增强现实技术在防震减灾科普宣传中的应用

孔令爱，胡子超，刘海刚

（1.临沂市地震台，山东 临沂 276000；2.沂水地震台，山东 沂水 276400）

1 引言

增强现实是一种将虚拟信息无缝融合到真实世界的新技术，利用跟踪注册、虚实融合和人机交互三大关键技术，给用户带来全新体验。增强现实技术作为一项多学科交叉研究领域，已经被广泛应用到许多行业，包括工业、医疗、军事、娱乐、游戏、教育、旅游、商业、家具等领域[1]。增强现实技术的自身特点决定了其具有很好的应用价值，尤其在媒介传播方面，为地震工作者带来了一个新的研究课题，开始尝试将增强现实技术应用于防震减灾科普宣传领域。

2 增强现实技术

2.1 增强现实概念

增强现实（Augmented Reality，AR）被称为“混合现实”或者“扩增现实”，是基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）发展起来的技术。VR构造一种封闭的虚拟环境，使用户完全沉浸在虚拟的世界中，如图1所示。AR则是对真实世界进行补充，借助计算机图形和可视化技术产生真实世界中不存在的虚拟对象，并把虚拟对象带入到真实世界中，使用户通过听、看、触摸虚拟对象来增强对真实世界的感知，如图2所示。

图2 增强现实

目前有两种通用的增强现实定义：

一种定义是1994年由保罗·米尔格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）[2]提出的“现实-虚拟连续体”（Milgram's Reality-Virtuality Continuum），如图3所示。连续体的左右两端分别表示真实环境与虚拟环境，中间表示“混合现实（Mixed Reality)”。其中将靠近真实环境的部分称为增强现实（Augmented Reality），将靠近虚拟环境的部分称为扩增虚境（Augmented Virtuality）。

图3 现实-虚拟连续体

另一种定义是1997年北卡大学的Ronald Azuma提出的，他总结了增强现实的三个特点，分别是虚实融合、实时交互和三维注册。

1)虚实融合（Combines real and virtual）：AR 技术将计算机产生的虚拟信息——文字、图像、三维模型、全景信息、视频、三维动画、网站链接、音频等，与真实世界相结合，使真实世界和虚拟信息合为一体。

2)实时交互(Interactive in real time)：AR实现真实世界与虚拟世界的实时同步，满足用户在真实世界中通过体感、语音、手部动作等方式与虚拟世界中的事物交互，使用户真实地感受到虚拟对象的存在。

3)三维注册（Registered in 3D)：AR准确定位虚拟信息在真实场景中的位置，将虚拟信息与真实场景进行配准，并将虚拟信息准确放置在真实世界中。

2.2 增强现实原理

增强现实涉及到计算机视觉、图像处理、信息可视化等多方面的知识。一个完整的增强现实系统由图像采集与处理、跟踪定位、虚拟信息注册、虚拟数据存储、虚实融合、系统显示、人机交互等多个部分组成。增强现实的原理如图4所示。

图4 增强现实原理图

基于图4的工作流程，增强现实的具体实现步骤如下：

步骤1：通过摄像机等图像输入设备获取物理世界中特定标志物或自然标志物的真实信息；

步骤2：采用相关的处理技术对获取的信息进行计算及存储；

步骤3：利用精准的跟踪定位技术，计算摄像机相对于目标物体的位置姿态；

步骤4：根据获取的注册信息，确定虚拟信息在目标场景中的显示位置；

步骤5：采用实时地虚实融合技术，并在虚拟对象数据库中找到对应的虚拟信息，实现物理世界与虚拟信息的无缝融合；

步骤6：利用系统显示技术将虚实融合后的混合场景在显示器上显示出来。

2.3 增强现实关键技术

增强现实涉及到的关键技术有三个，分别是跟踪注册、虚实融合显示以及人机交互。

2.3.1 跟踪注册技术

跟踪注册技术实时地计算摄像机相对于目标场景的位置和方向，确定虚拟信息在真实场景中的显示位置。当摄像机的角度发生改变时，通过跟踪注册技术，可以使虚拟信息在真实场景中随之做相应的改变。目前增强现实系统中主要采用的跟踪注册技术有：基于计算机视觉的跟踪注册、基于硬件传感器的跟踪注册以及混合跟踪注册，如图5所示。

图5 跟踪注册技术分类

基于计算机视觉的跟踪注册为：通过摄像机获取真实场景中的图像信息，根据计算机视觉原理跟踪定位真实场景中的目标物体。该类技术具有原理简单、跟踪注册精度高、实现成本低等优点，但是存在计算量大、鲁棒性不强、实时性差等缺陷。其又可细分为基于人工标志和基于自然特征点的两种形式的跟踪注册。基于人工标志的技术目前比较成熟，出现了 ARToolKit、ARTag、ARToolKitPlus 等成熟的方法。基于自然特征点的技术以自然场景中的点、线、面等自然特征为识别对象，实现起来相对比较困难。基于自然特征的经典算法有：Ozuysal等人提出的Ferns算法、Lowe提出的SIFT、Bay等人提出的SURF算法等。

基于硬件传感器的跟踪注册为：通过传感器获取真实场景的相关数据，计算摄像机相对于目标物体的位置与方向。该类技术容易受外界条件的影响，但基于不同传感器的技术又具有各自的优点。目前常用的硬件传感器有加速度传感器、方向传感器、陀螺仪、磁场传感器等。传统的硬件传感器有超声波、电磁、光学、机械、声学、惯性等。随着科技的发展以及人们需求的提高，传统的硬件传感器将逐渐被基于移动终端的传感器替代。

混合跟踪注册为：通过将硬件传感器和计算机视觉相结合，跟踪定位真实场景中的目标物体。单一的跟踪注册技术存在着延时、不精确等缺陷，不能很好的实现目标物体的跟踪定位。该类技术将两种或者两种以上的技术结合在一起，具有跟踪注册精度高、实时性强、不易受外界干扰等优点。目前常用的混合跟踪注册技术有GPS与机器视觉结合、磁传感器与机器视觉结合、惯性传感器与机器视觉结合等。

2.3.2 虚实融合显示技术

在增强现实系统中，虚实融合显示技术对虚拟信息与真实环境进行准确的配准，实现虚拟信息与真实环境在光照、几何、阴影等方面一致性的融合，将逼真的虚实融合场景显示出来。该技术需要解决融合过程中的遮挡、延时等问题，保持虚拟与真实的视觉一致性。目前增强现实中的视觉一致性主要指几何一致性和光照一致性。所谓几何一致性是当用户的观察角度发生改变时，虚拟场景和真实场景之间的相对位置不会改变，而是保持前后一致。所谓光照一致性是生产的虚拟场景的光照情况要与真实环境保持一致，并且能够自适应真实环境光照条件的变化。

为了让用户体验最佳的虚实融合场景，需要相关的显示设备进行辅助，目前增强现实系统中主要采用的虚实融合显示设备有：基于头盔的显示、基于投影的显示以及基于手持设备的显示。

根据头盔显示器的实现原理大致把头盔显示设备分为视频透视式和光学透视式两种形式，如图6所示。用户通过头盔显示器能够体验虚拟信息与真实场景的融合显示效果。

图6 头盔显示设备

基于视频透视的头盔显示器根据头部跟踪器获取的跟踪注册信息，将场景生成器生成的虚拟场景加载到视频信号融合器上，与真实场景的视频信号融合，把虚实融合后的合成视频信号显示在液晶显示器上，呈现在用户的眼前，如图6(a)所示。

基于光学透视的头盔显示器是利用光学成像原理，通过光学合成器实现虚实融合效果。光学合成器位于用户眼睛的前方，是一种半反半透的光学元件。真实场景的光线直接通过光学合成器到达用户眼睛。虚拟场景加载到摄像机显示器上，显示器射出的光线通过光学合成器反射，经过光学系统放大，进入用户眼睛。真实场景光线与显示器光线融合，用户就可以看到虚实融合的场景，如图6(b)所示。

投影显示设备首先利用红外信号感应器获取真实场景信息，并对信息进行处理分析，确定需要投影显示的虚拟信息；然后用投影仪将计算机生成的虚拟信息投影到反射镜上，再经过反射镜发射到投影区域内，实现虚实融合的奇幻场景，如图7所示。

图7 投影显示设备

手持设备主要是指平板电脑、手机、PDA等移动终端设备。增强现实系统应用于手持设备上，有基于计算机视觉和基于手机传感器两种形式的实现方式，如图8所示。

图8 手持显示设备

虽然两种形式的实现原理不同，但是虚实融合显示都是根据手持设备系统中的图层叠加方式实现的。手持显示设备将虚拟信息与真实场景显示在不同的图层上，并且保证图层之间互不遮挡，将最终的虚实融合效果通过显示器显示出来。

2.3.3 人机交互技术

人机交互技术通过输入输出设备，将用户的相关操作输入到计算机，并对其进行分析处理，将交互结果输出到显示设备上。目前增强现实系统中常用的交互方式有：基于外接设备的交互、基于手部动作的交互、基于标志的交互。

基于外接设备的交互：用户通过对外接设备的控制，与虚拟对象进行交互。该种交互方式通过外接设备，将用户对虚拟对象的相关操作输入到计算机中。常用的外接设备有键盘、鼠标、光笔、数据手套、各种传感器等。它具有精度高、算法简单、成本低等优点，但是存在着沉浸感不强的缺陷。

基于手部动作的交互：一种方式是用户通过手势动作与虚拟对象进行互动，将用户的手势动作输入到计算机，通过识别跟踪用户的手势，估算用户的意图。另一种方式是通过手部触控屏幕上的按钮，将用户操作输入到计算机，该种方式主要适用于移动终端设备。

基于标志的交互：在场景中设置特定含义的标志，通过对标志识别注册，向用户显示相关的指示信息，用户通过信息提示进行相关的交互操作。

2.4 增强现实的应用价值

增强现实使物理世界与虚拟对象合为一体，使用户得以在物理世界中真切感受虚拟空间中的事物，增强了事物的趣味性、创新性和互动性。增强现实技术已经在众多的行业中得到了广泛的应用。

增强现实能够实现虚实融合，将文字、图像、3D模型、网站链接等虚拟信息融合到真实世界中，打破了真实场景的束缚，摆脱了真实世界所能呈现内容的形式限制。例如，在工业中的安装、维修、调试等工作中，可以将维修与装配相关的信息以图形文字的形式叠加到真实场景中，可以将不能展示的内部机械结构展示在工人面前[3]。

例如，在实际的水道维修过程中，富士通公司运用了AR技术，通过移动设备的摄像头快速、准确地识别定位故障位置，将相关信息以文字注释的形式叠加到水道上，为工人维修提供指示功能[4]，如图9所示。

图9 AR在工业领域的应用（富士通）

增强现实能够实现人机交互，用户在真实世界中能够通过体感、语音、手部动作等方式与虚拟对象进行交互，容易引起用户的兴趣，满足用户的心理需求，达到用户的认同和共鸣。

例如，在教学展示中，通过具有AR功能的头盔显示器或者移动设备，将书本中的知识或场景以虚拟信息的形式展示在学生面前，可以辅助教师进行直观的教学，使学生对知识有具体的认知，提高学生的学习兴趣。“体感学习机”是一款将体感与AR技术结合在一起的学习设备，通过AR技术使体验者能够在现实环境中真实体验像火灾和地震等虚拟场景[5]，如图10所示。

图10 AR在教育领域的应用

增强现实能够实现跟踪注册，保证了虚拟信息实时进行融合，通过具有AR功能的移动设备，识别真实场景中的标志物，计算摄像机相对于标志物的位置和方向，实时将真实场景变换成用户需要的场景或者将虚拟对象融入到真实场景中。

例如，在人机交互的娱乐游戏中，可以为用户提供虚拟的游戏体验平台，满足用户与虚拟物体或者场景进行实时地互动。在热闹的街头，利用移动终端设备，对天空进行识别，将虚拟物体实时叠加到天空的位置，用户可以对着天空射击出现的虚拟怪物，如图11所示。

图11 在娱乐游戏领域的应用

目前，防震减灾科普宣传工作的形式缺乏趣味性、互动性和创新性，对如何利用现代科技创作出精良的科普宣传作品研究不够。利用增强现实技术的虚实融合、跟踪注册和人机交互，则能够将枯燥乏味的地震知识、地震模型、地震观测流程等以独特个性的形式展示给公众，进而激发公众对防震减灾科普知识的兴趣，为公众带来喜闻乐见的防震减灾科普宣传作品。

3 AR用于防震减灾科普宣传的优势

我国正处于全面建成小康社会的关键时期[6]，做好防震减灾科普宣传工作显得尤为重要。随着时代的变革和社会的进步，公众对于知识的渴求越来越强烈。科学技术的高速发展，为公众创造了多种多样获取知识的途径。传统的阅读书籍、听讲座等获取知识的方式已经无法满足公众的需求。增强现实利用虚实融合、跟踪注册和人机交互三大关键技术，能够为公众提供一种新颖的获取知识的途径。随着移动设备在人们生活中的普及，以及移动设备在硬件配置、处理性能等方面的不断提高，增强现实被广泛应用到移动设备，移动增强现实（Mobile Augmented Reality，M-AR)[7]应运而生。M-AR不仅具备增强现实的虚实融合、实时交互和三维注册的特点，而且与移动设备完美结合，能够自由移动，带给用户全新的交互体验模式。M-AR可提供移动化、个性化的服务，为公众获取知识提供了方便和兴趣，在防震减灾科普宣传中具有很大的优势。

传统的防震减灾科普宣传多以发放宣传册、听讲座、张贴画报、媒体报道等形式开展，缺乏宣传效果，公众对此已经习以为常，对获取知识的方式觉得枯燥乏味，失去了学习知识的动力。增强现实将虚拟对象融合到真实世界，把知识以一种生动、形象、具体的形式呈现给公众，使公众体验到一种视觉和听觉一体化的感知效果。这种真实的体验感会极大地激发公众学习知识的兴趣，同时可以为公众提供亲身观察、动手操作的机会，有利于更好的理解知识，增加记忆[8]。

传统的防震减灾科普宣传缺乏科技创新力，很少利用现代科技创造出精良的、高质量的科普作品。增强现实作为一项热门的高新科技应用于防震减灾科普宣传，能够提高防震减灾科普宣传的创新性和科技含量，为公众带来一款喜闻乐见的防震减灾科普宣传作品。另一方面，传统的防震减灾科普宣传只能在特定的时间和环境中开展，在时间和空间上限制了公众的学习，缺乏灵活自由的学习方式。随着增强现实在移动设备上的广泛应用，借助高速发展的互联网，公众可以摆脱时间和空间的限制，随时随地地、快速准确地获取直观、形象的知识。

传统的防震减灾科普宣传只是提供书面上的知识，内容多以理论为主，不能直观地、具体地解释其内涵，像一些抽象的、复杂的专业知识，公众很难理解；另一方面，传统的防震减灾科普宣传无法直接提供真实的地震监测流程，像一些精密的地震监测仪器也无法现场提供给公众。增强现实可以利用其强大的虚实融合功能，将虚拟对象-文字、图像、三维立体、全景信息、视频、三维动画、音频、网站链接等复杂的物体、信息、流程等叠加到现实中，为公众创造一个真实地观察、操作的实践场景，公众可以获取一种直观、形象、具体的体验过程，加强对专业知识的理解。

4 AR在防震减灾科普宣传中的尝试

对现有的地震科普馆进行调研，发现目前大部分地震科普馆都是以展板或者展柜的形式向公众提供科普知识，需要讲解员进行讲解，耗费人力资源，缺乏趣味性。故此针对地震科普馆，研究并设计一款基于移动增强现实技术的地震科普馆导览系统，该系统实现的流程图如图12所示。

图12 系统实现流程图

该系统的基本功能是：当手机摄像头对准特定标志物时，屏幕会弹出与该标志物对应展柜（或展板）的介绍信息，帮助用户自行获取地震知识，省去了讲解员的讲解过程，增强了地震科普馆中展示品的可视化效果，增加了用户学习地震知识的趣味性，具有较好的导览功能。由于该系统还处于实验和测试阶段，所以暂时选择某地震局室内的展板作为测试对象。图13为用户交互界面，图14为系统运行结果，从图中可以看出当手机摄像头对准标志物时，在展板上会出现与其对应的地震知识，当手机在不同位置时，虚拟信息会显示在标志物的不同位置。

图13 用户交互界面

图14 系统运行结果

系统能够实现一定的功能，但已完成的工作仍存在不足。例如，该系统只是以文本信息的形式对真实场景进行增强显示，未对图形、三维模型等虚拟信息进行研究；只是针对特定标志物进行导览，未对整个科普馆的环境进行导览。因此该系统在功能方面还有待进一步改进和完善。设计更加形象具体的地震科普馆导览原型系统，是后续研究中的努力方向。

5 结束语

鉴于我国的地震预报不准确的情况，全面做好防震减灾科普宣传，不断提高公众的地震忧患意识和防震减灾技能，是保障国家安全稳定、社会经济发展和人民生活幸福的基础工作。防震减灾工作如何创新宣传方式、提高宣传能力、打造高质量宣传作品、丰富宣传内涵，是今后需要努力的方向。快速发展的现代科技将如何影响未来的防震减灾科普宣传工作，为地震工作者提供了新的研究课题。将增强现实技术应用于防震减灾科普宣传是一种尝试和创新，对切实推进新时代防震减灾科普宣传工作发展具有重要意义。