基于增强现实摄像机虚拟标签的设计与管理

李大成，刘娜

（高新兴科技集团股份有限公司，广州 510000)

0 引言

标签，也可以叫做Tag，最早出现于2005年，随着Web2.0的Blog应用被广泛使用开来。标签是自由分类法的具体表现形式，是用户赋予特定信息资源的标识，用于描述资源的主题、类型、功能等多种特征。标签代表用户对资源的理解和偏好，是实现信息资源组织和共享的基础[1]。标签也可以说是一种关键词标记，可以更好地显示和突出搜索的关键词条，以便进行更好地索引和浏览查找，清晰明了的标签设置是吸引用户的一个手段[2]。

目前，各互联网公司也逐渐倾向于标签数据的交换和共享，来获取更丰富的受众信息。所以在大数据领域，对海量标签数据的管理已经成为日趋重要的需求。

现有的普通摄像机一般不具备虚拟标签添加功能，由于缺乏附加性的信息，无法直观呈现监控画面中的大量信息，给监控画面的安保人员带来了极大困惑。而现有的增强现实摄像机已具备了虚拟标签添加功能，可以供用户在客户端视频画面上添加虚拟标签，通过各种虚拟标签对视频背景信息进行标注、描述，使视频信息可视化，增强用户体验。

增强现实在摄像机领域是一个新的概念，它还存有某些技术缺陷。例如，当它在转动和镜头焦距变化的情况下，视频画面中的物体位置发生了变化，但虚拟标签不会移动，无法紧跟被标注物体；当镜头变倍造成的虚拟标签过于密集时，高阶标签将会不显示等，这些情况都容易误导用户，不利于用户了解监控视频画面的实时情况，不利于用户体验。

1 增强现实技术综述

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是近几年来的一个研究热点，有着广泛的应用前景。一些著名的实验室也从事该项目的研究，其中包括美国麻省理工大学的图像导航外科手术室、哥伦比亚大学的图形和用户交互实验室、新加坡的混合现实实验室等。

增强现实是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，借助显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分[3]。概括地说，增强现实技术是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，并呈现给用户一个感官效果真实的新环境[4]。

增强现实技术是由虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）发展而来的，但与传统的虚拟现实不同，VR技术就是在计算机中构建一个完全虚拟的世界。而AR是利用虚拟世界来加强现实，增强了用户对现实世界的感知能力与交互能力[5]。例如在一条真实的建筑物上面加入一些虚拟的标签，通过虚拟标签还可以查看标签链接的信息。

目前大多数的AR系统采用头盔显示器实现虚拟信息与真实场景的融合，利用高性能计算机跟踪定位设备以及人机交互设备完成场景识别与信息的增强[6]。近来，机器智能的发展使得计算机对人类的自然意识的理解越来越可靠，从而使智能交互有了从实验室走向实用的契机。AR与人工智能结合，对于智能交通新应用将产生深远影响。

2 虚拟标签设计与管理

所谓虚拟标签，即通过AR摄像机产生的用来“增强”对现实视频中物体感知能力的虚拟物体，它以标签的形式存在，对视频监测区域内的建筑物、道路、重点目标进行标注，从而对视频背景信息进行描述，使得背景信息可搜索、可定位，并能实现GPS坐标映射、方位感知、视频联动等功能。这样，便于用户了解监控视频画面的实时情况，增强了用户体验。

视频虚拟标签的设计与管理方法可能会直接影响到增强现实的效果，例如视频中显示的虚拟标签数目太多而导致标签重叠、混乱、不易区分，标签信息配置不灵活而无法达到增强现实的目的，等等。因此，基于增强现实摄像机的虚拟标签的设计与管理需要涉及到标签设计、标签显示控制、标签管理和标签数据库等多个方面。

（1）标签设计

“哇，哥哥好厉害！”妹妹的小脸上洋溢着喜悦，“这是我第一次得满分哦。颜姨说了，为了奖励我，要请我吃大餐。”

首先，将标签进行属性分类，并完成各类标签的样式设计管理与标签信息配置，以满足客户端与管理端的各种功能需求。按标签绑定信息的性质（包括文本信息、图片信息、视频信息及应用窗口信息等），可将标签分为动态标签和静态标签两大类。动态标签即一些业务应用标签，标签的信息需要进行定时更新；而静态标签包括POI信息点标签和矢量标签，用来展示摄像机监控区域内的道路、商场、酒店、银行、写字楼、学校、医院等的相关稳态信息等。

其次，对标签样式进行设计，标签的样式包括标签外观样式、标签信息配置样式和标签信息显示样式。标签外观样式包括标签宽度、高度、背景颜色、显示标题、文本高度等；标签信息配置样式是开发人员给标签提供的所有数据信息及链接接口选项设计；而标签信息显示样式是在客户端提供给用户查看的标签所包含的信息选项，通过这些选项将标签所含有的信息以文本、图片、视频选择性地展示给用户。

最后，需要对标签信息进行配置，不同属性的标签配置信息不同。其中，标签基本配置信息包括：标签名称、标签编号、标签描述、标签链接、标签层级、标签类型、标签备注、标签创建日期等。

（2）标签显示控制

标签显示控制模块控制监控视频中虚拟标签的定位跟随显示、标签显示模式及标签显示状态。在增强现实摄像机转动和镜头焦距变化的情况下，所标注的虚拟标签能够实时准确地跟随标注物移动，防止出现虚拟标签不能跟随移动或定位不准确的状况。同时，对所有虚拟标签进行分层、分级与选择性显示控制。根据指示物的类型分层，不同类型的标签以不同颜色区分；根据指示物重要程度分级，一是在缩放画面时自动隐藏/显示不同级别的标签，二是在标签过多遮挡画面时手动选择性屏蔽部分标签，只呈现最重要或需要的虚拟标签，方便查看与管理，这些选择性全部都保存在用户配置文件中。

（3）标签管理

标签管理模块对标签实现分类管理，以满足客户端需求，包括标签标注、标签编辑、标签查看、标签筛选、标签搜索定位和标签联动等。标签标注方式分为手工标注和系统自动标注，手工标注可通过客户端界面或菜单栏对视频内背景对象进行新建/修改标签标注；系统自动标注可通过实时的GPS数据对视频内背景对象进行标注。标签编辑包括对标签进行添加、修改、删除和清空等操作。注意，删除标签时，只有将最底层的子标签删除之后，才能删除其上级标签。而标签联动则可实现不同标签间联动与信息交互。

（4）标签数据库

标签数据库以树形结构呈现标签之间的层级和逻辑关系，可以对任意层级的标签进行编辑管理，包括标签的存储与备份、标签导入与导出、标签数据库更新和标签库运营管理。其中标签数据库采用分布式存储方式，充分考虑保障系统网络的安全可靠性，避免遭到恶意攻击和数据被非法提取、使用的现象出现。

3 关键技术研究

实现基于AR摄像机的虚拟标签的标注与定位跟踪显示包含4个基本步骤：（1）获取真实场景视频信息；（2）对真实场景和相机位置信息进行分析；（3）生成虚拟标签；（4）合并视频或者直接显示。在这整个过程中，最关键的是需要通过大量的定位数据和场景信息来保证由计算机生成的虚拟标签可以精确地定位在真实场景视频中，且保证在摄像机转动和镜头焦距变化的情况下，虚拟标签能够实时跟随标注物体移动，定位准确。

（1）虚拟标签的增强现实标注技术

监控摄像机的地理位置信息和姿态信息是组成监控信息的重要部分，我们往往不仅需要知道监控区域的画面信息，还需要知道画面内重要物体的具体方位。而现有监控摄像机虽然已经可以做到获取摄像机的地理位置信息，但是没有集成获取监控方向的功能，大多是通过外部加装传感器来实现的；另外，相关传感器获取的数据都是直接叠加在视频画面上，无法被计算机使用，信息呈现形式枯燥单一，不够生动直观。

因此，研究基于增强现实技术的摄像机，也就是将视频信息、地理位置信息和姿态信息传输到增强现实管理终端显示的技术，增强现实管理终端将地理位置信息和姿态信息进行图形化处理后叠加在实时画面上。不仅能获取监控区域的画面信息，还能获取监控摄像机的地理位置信息和姿态信息，使得用户对于地理位置信息和姿态信息的感知更为直观，改善了用户体验。

（2）增强现实摄像机的3D自动定位技术

当监控球机转动机构旋转、焦距倍数变化时，增强现实摄像机所标注的虚拟标签自动定位于被标注的静态物体上。所采用的3D自动定位技术，在设备需内置高精度可变倍镜头，利用坐标自标定算法实现标签位置的实时更新，使得虚拟标签准确地跟踪物体。如图1。

该方法通过摄像机三个维度参数p，t，V的实时更新 与 原 标 签 点 的 三 维 坐 标（P，T），采 用其中：p为摄像机改变状态后镜头水平角度；t为摄像机改变状态后镜头垂直角度；V为摄像机改变状态后水平视场角；P为标签点在三维球面极坐标系下的水平角度；T为标签点在三维球面极坐标系下的垂直角度；二维视频画面为分辨率为W×H的平面；Δx和Δy分别为增强现实摄像机转动或镜头变倍后标签点离二维画面中心新的水平偏移和垂直偏移；R为球面半径，且为差量表示。

然后通过公式P=p+∆p计算出原标签点在二维视频画面的新二维坐标（Δx，Δy），从而在二维视频画面实现虚拟标签点实时跟随标注物。

图1

4 在交通领域的应用

现在增强现实技术主要应用于在医疗、旅游、家居、教育、制造与维修、娱乐和军事等领域。目前，国内已有几家安防厂商将增强现实技术应用于视频监控摄像，来而实现对城市交通运行状况的智能监测。普通摄像机单点监控范围小，无法直观呈现监控画面中的大量信息。同时，各交通系统独立作战，信息共享不充分，现场指挥困难，预警能力不足，整体交互偏落后，当发生应急事件、或组织大型活动时，各交管指挥人员无法进行快速响应，统一融合联动指挥。

为了解决这些问题，采用AR增强现实技术，将已建视频监控系统、高清卡口系统、信号控制系统等各交通子系统进行整合，将各系统在当前AR场景中进行结构化描述，充分利用智能交通技术和现代科技管理手段，打破各系统之间壁垒，有效提高整体与各子系统效能的发挥。例如：

（1）交通信息可视化管理

通过AR技术，将监控视频内的各种交通资源、交通要素、交通事件用虚拟标签形式标注在视频中，给实时监控画面添加名称、经纬度、方位角、距离、位置等信息，在“现实”的基础上进行“增强”。

（2）全业务门户

在视频画面中，对各个交通子系统的重要设备与功能进行虚拟标签的标注与展示，通过虚拟标签，实现与各子系统的信息交互，从而实现智能交通系统的全面对接。

5 结语

本文对现有的增强现实摄像机虚拟标签管理方面存在的问题进行分析，对此，给出了基于增强现实摄像机的虚拟标签的设计与管理方法，有效消除服务于不同对象，构建于不同时期，分布于不同摄像机的“标签信息孤岛”的不足。同时，还对虚拟标签设计与管理所涉及到的关键技术进行研究分析。最后展望了增强现实技术与虚拟标签标注技术在交通领域的应用前景，将AR技术服务于交通的指挥管控，开创城市交通指挥管理的新模式，对智慧城市建设的意义重大。