摘  要： 傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖存在信息表達(dá)單一、現(xiàn)勢(shì)性弱、互動(dòng)性差等缺陷。通過(guò)分析移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與紙質(zhì)地圖表達(dá)結(jié)合所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種紙質(zhì)地圖增強(qiáng)表達(dá)與交互的解決方案。以福州房產(chǎn)信息地圖為例對(duì)該方案進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法能較好地彌補(bǔ)紙質(zhì)地圖表達(dá)上的缺陷。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；紙質(zhì)地圖；跟蹤注冊(cè)

　傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖曾是人們表達(dá)、傳輸和研究地理信息最重要的載體。但隨著信息化的加速，網(wǎng)絡(luò)地圖的出現(xiàn)對(duì)紙質(zhì)地圖形成了巨大的沖擊。網(wǎng)絡(luò)地圖信息容量大、更新效率高、表達(dá)形式多樣，這是紙質(zhì)地圖所無(wú)法比擬的。紙質(zhì)地圖存在一經(jīng)出版就不可更改、信息滯后、局限于圖面的負(fù)載量不可擴(kuò)展、靜態(tài)的信息呈現(xiàn)方式、缺乏交互和動(dòng)態(tài)效果等缺陷，因此越來(lái)越難以滿足各方面讀者的需求。但紙質(zhì)地圖實(shí)質(zhì)感強(qiáng)、方便閱讀、收藏價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)又決定了其存在的長(zhǎng)期性，是無(wú)法被網(wǎng)絡(luò)地圖所淘汰的，在這種情況下，為增加紙質(zhì)地圖的競(jìng)爭(zhēng)力，急需一種能在紙質(zhì)地圖上進(jìn)行信息擴(kuò)展與交互的多樣化表達(dá)方式。
　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR（Augmented Reality）技術(shù)能實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)場(chǎng)景相融合，借以增強(qiáng)人對(duì)世界的感知能力。隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Mobile Augmented Reality）成為了人機(jī)交互領(lǐng)域備受矚目的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[1-5]進(jìn)行了相關(guān)探索及應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)研究與不同行業(yè)應(yīng)用主要集中在識(shí)別[6-10]、跟蹤注冊(cè)[11-13]和顯示交互[14-15]3方面。
　移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為紙質(zhì)地圖的多樣化表達(dá)提供了可能。本文在概述移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)增強(qiáng)紙質(zhì)地圖所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出了一種基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的紙質(zhì)地圖表達(dá)與交互方案。該方案打破了傳統(tǒng)地圖靜態(tài)可視化的表現(xiàn)形式，增強(qiáng)人們對(duì)地理信息的多維動(dòng)態(tài)感知和對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的理解描述，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)福州市房?jī)r(jià)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紙質(zhì)地圖信息的擴(kuò)展與交互。
1 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體或信息與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行融合加以增強(qiáng)或擴(kuò)充。對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境之間搭起了一個(gè)橋梁，兩者互相增強(qiáng)或互為補(bǔ)充。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以加強(qiáng)人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知與交互能力。
　隨著移動(dòng)智能設(shè)備的快速發(fā)展，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用融合顯示、多傳感器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景和事物進(jìn)行擴(kuò)展和增強(qiáng)，突破了桌面增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所帶來(lái)的各種限制，且在移動(dòng)性、便攜性以及人機(jī)交互性等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因而更具實(shí)際應(yīng)用前景。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要分成攝像與處理模塊、注冊(cè)定位模塊、融合渲染模塊和立體顯示模塊4個(gè)關(guān)鍵模塊，如圖1所示，它們構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)AR系統(tǒng)運(yùn)行所必須包含的基本步驟。

2 紙質(zhì)地圖增強(qiáng)表達(dá)與交互
　由移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵模塊分析可知：紙質(zhì)地圖的計(jì)算機(jī)識(shí)別，增強(qiáng)地圖的跟蹤注冊(cè)、顯示與交互技術(shù)是影響增強(qiáng)紙質(zhì)地圖系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。
2.1 紙質(zhì)地圖的計(jì)算機(jī)識(shí)別
　紙質(zhì)地圖的計(jì)算機(jī)識(shí)別方法分為基于標(biāo)記的方法和基于自然特征的方法。
2.1.1 基于標(biāo)記的紙質(zhì)地圖識(shí)別方法
　基于標(biāo)記的識(shí)別技術(shù)需預(yù)先在紙質(zhì)地圖中加入特定的人工定義標(biāo)記，然后對(duì)獲取的地圖圖像進(jìn)行分析，以計(jì)算攝像機(jī)位置和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)地圖的識(shí)別。標(biāo)記物通常是一些顏色對(duì)比強(qiáng)烈的簡(jiǎn)單圖案。
過(guò)程1：對(duì)標(biāo)記物進(jìn)行識(shí)別，將標(biāo)記物從紙質(zhì)地圖中抽取出來(lái)的過(guò)程。采用圖像閾值分割，根據(jù)像素的灰度特性判別像素是屬于背景還是標(biāo)記物，若判斷為標(biāo)記物，則識(shí)別為地圖上的興趣區(qū)。
　過(guò)程2：識(shí)別出興趣區(qū)后，根據(jù)標(biāo)記內(nèi)部的圖形或文字與模板庫(kù)匹配，如果產(chǎn)生匹配，可確認(rèn)該標(biāo)記的ID，根據(jù)標(biāo)記的ID將與位置相關(guān)的信息注冊(cè)到該興趣區(qū)中，即確定何種目標(biāo)或何種虛擬物體應(yīng)在此興趣區(qū)顯示。
2.1.2 基于自然特征的紙質(zhì)地圖識(shí)別
　基于自然特征的紙質(zhì)地圖識(shí)別技術(shù)是直接采用對(duì)紙質(zhì)地圖的自然特征進(jìn)行識(shí)別的方法，其基本原理與基于標(biāo)記的跟蹤技術(shù)類似。區(qū)別在于自然特征方法不再設(shè)置特定人工標(biāo)記，而是通過(guò)圖像分析，計(jì)算并檢測(cè)出紙質(zhì)地圖中興趣區(qū)的自身幾何特征（如道路交接點(diǎn)、曲直性、建筑物紋理等）來(lái)替代標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)地圖上的興趣區(qū)的識(shí)別。
　實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在紙質(zhì)地圖上使用標(biāo)記識(shí)別技術(shù)，特制的標(biāo)記物不僅影響使用者的閱讀感受，而且導(dǎo)致排版及印刷成本的增加，降低了應(yīng)用價(jià)值。此外，標(biāo)記在戶外易受光照變化影響，導(dǎo)致識(shí)別失敗或誤識(shí)別。而自然特征識(shí)別方法直接使用紙質(zhì)地圖中的特征，擺脫了放置在紙質(zhì)地圖中的標(biāo)記物的依賴限制，簡(jiǎn)化了地圖預(yù)設(shè)過(guò)程，提高了交互的自然性。實(shí)驗(yàn)中自然特征識(shí)別方法在某些特征失效后會(huì)自動(dòng)選取興趣區(qū)中的其他特征代替，能在一定程度上緩解遮擋和光照對(duì)識(shí)別結(jié)果的不利影響。因此，基于自然特征的識(shí)別技術(shù)更適合增強(qiáng)紙質(zhì)地圖的識(shí)別應(yīng)用。
2.2 增強(qiáng)地圖的跟蹤注冊(cè)
　增強(qiáng)地圖跟蹤注冊(cè)就是實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備在紙質(zhì)地圖上的空間位置和姿態(tài)，根據(jù)該信息計(jì)算出虛擬物體在攝像機(jī)中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)位置相關(guān)信息與紙質(zhì)地圖畫面精準(zhǔn)匹配。跟蹤注冊(cè)技術(shù)是紙質(zhì)地圖增強(qiáng)表達(dá)與交互中最關(guān)鍵的一步，決定增強(qiáng)地圖的空間一致性。增強(qiáng)地圖的跟蹤注冊(cè)可分為跟蹤器法和視覺(jué)法兩種。
　跟蹤器法采用跟蹤傳感器進(jìn)行跟蹤注冊(cè)，常采用磁力跟蹤、光學(xué)跟蹤、慣性跟蹤、超聲跟蹤、機(jī)械跟蹤和GPS等方法進(jìn)行，不同的方法應(yīng)用范圍不同。
　視覺(jué)法采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)（通常是攝像機(jī)）來(lái)獲取紙質(zhì)地圖信息，跟蹤注冊(cè)過(guò)程也就是多個(gè)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)分析攝像機(jī)獲取的地圖圖像，結(jié)合特定算法來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)姿態(tài)與位置信息，即獲得攝像機(jī)坐標(biāo)系和真實(shí)地圖坐標(biāo)系間的映射關(guān)系；注冊(cè)是指實(shí)時(shí)獲取虛擬物體坐標(biāo)系和2D成像平面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的注冊(cè)即利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制信息來(lái)調(diào)整虛擬攝像機(jī)和真實(shí)攝像機(jī)配準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬物體和真實(shí)環(huán)境“對(duì)準(zhǔn)”，獲得虛擬物體坐標(biāo)空間到真實(shí)地圖坐標(biāo)空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖2所示。

　對(duì)比兩種方法，跟蹤器法價(jià)格昂貴且易受外界干擾，以至于單一使用某種傳感器進(jìn)行跟蹤注冊(cè)，在精度和使用范圍上難于滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。相比之下，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)算法以計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論為依據(jù)，其優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比高且應(yīng)用廣泛，能滿足一般情況下的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)跟蹤性能和注冊(cè)精度要求。
2.3 增強(qiáng)地圖的顯示和交互
　增強(qiáng)紙質(zhì)地圖的顯示和交互就是將在融合渲染階段由相關(guān)地理信息轉(zhuǎn)化而來(lái)的文本標(biāo)注、三維符號(hào)和視頻等虛擬物體，通過(guò)識(shí)別與跟蹤注冊(cè)，將其在真實(shí)地圖中準(zhǔn)確定位并逼真繪制，虛實(shí)場(chǎng)景合并呈現(xiàn)在紙質(zhì)地圖上并實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的過(guò)程。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方式主要有頭戴式顯示技術(shù)、空間顯示技術(shù)和手持式顯示技術(shù)，3種方式的對(duì)比如表1所示。3種方法中，手持式顯示技術(shù)以其無(wú)法比擬的移動(dòng)性和便攜性優(yōu)勢(shì)使其成為移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中最常用的技術(shù)，其交互方式主要有菜單、特制工具、特殊標(biāo)記和觸摸屏技術(shù)等。通過(guò)直接觸摸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)紙質(zhì)地圖，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)地圖的移動(dòng)、縮放甚至分析、計(jì)算等多種人機(jī)交互功能。

?。?）找出該二值圖像中所有的興趣點(diǎn)，根據(jù)特定算法求出當(dāng)前幀圖像對(duì)應(yīng)的注冊(cè)矩陣，將該注冊(cè)矩陣與系統(tǒng)樣本庫(kù)中的特征圖像樣本的注冊(cè)矩陣進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則認(rèn)為找到了一個(gè)興趣區(qū)。
　（3）利用該興趣區(qū)的變形來(lái)計(jì)算攝像機(jī)相對(duì)于真實(shí)紙質(zhì)地圖的位置和姿態(tài)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)得到的變換矩陣實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間的注冊(cè)信息，即位置坐標(biāo)和朝向。根據(jù)注冊(cè)信息匹配興趣區(qū)和由計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)生成的虛擬場(chǎng)景或物體。
?。?）利用手持顯示設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)人機(jī)交互和虛實(shí)場(chǎng)景融合，把與位置相關(guān)的虛擬增強(qiáng)的符號(hào)、注記和動(dòng)畫疊加渲染顯示，使觀察者浸沒(méi)在增強(qiáng)后的場(chǎng)景中。
3 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)紙質(zhì)地圖應(yīng)用實(shí)例
3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
　設(shè)計(jì)所要增強(qiáng)的紙質(zhì)地圖并下載高通Vuforia SDK，地圖以福州市市區(qū)為底圖，圖上標(biāo)示出具有代表性房地產(chǎn)的地理位置；裁切出地圖上每個(gè)代表性房地產(chǎn)所在區(qū)域作為興趣區(qū)圖像。
3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
　本文以福州市房產(chǎn)信息地圖為例，結(jié)合高通Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了Android手機(jī)上的房產(chǎn)信息增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比表達(dá)效果，論證能否通過(guò)以上提出的基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的紙質(zhì)地圖表達(dá)方案改善紙質(zhì)地圖表達(dá)與交互上存在的缺陷。主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。
　（1）將每個(gè)代表性房產(chǎn)所在的興趣區(qū)圖像上傳到高通官網(wǎng)進(jìn)行樣本訓(xùn)練，返回樣本注冊(cè)矩陣信息，該信息包含了自然而然存在于這些圖像本身的特征。
?。?）主要使用到Vuforia API中基類Tracker（跟蹤器）及其子類，子類deinitTracker負(fù)責(zé)初始化識(shí)別器，子類loadTrackerData負(fù)責(zé)加載識(shí)別數(shù)據(jù)，對(duì)這兩個(gè)類進(jìn)行繼承即是結(jié)合復(fù)雜的運(yùn)算法追蹤偵探每一幀圖像的自然特征的過(guò)程，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)紙質(zhì)地圖當(dāng)前幀圖像的自然特征識(shí)別。
?。?）主要利用Renderer（渲染器）類匹配當(dāng)前幀圖像自然特征與樣本矩陣信息，若匹配失敗則結(jié)束當(dāng)前幀的渲染，若匹配成功后即對(duì)當(dāng)前幀圖像進(jìn)行跟蹤渲染，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)地圖的跟蹤注冊(cè)及顯示。
3.3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論
　紙質(zhì)地圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果如圖4所示。增強(qiáng)后的紙質(zhì)地圖無(wú)縫疊加了虛擬圖形且內(nèi)嵌了可跟蹤播放的視頻。對(duì)比未經(jīng)增強(qiáng)的紙質(zhì)地圖的顯示效果明顯發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增強(qiáng)的福州市房產(chǎn)地圖為用戶提供豐富的房產(chǎn)信息和虛擬影像服務(wù)，用戶獲得的信息量更豐富，達(dá)到了增強(qiáng)信息表達(dá)的目的，賦予了靜態(tài)地圖豐富的動(dòng)態(tài)屬性信息，達(dá)到了對(duì)紙質(zhì)地圖進(jìn)行信息擴(kuò)展的效果。

　本文提出的基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的紙質(zhì)地圖表達(dá)方法給予了用戶以全新的閱讀體驗(yàn)，有效地解決了紙質(zhì)地圖在信息表達(dá)上單一、缺乏互動(dòng)的缺陷，使紙質(zhì)地圖重新煥發(fā)生機(jī)和活力，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
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