別功能的識(shí)別率，選用自制的圖像數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練識(shí)別模型。首先，選擇光源穩(wěn)定的地點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)景識(shí)別及物體識(shí)別所需的數(shù)據(jù)集進(jìn)行拍攝與制作。對(duì)教室、食堂、操場(chǎng)、宿舍、地鐵5 個(gè)場(chǎng)景和多功能工兵鏟、干粉滅火器、迷你急救藥包、應(yīng)急保溫毯等13 個(gè)防震應(yīng)急物品在自然狀態(tài)下進(jìn)行拍攝，過(guò)程中注意對(duì)特定場(chǎng)景或物體從多角度采集，圖片分辨率統(tǒng)一為512×512。然后使用具有色彩恢復(fù)功能的多尺度視網(wǎng)膜增強(qiáng)算法(Multi-Scale Retinex with Color Restoration，MSRCR)[12]對(duì)采集的圖片進(jìn)行清洗與預(yù)處理，借助EasyDL 平臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景識(shí)別和物體識(shí)別功能所需的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注。

2.6 場(chǎng)景/物體識(shí)別

獲取到場(chǎng)景/物體識(shí)別模型訓(xùn)練所需的圖像數(shù)據(jù)集后，在EasyDL 平臺(tái)上訓(xùn)練并發(fā)布模型。模型評(píng)估報(bào)告中顯示場(chǎng)景識(shí)別的準(zhǔn)確率能達(dá)到99.3%，物體識(shí)別的整體準(zhǔn)確率能達(dá)到97.6%。識(shí)別流程如圖3 所示。

圖3 場(chǎng)景/物體識(shí)別流程Fig.3 Scene/object recognition flow

3 AR 防 震 科 普 知 識(shí) 在 應(yīng) 用 程 序 中 的實(shí)現(xiàn)

3.1 界面實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用的主菜單界面直觀地給用戶展示了系統(tǒng)所包含的主要功能，有場(chǎng)景識(shí)別、物體識(shí)別、應(yīng)急處置、急救知識(shí)、地震常識(shí)、地圖/GPS 定位、地震信息滾動(dòng)播報(bào)等，如圖4a 所示。場(chǎng)景識(shí)別和物體識(shí)別界面使用SurfaceView 控件實(shí)時(shí)顯示攝像頭傳輸畫(huà)面，為AR 模型提供載體，如圖4b 所示。應(yīng)急處置、急救知識(shí)和地震常識(shí)界面以圖畫(huà)、視頻和文字的形式介紹了地震中對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下的逃生方法和急救方法，如圖4c 所示。

圖4 APP 應(yīng)用界面示意Fig.4 Application interface design

地圖/GPS 定位功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼：

3.2 應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)

在識(shí)別功能中，通過(guò)調(diào)用百度AI 開(kāi)放平臺(tái)SDK 接口，對(duì)拍照?qǐng)鼍昂臀矬w進(jìn)行分類(lèi)。識(shí)別到設(shè)置的場(chǎng)景或物品時(shí)，使用DuMix 內(nèi)容制作平臺(tái)的AR 人物對(duì)地震逃生知識(shí)進(jìn)行科普講解，如圖5a 所示。講解內(nèi)容是通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，按照識(shí)別出的場(chǎng)景或物品所給出相應(yīng)的科普知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。講解完畢后，附可選擇性播放的自制多媒體視頻、動(dòng)畫(huà)等資料，進(jìn)一步加深知識(shí)點(diǎn)的展示效果，如圖5b所示。另外，該軟件還可以通過(guò)GPS 定位獲取到當(dāng)前的位置信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換可以得到使用者的當(dāng)前所在地區(qū)，并且根據(jù)當(dāng)前所在地域來(lái)獲取地震信息。

圖5 APP 中物品識(shí)別功能操作示意Fig.5 Object recognition function operation demonstration in application AR character explain the use of fire extinguishers by voice video of fire extinguishers using playback tips

AR 互動(dòng)講解功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼：

3.3 軟件特點(diǎn)

為了保證用戶有更好的體驗(yàn)，軟件展示過(guò)程中采用的多媒體資料更注重其科普性展示。通過(guò)研究分析，資料制作中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）內(nèi)容是科學(xué)知識(shí)點(diǎn)經(jīng)過(guò)科普化的，相對(duì)淺顯易懂。確保用戶能夠在一次瀏覽中理解。2）內(nèi)容量要注意適度。文字以一個(gè)知識(shí)點(diǎn)不超過(guò)500 字為宜，一個(gè)視頻時(shí)長(zhǎng)以不超過(guò)2 分鐘為宜。3）內(nèi)容要有直觀性。讓用戶在最短時(shí)間內(nèi)獲取信息。4）內(nèi)容要具備有效性。針對(duì)應(yīng)急需求目標(biāo)能確實(shí)起到提升公眾應(yīng)急能力的作用。

軟件中嵌入了大量適合與軟件平臺(tái)AR 互動(dòng)展示的多媒體視頻，這些視頻由地震應(yīng)急專(zhuān)業(yè)人員以及在校大學(xué)生合作制作完成，視頻內(nèi)容豐富、風(fēng)格生動(dòng)、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，能夠增強(qiáng)用戶在瀏覽地震科普知識(shí)過(guò)程中的趣味性和有效性，如圖6 所示。

圖6 APP 中地震科普視頻截圖Fig.6 Earthquake science video screenshot

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)了一款應(yīng)用于安卓系統(tǒng)手機(jī)的用于地震應(yīng)急救援知識(shí)科普宣傳的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件。軟件已在百度應(yīng)用平臺(tái)正式發(fā)布，并利用四川省地震局官微、四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院官微等渠道進(jìn)行軟件推介，并在2022 年5·12 防災(zāi)減災(zāi)日、10·13 國(guó)際防災(zāi)日及瀘定6.8 級(jí)地震等、蘆山6.1 級(jí)地震等多次破壞性地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急宣傳中推廣使用，取得較好的應(yīng)用效果。