圖書館增強現實導航系統研究

周偉

摘 要：增強現實作為將虛擬影像和現實場景實時合成的技術，在醫學、軍事以及娛樂等領域得到了廣泛的應用。把增強現實技術應用于圖書館檢索導航，通過把圖書館庫存資料通過導航符號疊加于圖書館真實場景。可以幫助查閱者迅速獲取圖書在書架上的準確位置。

關鍵詞：增強現實；三維注冊；導航；檢索

0 引言

增強現實是將計算機生成的虛擬物體或其他信息疊加到真實場景中，從而實現對現實信息的“增強”與“拓展”。增強現實技術綜合了計算機圖形、多種傳感器技術、融合顯示、圖像處理、人工視覺等多種技術。以往的圖書館檢索系統，僅僅標示了圖書的館藏編號及對應的書架編號。如果通過人工尋找圖書在書架上的定位，讀者要找到某一本書并不容易。隨著移動計算機設備和網絡技術的發展，增強現實技術在網絡和移動設備上的應用越來越多。這些設備具有體積小、攜帶方便的優點。因此研究這套導航系統，使讀者可以通過手持式移動設備，利用增強現實技術可以觀看到的圖書位置及書本信息實時地疊加于館內書架上。比以往的平面導航方式更為直觀。

1 國內外研究及應用

增強現實導航最早用于航空，如高度，速度，油料等信息參數被整合到了HUD（抬頭顯示器）上。飛行員通過前視風擋就可以看到各類飛行參數。隨后該技術向民用領域進軍。1995年，M.Uenohara在論文中發表了增強現實系統中注冊技術的實現。為了培訓學員學習計算機內部結構，美國科羅拉多礦業大學的研究小組于1996年在實驗室實現了早期的增強現實系統。加拿大多倫多大學的Milgram提出了一個虛擬環境與真實環境的關系圖譜。我國浙江大學CAD國家重點實驗室在三色立體基準注冊和高精度視頻目標跟蹤算法方面取得了較大的進展。華中科技大學的明德烈等在視覺注冊技術上提出了自己的仿射坐標變換法，能夠簡單而快速地實現注冊中的坐標變換。增強現實技術在公共環境中已進入了應用領域。由Nokia開發的MARA是一種城市導游系統，它利用諾基亞6680手機作為增強現實的運行平臺，該手機運用加速計、角度儀以及GPS定位實現手機的絕對姿態跟蹤定位，并通過藍牙無線接口向手機發送數據信息。

2 系統采用的三維注冊技術

三維注冊技術是增強現實技術中最關鍵的技術，為的是達到真實環境和虛擬影像的融合。要將虛擬景象與真實景象進行無縫拼接，產生使現實世界的元素得到增強的視覺效果，必須將虛擬物體準確地融合到現實世界中的相應位置上。目前已經擁有多種方法對真實場景進行定位與跟蹤來實現注冊，如視頻檢測、GPS定位、射頻裝置定位、慣性導航、磁場檢測等。對于類似圖書館導航系統，目前常用射頻技術結合慣性導航的方法。系統跟蹤需要實時地計算用戶攝像機的姿態，也就是獲得攝像機坐標系與真實世界坐標系之間的轉換關系。獲得虛擬物體坐標系與2D成像平面坐標系之間的轉換關系。

本文提出構建的圖書館導覽系統，將在圖書館內均勻布置Wifi射頻裝置，每個發射器的有效覆蓋范圍可至一些圖書存放架。當用戶進入場館時，用戶移動設備將接收到發射器發送的信號，系統通過對Wifi信息的處理，可以獲取進行三維注冊所需的用戶空間位置信息。圖書館導航系統首先存入真實場景三維位置信息，在此基礎上獲得虛擬物體在真實場景中的三維注冊信息。同時移動設備自帶的慣性裝置和陀螺儀將實時跟蹤攝像頭的指向。使用包圍盒算法計算用戶與目標之間是否有障礙物。障礙物后目標與直接可視目標所顯示符號會有區別。假如目標在攝像機區域外則在屏幕邊緣顯示一箭頭符號提示用戶轉向。

3 虛擬圖形信息生成

本系統所顯示的是抽象的矢量圖形符號和文字信息。要在虛擬現實環境中建模要考慮空間準確性，實時性和可控性。關鍵是兩個方面：設備自身攝像頭在空間中的定位和跟蹤；虛擬物體在真實空間中的定位。當攝像機姿態發生變化時，虛擬物體的注冊位置也要發生相應的變化。系統涉及虛擬物體坐標系、真實場景坐標系、攝像機坐標系、2D成像平面坐標這4個坐標之間的轉換。虛擬物體自身擁有虛擬坐標系，用于確定虛擬物體和真實空間之間的實時關系。其次按照投影關系將三維空間的形體轉化成二維空間的圖形，并顯示在觀察者的顯示器上。系統還能顯示障礙物之后的定點信息。用戶能看到地板以下或者天花板上方的定位符號以提供導航。要獲得可靠的拓展信息，必須將虛擬物體準確地疊加到現實場景中，達到虛實融合的目的。系統需要實時跟蹤手機在真實場景中的位置及姿態，并根據這些信息計算出虛擬物體在攝像機中的坐標。過程中需要考慮多種坐標系之間的轉換，以實現虛擬物體和真實環境的“無縫”對接。這些坐標系分別為“眼坐標系”即以人眼為中心建立的坐標系、“相機坐標系”是以相機為中心設立的坐標系、“屏幕坐標系”這個坐標系影響著投影到顯示器上的結果，以及真實世界坐標系。

信息合成要同時處理真實和虛擬兩種視頻流，會帶來大約十幾毫秒的延遲。真實和虛擬兩種視頻流無法同步，會得到不理想的結果。而視頻攝像機所拍攝的圖像幾乎都會對景物造成光學變形，這種變形必須進行補償。顯示設備還會受到分辨率影響。目前顯示器的分辨率要遠遠低于眼睛的分辨率。理想的狀態是攝像機軸線與用戶眼睛軸線完美重合；攝像機視角與用戶視場相一致。手持式設備的攝像頭通常位于觀察者自身眼睛較遠的位置，因此屏幕成像與用戶實際觀看環境有較大的差距。同時手持設備還存在用戶手部無意識抖動引起跟蹤注冊準確性降低的問題。對性能較低的手持設備每一幀檢測抖動補償會產生延時，降低注冊的實時性。

4 結論

本文提出一種用于圖書館導覽的增強現實系統，探索該技術在公共服務領域的實用性。其三維注冊精度為+-0.5米。使用射頻信號作為注冊方法，可避免人工視覺中因為障礙物干擾和室內光線變化而導致注冊失敗。其缺點是不能實時跟蹤每一本書的真正去向，書本的定位依據以數據庫為準。如果圖書擺放錯誤導致圖書所在與數據庫不符，則導航會失效。由于射頻信號的限制使用范圍只限于圖書館內部。

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