图书馆增强现实导航系统研究

周伟

摘 要：增强现实作为将虚拟影像和现实场景实时合成的技术，在医学、军事以及娱乐等领域得到了广泛的应用。把增强现实技术应用于图书馆检索导航，通过把图书馆库存资料通过导航符号叠加于图书馆真实场景。可以帮助查阅者迅速获取图书在书架上的准确位置。

关键词：增强现实；三维注册；导航；检索

0 引言

增强现实是将计算机生成的虚拟物体或其他信息叠加到真实场景中，从而实现对现实信息的“增强”与“拓展”。增强现实技术综合了计算机图形、多种传感器技术、融合显示、图像处理、人工视觉等多种技术。以往的图书馆检索系统，仅仅标示了图书的馆藏编号及对应的书架编号。如果通过人工寻找图书在书架上的定位，读者要找到某一本书并不容易。随着移动计算机设备和网络技术的发展，增强现实技术在网络和移动设备上的应用越来越多。这些设备具有体积小、携带方便的优点。因此研究这套导航系统，使读者可以通过手持式移动设备，利用增强现实技术可以观看到的图书位置及书本信息实时地叠加于馆内书架上。比以往的平面导航方式更为直观。

1 国内外研究及应用

增强现实导航最早用于航空，如高度，速度，油料等信息参数被整合到了HUD（抬头显示器）上。飞行员通过前视风挡就可以看到各类飞行参数。随后该技术向民用领域进军。1995年，M.Uenohara在论文中发表了增强现实系统中注册技术的实现。为了培训学员学习计算机内部结构，美国科罗拉多矿业大学的研究小组于1996年在实验室实现了早期的增强现实系统。加拿大多伦多大学的Milgram提出了一个虚拟环境与真实环境的关系图谱。我国浙江大学CAD国家重点实验室在三色立体基准注册和高精度视频目标跟踪算法方面取得了较大的进展。华中科技大学的明德烈等在视觉注册技术上提出了自己的仿射坐标变换法，能够简单而快速地實现注册中的坐标变换。增强现实技术在公共环境中已进入了应用领域。由Nokia开发的MARA是一种城市导游系统，它利用诺基亚6680手机作为增强现实的运行平台，该手机运用加速计、角度仪以及GPS定位实现手机的绝对姿态跟踪定位，并通过蓝牙无线接口向手机发送数据信息。

2 系统采用的三维注册技术

三维注册技术是增强现实技术中最关键的技术，为的是达到真实环境和虚拟影像的融合。要将虚拟景象与真实景象进行无缝拼接，产生使现实世界的元素得到增强的视觉效果，必须将虚拟物体准确地融合到现实世界中的相应位置上。目前已经拥有多种方法对真实场景进行定位与跟踪来实现注册，如视频检测、GPS定位、射频装置定位、惯性导航、磁场检测等。对于类似图书馆导航系统，目前常用射频技术结合惯性导航的方法。系统跟踪需要实时地计算用户摄像机的姿态，也就是获得摄像机坐标系与真实世界坐标系之间的转换关系。获得虚拟物体坐标系与2D成像平面坐标系之间的转换关系。

本文提出构建的图书馆导览系统，将在图书馆内均匀布置Wifi射频装置，每个发射器的有效覆盖范围可至一些图书存放架。当用户进入场馆时，用户移动设备将接收到发射器发送的信号，系统通过对Wifi信息的处理，可以获取进行三维注册所需的用户空间位置信息。图书馆导航系统首先存入真实场景三维位置信息，在此基础上获得虚拟物体在真实场景中的三维注册信息。同时移动设备自带的惯性装置和陀螺仪将实时跟踪摄像头的指向。使用包围盒算法计算用户与目标之间是否有障碍物。障碍物后目标与直接可视目标所显示符号会有区别。假如目标在摄像机区域外则在屏幕边缘显示一箭头符号提示用户转向。

3 虚拟图形信息生成

本系统所显示的是抽象的矢量图形符号和文字信息。要在虚拟现实环境中建模要考虑空间准确性，实时性和可控性。关键是两个方面：设备自身摄像头在空间中的定位和跟踪；虚拟物体在真实空间中的定位。当摄像机姿态发生变化时，虚拟物体的注册位置也要发生相应的变化。系统涉及虚拟物体坐标系、真实场景坐标系、摄像机坐标系、2D成像平面坐标这4个坐标之间的转换。虚拟物体自身拥有虚拟坐标系，用于确定虚拟物体和真实空间之间的实时关系。其次按照投影关系将三维空间的形体转化成二维空间的图形，并显示在观察者的显示器上。系统还能显示障碍物之后的定点信息。用户能看到地板以下或者天花板上方的定位符号以提供导航。要获得可靠的拓展信息，必须将虚拟物体准确地叠加到现实场景中，达到虚实融合的目的。系统需要实时跟踪手机在真实场景中的位置及姿态，并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标。过程中需要考虑多种坐标系之间的转换，以实现虚拟物体和真实环境的“无缝”对接。这些坐标系分别为“眼坐标系”即以人眼为中心建立的坐标系、“相机坐标系”是以相机为中心设立的坐标系、“屏幕坐标系”这个坐标系影响着投影到显示器上的结果，以及真实世界坐标系。

信息合成要同时处理真实和虚拟两种视频流，会带来大约十几毫秒的延迟。真实和虚拟两种视频流无法同步，会得到不理想的结果。而视频摄像机所拍摄的图像几乎都会对景物造成光学变形，这种变形必须进行补偿。显示设备还会受到分辨率影响。目前显示器的分辨率要远远低于眼睛的分辨率。理想的状态是摄像机轴线与用户眼睛轴线完美重合；摄像机视角与用户视场相一致。手持式设备的摄像头通常位于观察者自身眼睛较远的位置，因此屏幕成像与用户实际观看环境有较大的差距。同时手持设备还存在用户手部无意识抖动引起跟踪注册准确性降低的问题。对性能较低的手持设备每一帧检测抖动补偿会产生延时，降低注册的实时性。

4 结论

本文提出一种用于图书馆导览的增强现实系统，探索该技术在公共服务领域的实用性。其三维注册精度为+-0.5米。使用射频信号作为注册方法，可避免人工视觉中因为障碍物干扰和室内光线变化而导致注册失败。其缺点是不能实时跟踪每一本书的真正去向，书本的定位依据以数据库为准。如果图书摆放错误导致图书所在与数据库不符，则导航会失效。由于射频信号的限制使用范围只限于图书馆内部。

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