基于增強現實電子點餐系統的設計與實現

郭小成

（河海大學計算機與信息學院 江蘇 211100）

0 引言

目前，絕大多數的餐飲企業的點餐過程仍然停留在單一、乏味的文字或圖案菜譜上，無法展現菜式的詳細信息，僅憑稀奇古怪的菜名常常讓客戶不知所云;其次，傳統的點餐方式需要服務員借助筆、紙張和計算器等工具，不僅破壞了自由點餐的空間，也耗費了大量的人力和物力;再者，基本上每家餐廳都需要定期更換菜譜，而傳統的菜譜制作費時費力;最后，傳統的點餐方式缺少分享和推送功能，不利于餐飲企業特色菜、招牌菜的推廣。

本文將增強現實技術應用到餐飲企業的點餐過程中，對傳統菜譜進行適當修改，再利用手機、平板等移動設備的攝像頭作為數據采集裝置，將采集到的圖像數據上傳到服務器，服務器端對接受到的數據經過數據預處理、提取特征值和分類判別等步驟識別出菜式，再利用投影變換矩陣原理，實時注冊跟蹤并在客戶移動設備的屏幕上疊加接近真實的三維菜色模型。從而可以讓用戶對菜色的外觀、味道、成份和用戶評價等信息有一個清晰直觀的了解，有效地增強客戶就餐的服務體驗。

1 系統的體系結構

本文設計系統的體系結構如圖1所示。廚房終端是普通的PC機，通過B/S模式訪問，采用Ajax技術實時更新客戶的訂單信息。客戶移動終端可以是手機、平板等帶有攝像功能的移動設備。

客戶在移動終端上運行系統的Android應用程序之后，將攝像頭對準餐廳的菜譜，將拍攝到的圖片上傳到服務器，服務器通過對圖片進行去噪、濾波和平滑等預處理，提取圖片的特征值，然后以數據挖掘的算法進行分類，識別出對應的菜式，隨后從數據服務器取出該菜式對應的三維模型和相關信息。最后移動終端接受該菜式的信息，利用投影變換矩陣原理，實時注冊跟蹤并在客戶移動設備的屏幕上疊加接近真實的三維菜色模型和相關信息。

2 系統的工作原理

本系統涉及兩個重要的過程。一是識別文字菜譜的過程，只有正確識別出客戶指定的菜式，才能提供正確的增強現實信息；二是實時跟蹤注冊過程，需要通過投影變換矩陣技術，實時計算出攝像頭與菜譜標識物的相對位置，才能準確的加載虛擬的三維模型，以達到虛實結合的效果。

2.1 菜譜識別過程

2.1.1 傳統菜譜的修改

首先需要對傳統的文字菜譜進行適當修改，以滿足增強現實標識物簡單、易區分、易識別的特點。在修改過程中，需要滿足以下兩條原則。

菜譜上的菜式可以是任意的文字或圖案，但一定不能中心對稱或軸對稱，否則虛擬物體會上下或左右倒置。

菜譜上的菜式的文字或圖案應該越簡單越好，越簡單識別速度越快。其中，黑白相間的圖案可以有效地加速標識物的邊緣探測。

圖1 系統的體系架構

2.1.2 數據預處理

從客戶移動終端的攝像頭獲取到圖像后，在移動終端進行初步的處理，將圖像進行灰度化處理和適當壓縮。上傳到服務器之后，對圖像進行去噪、濾波、平滑和提取邊緣等 處理。

2.1.3 提取特征值

提取特征值過程實質上是在圖像上檢測“興趣點”，然后對這些“興趣點”轉換為特征向量。這里我們采用SURF算法[2]生成一個64維的向量，該算法提取的特征向量對光照和視角變換的影響很小，對平移，旋轉和縮放也能保持不變性[4]。

2.1.4 分類判別分析

因為SVM能較好地解決小樣本、非線性、高維數的分類問題，在圖像識別上有先天的優勢[2]。在使用SVM分類器進行分類時，包含以下兩個階段：

模型訓練階段，首先需要預先將菜譜中的菜式圖案上傳到服務器，服務器端對這些圖片進行預處理，提取特征值生成特征向量之后，輸入到SVM模型中進行訓練。

在線識別階段，客戶移動終端將獲取到的圖像上傳到服務器，服務器端對圖片進行預處理，提取特征值生成特征向量作為之前訓練好的SVM模型的輸入，輸出即為分類結果。

2.2 跟蹤注冊過程

2.2.1 投影矩陣變換原理

在進行標識物的跟蹤注冊時，涉及到三個坐標系統，分別是客觀世界絕對坐標系，攝像頭坐標系和標識物平面坐標系，如圖2所示。

圖2 坐標系統

為了獲取攝像頭的位置和方向，可以通過式(1)[5]將菜譜坐標（Xmc，Ymc，Zmc）轉換到攝像頭坐標（Xcc，Ycc，Zcc）。式(1)中，變換矩陣由一個旋轉矩陣V3×3和一個平移矩陣V3×1組成。

在攝像頭的定標過程中，可以由公式(2)[5]獲得攝像機的透視投影矩陣P，即攝像頭坐標系到絕對世界坐標系的轉換矩陣。

式(2)中，f 為攝像頭鏡頭焦距；Sx 與Sy 分別為X 軸、Y 軸方向的比例因子，(x0，y0）為人眼坐標系中Z軸的位置[1]，K是校準參數。

因為菜譜對應的矩形區域四個頂點的坐標是確定的，移動終端屏幕顯示區域四個頂點坐標也可以實時獲得。在確定了V3×3矩陣之后，就可以計算出從菜譜坐標系到攝像頭坐標系的轉換矩陣。此外，由于標識物的圖案是不對稱的，利用它可以確定攝像頭的方向。

2.2.2 疊加虛擬圖像

利用OpenGL ES的矩形運算和圖形繪制函數庫，將事先設計好的菜式三維模型實時加載到真實環境中，以達到虛實結合。

3 總結和展望

本文設計的基于增強現實的電子點餐系統，具有用戶體驗好、更換菜譜方便和實現成本低等特點。但目前該系統還有很大的提升空間，例如菜譜識別的準確性，攝像頭定標的穩定性以及虛擬物體的加載速度等。

[1]周見光,石剛等.增強現實系統中的虛擬交互方法 [J].計算機工程, 2012, 38(1): 251-253

[2] 劉太安.基于支持向量機的空間數據挖掘方法及其在旅游地理經濟分析中的應用[D]. 徐州:中國礦業大學,2012.

[3]鐘志鵬.移動增強現實博物館導覽應用研究[D].北京:北京理工大學, 2011.

[4]Kato H,Billinghurst M,Weghorst S, et al.A Mixed Reality 3D Conferencing Application[R]. Washington D. C., USA: University of Washington, Technical Report: R-99-1, 1999.