增强现实技术在地铁车窗的应用研究

廖小康，杨美传

(西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610000)

1 研究背景

近年来，随着城市轨道交通技术的飞速发展，越来越多的城市开始兴建地铁，解决城市人口的交通问题。在此阶段，列车控制、运营指挥等铁路产品也在不断更新，用以提升铁路建设质量、效率和信号设备的安全性以及可靠性[1]。地铁作为现代化交通工具，采取地下交通方式，解决了地面交通堵车的不便利性，但是也曝露出地面风景不可可视化这个缺点。

2 增强现实技术概述

增强现实技术是近些年来在虚拟现实基础上逐渐发展起来的一个新兴研究领域。增强现实系统借助计算机图形技术、光电显示技术、交互技术和可视化技术等产生出现实环境中不存在的虚拟对象，并通过现代化传感技术将虚拟对象放置在真实环境之中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并为用户呈现出视觉逼真的新环境。当观察者在现实环境中移动时，虚拟信息也会随之发生相应的变化，使得观察者从感官上确信产生出的虚拟环境是其周围真实环境的有机组成部分[2]。

20世纪90年代以来，随着计算机相关软硬件性能的不断提高，逐渐为增强现实技术打下了坚实的物质基础，国外科学研究对增强现实技术的提升做出了卓越贡献。其中比较出名的增强现实系统有：①英国诺丁汉大学地下数据可视化系统，其注册采用了GPN/NPS集成系统，该系统可以对地质结构、地下管网等特征进行三维可视化[3]；②南澳大利亚大学Tinmith增强现实系统采用三轴磁力计、GPS进行户外注册，可以将建筑物墙体内电缆的虚拟图像增强到用户所看的建筑物上，还可进行户外游戏以及户外导航等；③哥伦比亚大学的移动增强现实系统，同时适用于户外与户内环境，其注册采用了惯性传感器、磁力计以及高精度的RTK GPS。

3 基于视觉的增强现实技术

随着增强现实技术的迅速发展，科学家们对增强现实这一新兴技术进行了大量的研究，增强现实系统中真实环境与虚拟物景融合技术涉及摄像机标定技术、3D虚拟注册技术以及基于视频的实景空间建模技术[4]。

研究增强现实技术在地铁车窗上的应用，要解决的关键问题是增强现实系统中虚拟物景和真实场景之间的静态一致性以及动态一致性。静态一致性包括地铁上方真实物景与车窗显示屏虚拟物景的外观一致性以及空间一致性，即虚拟物景注册的一致性研究。动态一致性包括地铁上方真实场景的实时绘制技术、虚拟物景和真实场景在实时跟踪过程中空间位置一致性技术。

从研究内容上来看，要想研究增强现实技术在地铁车窗上的应用，在这方面的研究主要包括三维动态注册技术、摄像机标定技术和摄像机跟踪技术。

4 增强现实系统应用的关键技术

4.1 三维动态注册技术

增强现实技术研究的重点在于虚拟物景与真实场景在三维空间位置上的一致性，即保证地铁所在位置上方周围环境与显示屏上显示的虚拟物景在三维空间位置上的一致性，也就是空间意义上的整合[5]。其关键在于进行精确的三维动态注册，也就是实时定位地铁所在位置及方向，将虚拟信息准确增强到真实环境之中，并将虚拟物景与真实场景融为一体。

目前，增强现实系统的注册方法主要是基于传感器技术的注册方法。基于传感器技术的三维动态注册采用的传感器有测角传感器与位置传感器。测角传感器主要有倾斜计与电子罗盘，该类传感器主要问题是噪声以及输出延迟。位置传感器有高精度的RTK GPS，其精度可以达到厘米级，有些GPS的接收机数据刷新甚至可达20 Hz，可以满足增强现实系统的需求。但是在复杂地形下GPS信号会受到阻挡或根本接收不到信号，这就限制了GPS的使用范围[6]。综上，两种传感器都存在各自的弊端。为满足增强现实系统准确定位的要求，可以采用多个传感器对地铁进行跟踪定位，将多个位置传感器与测角传感器信息进行比对，以得到准确的跟踪结果。

4.2 摄像机标定技术

在增强现实系统中，必须精准地估计摄像机朝向以及位置，否则将无法跟踪到真实对应的环境。摄像机标定也就是确定摄像机内部参数，包括摄像机镜头焦距、光心和像素高宽比等，用以改善摄像机因自身因素而造成的注册误差[7]。影响摄像机内部参数的因素有很多，对摄像机的标定也要随着物景的转移而转移。因此，要想解决增强现实系统在地铁车窗上的应用，必须研究摄像机实时性的标定策略。摄像机标定用以估计摄像机的内部参数的切换，包括定焦与像素高宽比的调整，以便更好地对真实场景进行实时录制。

4.3 摄像机跟踪技术

在增强现实系统中，跟踪定位技术、交互技术和成像设备是实现一个系统的关键所在。摄像机跟踪技术基于摄像机初始的标定策略，实现虚拟物景与真实场景的交互[8]。

摄像机跟踪技术从摄像机数目的角度可以分为单摄像机跟踪和多摄像机跟踪，从运动的角度可以分为静止摄像机跟踪和运动摄像机跟踪。要实现增强现实系统在地铁车窗上的应用，应该采用多摄像机跟踪和静止摄像机跟踪的方法对地铁沿线上方真实场景进行多角度跟踪[9]。

5 基于增强现实对地铁车窗可视化的构建

5.1 增强现实系统设计

为实现地铁车窗对地铁沿线上方风景的可视化，本文提出了基于GPS和测角传感器相结合的注册方法，摄像机跟踪采用多摄像机跟踪和静止摄像机跟踪的方法来对增强现实系统进行设计。

5.2 增强现实系统硬件组成

位置传感器采用两台双频GPS接收机，一台为流动站，另一台为基准站[10]。流动站与计算机通过EX232接口相连，实时传送高精度三维坐标。测角传感器采用SCA100T-D01型高精度双轴倾角传感器，实时传送地铁方位角的变化[11]。视频传感器采用灵敏度高的CCD摄像机，摄像机底座安装有位置传感器和测角传感器的采集板，将位置传感器和测角传感器的信息接收并转换，摄像机底部的机械装置会按照相应的数据信息转换摄像机的位置以及角度并通过外置采集卡与地铁车窗显示屏相连。增强现实系统硬件组成框图如图1所示。

图1 增强现实系统硬件组成框图

5.3 增强现实系统的主要功能

(1) 实时将地铁所在的精确位置及方位角传送给地面CCD摄像机。

(2) 数据进入系统时进行预处理使得传感器输出数据保持同步。

(3) 保证地铁所在位置上方周围环境与显示屏上显示的虚拟物景在三维空间位置上一致，实现空间意义上的整合。

5.4 增强现实系统在地铁车窗的应用

将增强现实系统应用到地铁车窗之中，实现增强现实技术与轨道交通技术的完美结合。对地铁所在位置地面环境进行虚拟现实仿真，利用3G或4G技术，通过装设在地铁车辆上的车载无线通信Wi-Fi服务器接入互联网，再通过局域网(LAN)主干网接收和传输地面环境动态以及旅客在途服务信息，让旅客如同在地上乘坐交通工具一般。地铁交通外部环境可视化效果如图2所示。

图2 地铁交通外部环境可视化

6 结束语

将增强现实技术应用于地铁车窗的可视化研究，可以让乘客在乘坐地铁的同时观赏地面上方部分风景，感知地面交通的各方面信息，是现有地铁交通状况的一次革新。增强现实技术作为一种新兴的研究领域，增加了乘客对于地面真实环境的感知与交互，可以广泛应用于城市环境可视化、国防军事和娱乐等领域，具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

[1] Zlatanova S.Augmented reality technology[J].GISt Report,2002(17):1-76.

[2] Satoh K,Hara K,Anabuki M,et al.TOWNWEAR:An outdoor wearable MR system with high-precision registration[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Mixed Reality.[s.l.]:[s.n.],2001:210-211.

[3] Comport A I,Marchand E,Pressigout M,et al.Real-time markerless tracking for augmented reality:The virtual visual servoing framework[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2006,12(4):615-628.

[4] Betke M,Haritaoglu E,Davis L S.Real-time multiple vehicle detection and tracking from a moving vehicle[J].Machine Vision and Applications,2000,12(2):69-83.

[5] 王涌天.户外增强现实系统关键技术及其应用的研究[J].系统仿真学报,2003,15(3):329-333.

[6] 杜国明.城市3维管网的可视化及其系统功能实现的关键技术[J].武汉大学学报(信息科学版),2002,27(5):534-537.

[7] 朱杰杰.增强现实中多视图几何问题的研究[J].浙江大学学报,2007，15(2):32-36.

[8] 侯志强,韩崇昭.视觉跟踪技术综述[J].自动化学报,2006,32(4):603-617.

[9] 刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2011.

[10] 芮小平.空间信息可视化关键技术研究[D].北京：中国科学院遥感应用研究所,2004:1-10.

[11] 孙敏,陈秀万,张飞舟.增强现实地理信息系统[J].北京大学学报(自然科学版),2004,40(6):906-913.