基于增强现实技术的地震科普软件开发与设计

赵 晶，罗 松，李建亮

（1.四川交通职业技术学院, 成都 610000；2.四川省地震局, 成都 610000；3.四川工商学院, 成都 610000）

0 引言

地震是我们熟知的一种自然灾害，常常造成严重的人员伤亡，会引起水灾、火灾、有毒气体泄露、山崩等次生灾害。地震的发生往往是瞬间的，没有学习过防震知识的人可能会“盲目逃生”，没有使用正确的方法来避险，从而受到伤害。安县桑枣中学的师生平时注重防震知识的学习，认真完成每一次紧急疏散演习，在汶川地震发生时，有序疏散，及时撤离，无一人伤亡，体现了科学普及地震灾害知识的价值[1-2]。《“十三五”国家科普和创新文化建设规划》中指出，科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。加强重点领域科普工作是当前工作重点任务之一。由于地震灾害突发性、毁灭性极强，需要公众在防御、抗御地震灾害方面提高意识、增强技能。

当前地震科普主要存在的问题有科普内容形式比较单一、科普宣传形式比较传统、地震科普知识的专业性不高等。首先，地震科普资料常见形式为图册、展板、视频动画等，这些可以起到一定的科普作用，但趣味性不高，不能吸引人们的关注，特别是书刊类科普资料对于老人和幼儿群体收效甚微。其次，科普宣传一般依靠固定展馆或相关活动开展，并以展项展示或发放资料的方式去开展宣传，人们是被动接收有限的地震科普知识信息，宣传力度还不能满足科学普及防灾减灾知识的需求。另外，由于相关地震知识在群众安全教育中应用广泛，所以专业和非专业的地震科普资料都很多，有些科普资料并不准确，甚至会给人们错误的引导。在当今这个信息发达的社会，如何生动、有效、准确地去实施地震知识科学普及值得地震专业人员深入思考。

地震灾害的应急处置是社会各界人士关注的焦点之一，如何有效地应对地震灾害是值得思考的问题。提高公众个人素质与地震应急意识、防震减灾能力，有助于地震应急处理以及确保百姓的生命安全、减少地震造成的损伤[3]。AR 影响着人类对世界的认知，这种技术正在改变着我们感受世界的形式，带给我们交互沉浸式的美好体验[4]。AR 技术能够将丰富的防震知识融合到用户感受得到的真实情境中[5]，提高人们学习防震减灾知识的主动性，并且使人们能够有效应对灾情处置工作。利用AR 技术去开发人们愿意使用并有效防震减灾的地震科普应用手机APP，具有显著的研究意义和应用前景。

手机已经是人人普及的电子类生活用品，无论男女老少都能便捷地使用手机进行学习、娱乐。当前，防震减灾科普知识传播手段正向信息化、智能化迈进，开发集科学性、权威性、趣味性于一体的科普产品，成为防震减灾科普作品开发的新趋势。作者及团队利用已有的专业资源开发了一款专业的地震科普手机应用程序，可以有效地将防灾减灾知识推广给人们。应用安卓系统手机[6-7]上的AR科普应用软件能够将枯燥的地震知识变得有趣，使人们感兴趣并愿意学习防灾减灾知识。

1 相关技术介绍

1.1 增强现实技术

增强现实（Augmented Reality）英文缩写为AR，是利用现实和虚拟空间相互结合的技术方法，将难以体验的实体信息在计算机等技术的基础上，进行仿真虚拟化，生动形象地刻画出实体信息，实现超越真实世界的感官体验。实现过程中使用摄像头和传感器获取真实场景的坐标信息，通过分析处理对采集到的信息重新构建，将现实中真实信息与虚拟场景内容融合交互[8]，即把真实和虚拟场景的坐标系对齐并融合计算后，将交互后的影像展现给用户。为实现虚拟影像在现实空间环境中的无缝叠加，需要使用跟踪注册方法将设备摄像头和虚拟影像的位置对应，即在三维空间中完成注册匹配。AR 在应用时，原理一般是使用者利用电子设备上的摄像头等器件捕捉真实空间信息并跟踪，将计算机设计好的三维模型、图像文字作为虚拟信息，和捕捉跟踪到的三维空间场景通过三维注册技术完成定位匹配，最后用显示屏或3D 眼镜[9]等电子设备展现融合后的“立体信息形式”。

1.2 场景识别

场景识别广泛应用在学习研究和生活当中，用计算机对图像包含的内容进行分析判断处理，理解并识别出图像中的场景种类。底层特征是刻画图像最基本信息的，描绘了图像底层的边缘轮廓、纹理结构等信息，计算也较为容易。适合在结构简单的场景下使用，若场景的物体繁多，整体结构复杂，得到的效果就很难满足要求[10]。特征学习将像素作为基本点，经过转换后，学习图层中隐含的图像特征信息。突出的卷积神经网络（CNN）在复杂大规模的场景分类问题上取得了较好成果，将图像处理后通过卷积层运算，抽取三个连接层中的一层响应数值，组成CNN 特征向量，在视觉识别中作为通用表示图像[11]。

2 AR 软件设计

2.1 开发环境及主要功能

对地震知识的学习与认知，有助于增强防震意识和减少盲目逃生所致的人员伤亡。本项目在安卓操作系统上设计与开发一款融入AR 元素的应用程序，使防震减灾知识生动形象地展现出来，让人们比较容易地接受和理解防震知识，从而达到科普防震减灾知识的目的。应用程序中还添加识物、区域定位与精确定位、地震信息和当前天气播报等功能，为科普用户提供便捷的生活服务。

2.2 需求分析

生活中的地震应急救援知识多数以文字图画的形式呈现。但人们的知识水平高低不一，不同年龄的群体接受与理解事物的能力差异较大，以单一的方式对大众进行防震知识宣传，效果有限。应用系统针对上述问题进行设计开发，主要分为学校、车站、山区和住宅四大场景，以多元化的方式分别介绍在对应场景中的防震知识。其次，为大众用户提供地图定位、地震信息提示等便捷的生活服务。应用不仅以AR 交互的形式给用户提供地震应急知识，还嵌合各种小功能增加应用的实用性。

2.3 框架设计

应用设计分为网络模块、日志模块、文件模块、AR 模块、UI 模块和数据处理模块6 部分，如图1所示。网络模块是与外界沟通的桥梁，用来请求和接收相关的网络数据，如物体识别后的描述、地图数据和地震信息等。日志模块存储日志和打印日志可以定位到问题代码处，并及时得到反馈，提高编程效率。文件模块管理了地震科普的视频与PDF 文件。通过网络模块向DuMix AR 内容开放平台请求数据，AR 模块运算处理后通过摄像头实时画面展示给用户。UI 模块管理启动画面、引导页、菜单界面及子界面等界面信息，给用户良好的体验交互。数据处理模块处理了物体识别和地震信息网络请求后的数据块，提取其中有效的信息以及用户在实时地图上的位置。

图1 应用核心框架设计Fig.1 Application core framework design

2.4 功能设计

应用在实现功能时，调用了封装在各个模块中的接口，以确保正常运行使用。主要的接口包括场景识别、AR 展示、物体识别、百度地图SDK、地震信息等，将基本功能封装成API 接口库模块化，便于管理与使用，功能模块如图2 所示。

图2 功能接口设计Fig.2 Functional interface design

2.5 数据集制作

为了提高场景/物体识别功能的识别率，选用自制的图像数据来训练识别模型。首先，选择光源稳定的地点，对场景识别及物体识别所需的数据集进行拍摄与制作。对教室、食堂、操场、宿舍、地铁5 个场景和多功能工兵铲、干粉灭火器、迷你急救药包、应急保温毯等13 个防震应急物品在自然状态下进行拍摄，过程中注意对特定场景或物体从多角度采集，图片分辨率统一为512×512。然后使用具有色彩恢复功能的多尺度视网膜增强算法(Multi-Scale Retinex with Color Restoration，MSRCR)[12]对采集的图片进行清洗与预处理，借助EasyDL 平台对实现场景识别和物体识别功能所需的图片数据进行标注。

2.6 场景/物体识别

获取到场景/物体识别模型训练所需的图像数据集后，在EasyDL 平台上训练并发布模型。模型评估报告中显示场景识别的准确率能达到99.3%，物体识别的整体准确率能达到97.6%。识别流程如图3 所示。

图3 场景/物体识别流程Fig.3 Scene/object recognition flow

3 AR 防 震 科 普 知 识 在 应 用 程 序 中 的实现

3.1 界面实现

应用的主菜单界面直观地给用户展示了系统所包含的主要功能，有场景识别、物体识别、应急处置、急救知识、地震常识、地图/GPS 定位、地震信息滚动播报等，如图4a 所示。场景识别和物体识别界面使用SurfaceView 控件实时显示摄像头传输画面，为AR 模型提供载体，如图4b 所示。应急处置、急救知识和地震常识界面以图画、视频和文字的形式介绍了地震中对应场景下的逃生方法和急救方法，如图4c 所示。

图4 APP 应用界面示意Fig.4 Application interface design

地图/GPS 定位功能实现关键代码：

3.2 应用功能实现

在识别功能中，通过调用百度AI 开放平台SDK 接口，对拍照场景和物体进行分类。识别到设置的场景或物品时，使用DuMix 内容制作平台的AR 人物对地震逃生知识进行科普讲解，如图5a 所示。讲解内容是通过调用数据库，按照识别出的场景或物品所给出相应的科普知识点实现的。讲解完毕后，附可选择性播放的自制多媒体视频、动画等资料，进一步加深知识点的展示效果，如图5b所示。另外，该软件还可以通过GPS 定位获取到当前的位置信息，经转换可以得到使用者的当前所在地区，并且根据当前所在地域来获取地震信息。

图5 APP 中物品识别功能操作示意Fig.5 Object recognition function operation demonstration in application AR character explain the use of fire extinguishers by voice video of fire extinguishers using playback tips

AR 互动讲解功能实现的关键代码：

3.3 软件特点

为了保证用户有更好的体验，软件展示过程中采用的多媒体资料更注重其科普性展示。通过研究分析，资料制作中应注意以下几点：1）内容是科学知识点经过科普化的，相对浅显易懂。确保用户能够在一次浏览中理解。2）内容量要注意适度。文字以一个知识点不超过500 字为宜，一个视频时长以不超过2 分钟为宜。3）内容要有直观性。让用户在最短时间内获取信息。4）内容要具备有效性。针对应急需求目标能确实起到提升公众应急能力的作用。

软件中嵌入了大量适合与软件平台AR 互动展示的多媒体视频，这些视频由地震应急专业人员以及在校大学生合作制作完成，视频内容丰富、风格生动、专业性强，能够增强用户在浏览地震科普知识过程中的趣味性和有效性，如图6 所示。

图6 APP 中地震科普视频截图Fig.6 Earthquake science video screenshot

4 结语

开发了一款应用于安卓系统手机的用于地震应急救援知识科普宣传的增强现实应用软件。软件已在百度应用平台正式发布，并利用四川省地震局官微、四川交通职业技术学院官微等渠道进行软件推介，并在2022 年5·12 防灾减灾日、10·13 国际防灾日及泸定6.8 级地震等、芦山6.1 级地震等多次破坏性地震现场应急宣传中推广使用，取得较好的应用效果。