基于增強現實的校園助手

汪冰冰 李連民

摘要：隨著科學技術的不斷發展，服務行業也逐漸從人人互動轉變為了人機互動，而AR技術的出現，又給人機互動帶來一個全新的形式，一下內容就此項目開發過程中的關鍵問題，和AR技術進行說明解釋。

關鍵詞：增強現實;校園服務;智能助手

中圖分類號：TP302? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0214-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Campus Assistant Based on Augmented Reality

WANG Bing-bing ， LI Lian-min

（Henan University of Science and Technology Software college ， Luoyang? 471003， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， the service industry has gradually changed from human-computer interaction to human-computer interaction， and the emergence of AR technology has brought a new form of human-computer interaction. This paper elaborates and explains some key issues of campus assistant development based on augmented reality technology.

Key words： Augmented Reality;Campus service;Intelligent assistant

增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是一項將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，他的工作原理是通過現有的信息捕捉技術捕捉現實視界的實體信息，再通過計算機科學技術進行處理，為其添加虛擬世界信息，將現實信息和虛擬信息疊加之后，再被人類感官感知。從而實現超越現實的感官體驗。

1 AR技術原理

AR從其技術手段和表現形式上，可以明確分為大約兩類，一是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR，二是Vision based AR，即基于計算機視覺的AR。這里主要用到第二類，基于計算機視覺的AR，基于計算機視覺的AR是利用計算機視覺方法建立現實世界與屏幕之間的映射關系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現實物體上一般展現在屏幕上，如何做到這一點呢？本質上來講就是要找到現實場景中的一個依附平面，然后再將這個三維場景下的平面映射到我們二維屏幕上，然后再在這個平面上繪制你想要展現的圖形

1.1 Marker-Based AR實現原理

這種實現方法需要一個事先制作好的Marker（例如：繪制著一定規格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker在現實中的位置確定了一個現實場景中的平面，通過攝像頭對Marker進行識別和姿態評估（Pose Estimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點的坐標系稱為Marker Coordinates，即模板坐標系，我們要做的事情實際上是要得到一個變換從而使模板坐標系和屏幕坐標系建立映射關系，這樣我們根據這個變換在屏幕上畫出的圖形就可以達到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點3D射影幾何的知識，從模板坐標系變換到真實的屏幕坐標系需要先旋轉平移到攝像機坐標系（Camera Coordinates）然后再從攝像機坐標系映射到屏幕坐標系。

1.2? Marker-Less AR實現原理

基本原理與Marker based AR相同，但是任何一個具有足夠特征點的物體（例如：禮盒包裝）都可以作為平面基準，這樣避免了事先制作特殊模板帶來的麻煩，擺脫了模板對AR應用的束縛。它的原理是通過一

系列算法（如：SURF，ORB，FERN等）對模板物體提取特征點，然后記錄并學習這些特征點。當攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特征點并與記錄的模板物體的特征點進行比對，如果掃描到的特征點和模板特征點匹配數量超過閾值，則認為掃描到該模板，然后根據對應的特征點坐標估計Tm矩陣，之后再根據Tm進行圖形繪制（方法與Marker-Based AR類似）。

2 AR技術所需技術支持

在目前世界上主流的AR SDK提供廠商，國外的主要是Vuforia、Metaio，國內的主要是EasyAR。其中Metaio在2015年5月已被Apple重金收購，之后就沒有再對外公開過SDK，經過兩年的封閉開發，Apple已經打造出了強大的ARKit，能夠基于龐大的iOS和iPad設備生產出各種驚艷的AR產品。Vuforia也在2015年11月被PTC公司重金收購，但是后續一直在更新并提供SDK，因此在ARKit普及之前，Vuforia一直是開發者最青睞的AR SDK，眾多的功能以及高質量的識別技術，使得Vuforia早已深入人心。

2.1 識別與跟蹤技術

在實現增強現實的過程中，需要對真實的場景和信息進行分析，生成虛擬事物信息。這兩步看似簡單，其實在實際進行過程中，需要將攝像機獲得的真實場景的視頻流，轉化成數字圖像，然后通過圖像處理技術，辨識出預先設置的標志物。

識別出標志物之后，一標志物作為參考，結合定位技術，由增強現實程序確定需要添加的三維虛擬物體在增強現實環境中的位置和方向，并確定數字模板的方向。將標志物中的標識符號與預先設定的數字模板鏡像匹配，確定需要添加的三維虛擬物體的基本信息。生成虛擬物體，并用程序根據標識物體位置，將虛擬物體放置在正確的位置上。這其中涉及的識別跟蹤和定位問題，是增強現實的最大的難題之一。

2.2 圖像檢測法

這種方法進行跟蹤定位不需要其他的設備，而且精確度較高，因此是增強現實技術中最常見的定位方法。在模板匹配時，系統會預先存儲好多種模板，來和圖像中檢測到的標志物匹配來計算定位。簡單的模板匹配可以提高圖像檢測的效率，因也為增強現實的實時性提供了保障。通過計算圖像中標志物的偏移和偏轉，也能夠做到三維虛擬物體的全方位觀察。模板匹配一般用于對應特定圖片三維成像，設備通過掃描特定的圖片，將這些圖片中的特殊標志位與預先存儲的模板匹配，即可呈現三維虛擬模型。比如汽車店的車模卡片，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配來進行增強現實。邊緣檢測可以檢測出人體的一些部位，同時也可以跟蹤這些部位的運動，將其與虛擬物體物體無縫融合。比如，真實的手提起虛擬的物體，攝像機可以通過跟蹤用戶手的輪廓，運動方式來調整虛擬物體的方位。因此，許多商場的虛擬商品實用，多會使用邊緣檢測。

2.3 現實技術

智能手機通過相應的APP實時取景并顯示疊加的數字圖像，這就是移動手持式顯示器的一般工作情況。同時現在平板電腦不斷增加功能以及比智能手機更大的屏幕，也是的其日益流行。手持增強現實標志物，通過網絡攝像機在食品窗口或是顯示器上顯示虛擬疊加的圖像，就是視頻空間顯示方式。帶有增強現實功能的賀卡，既是用這種方式顯示的。用戶在收到賀卡后，登錄相應的網站系統，用網絡攝像機對準賀卡，用戶即可從顯示屏上得到賀卡內所存儲的信息形成的虛擬物體和視頻。而空間增強顯示技術，則是利用把包括全息投影在內的視頻投影技術，直接將虛擬數字信息顯示在真實的環境之中。這種技術的系統不同于一般的增強現實系統，只適合于個人使用，而是能想增強現實與周圍環境相結合，不僅僅限于單個用戶。這種技術適用于大學或者圖書館，可以同時為一群人提供增強現實信息。也可以將控制組件投影到相應的實體模型上，方便工程師的交互操作。

3 校園助手簡單功能實現

3.1 帶路功能

使用高德地圖API。使用其中步行路線規劃的方法與接口，將路線規劃形式以校園助帶路的形式展現出來，從而實現校園內部簡單的帶路功能。

3.2查詢空教室

使用校園教務中心數據，返回的空教室以語音播報的形式返回給用戶，并選擇最近的空教室自動給用戶帶路。

3.3尋找周圍用戶

使用GPS定位系統調用用戶當前的位置，上傳到服務器中，以發現周圍的用戶位置。

4 結束語

如今的科技發展迅速，越來越多的校園服務應用出現在師生的眼前讓人眼花繚亂，如何制作一款功能強大，簡單好用，富有各大高校自身特色的校園助手應用，AR技術可以很完美地做到這一點。獨特的使用方式可以給人眼前一亮的感覺。從1966年第一臺AR設備以達摩克利斯之劍（Sword of Damocles）的名字出現在人們眼前，到如今的蘋果公司打造的最大的AR平臺ARKit，AR正在逐步的融于人們的生活當中。未來的AR將連接現在與未來，溝通天涯與海角。

參考文獻：

[1] Ahmad Hoirul Basori and Hani Moaiteq Abdullah AlJahdali. Telerobotic 3D Articulated Arm-Assisted Surgery Tools with Augmented Reality for Surgery Training[M].IntechOpen，2019.

[2] Maria Makolkina，Van Dai Pham，Truong Duy Dinh，Alexander Ryzhkov，Ruslan Kirichek. Transmission of Augmented Reality Contents Based on BLE 5.0 Mesh Network[M].Springer International Publishing，2018.

[3] Ammar Muthanna，Abdelhamied A. Ateya，Aleksey Amelyanovich，Mikhail Shpakov，Pyatkina Darya，Maria Makolkina. AR Enabled System for Cultural Heritage Monitoring and Preservation[M].Springer International Publishing，2018.

【通聯編輯：唐一東】