2021年10月19日

基于Android平台的移动增强现实系统的研究与实现

作者 导览管理员

目前这种系统的方向数据大都是直接通过方向传感器获取,其数据不太稳定,且多数系统用户不能自行添加POI。本文利用传感器和LBS结合注册的方式实现了一个以校园为背景的移动增强现实导览系统。首先利用Android设备中磁场和加速度传感器融合的方式获取方向数据,针对传感器数据不稳定现象引入低通滤波作处理优化。然后结合高德地图获取位置信息并计算出AR位姿旋转矩阵。最后设计数据库存储POI信息,显示标签。实验结果表明,用户自定义的POI标签信息能够在AR视图上较为准确和稳定地显示,用户能与标签进行简单的交互,与传统地图式导航效果对比,更加直观和更具有导向性。

研究背景及意义

增强现实技术(AugmentedReality,简称AR)是在虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)的基础上提出的一个新概念。虚拟现实技术发展较早,传统的虚拟现实技术重点是将用户完全沉浸在虚拟的图像世界中,用户所看到的场景都是虚拟的。而增强现实技术是一种将计算机生成的虚拟信息结合到现实场景中的技术,这里的虚拟信息可以是文字增强信息、图像增强信息等,用户还可对增强信息进行交互等操作。增强现实技术重点是在现实场景中融合进虚拟信息,强调的给用户一种超越现实的感官体验,给予用户更加身临其境和直观的感受。近年来随着智能终端设备的普及和发展,硬件条件逐渐在改善,处理器在不断提升,图形显示技术也在飞速发展,同时也且具有定位服务和传感器功能,这些都给增强现实技术提供了完善的硬件支撑。由于移动设备具有易携带、易使用、显示效果好等特点,这种基于移动端开发的增强现实系统也逐渐成为发展主流,这种系统称为移动增强现实系统(MobileAugmentedReality,简称MAR)。近年来对移动增强现实系统的开发与研宄也在日趋增多,针对虚拟信息融合显示效果的优化也是一大研宄热点。要获得良好的融合显示效果需要保持三个一致性:几何一次性、光照一致性和时间一致性。光照一致性的研宄目的主要是使虚拟模型获得与现实世界中光照一致的阴影效果,这能使虚拟模型在真实世界中显得更加逼真,这是提高用户感官体验的关键点之一。除此之外,由于现有移动端都具备良好的传感器和定位系统的支持,一种结合传感器和LBS注册的移动增强现实系统也逐渐受到大众喜爱。近年来,利用这种技术开发的导览系统也逐渐增多,较为出名的有国外开发的Wikitude移动增强现实浏览器。这种系统能将街道的导航信息实时叠加显示到屏幕中,较传统的导航技术对比更具直观性和便捷性,这项技术的出现也能极大的丰富人们的日常体验,也能给人们的生活带来便利。

研究现状

增强现实技术是1968年提出的一个新概念1968年,国外著名的计算机科学家,同时也是图灵奖获得者伊万萨瑟兰发明了一个头戴显示设备,名为“达摩克利斯之剑”。这个系统将显示设备放在用户头顶的显示设备通过一个连接杆相连,显示设备就能够呈现出3D效果的虚拟图形图像,将虚拟的3D图像结合到现实场景中去。这是增强现实技术第一个原型设备,也是增强现实技术探索的开始、增强现实技术研究概况增强现实技术己经运用在诸多领域中,比如教育领域、游戏领域、商业领域、医疗领域和旅游业中。在教育领域中,增强现实技术以其独特的图形化显示效果及良好的交互功能常被用于数学,物理学,化学,工程学等学科。其中数学是一种难懂的并且常常带有一些数字符号的学科,在2008年PatriciaSalhia等用一种基于视觉的、动态的AR系统来提高学生学习的沉浸感体验。通过用软件来画一些数学图像并分析它们的特性来取代以前的手工画图方式,极大提高了学生的兴趣,同时也便于认真和理解。在国内,我国 ,通过摄像头扫 描 指 定 的l o g o 标识卡即可呈现丰富的文字、图像 、视频等企业增强信息 ,能够给顾客留下更深刻的印象。同时可以制作企业产 品的三维模型用来给顾客展示,比如家具行业 、房地产行业 、电器行业等 ,新锐天地创作团队就自主研发了名为“涂涂乐”的4D画本,利用增强现实技术将儿童在纸上涂色的作品变成了立体的3D形象,展现了一个所见即所得的绘画世界,对儿童教育起到了很好的效果,一经推出就收到了市场的追捧。在游戏领域中,使用增强现实技术能够给用户更好的视觉体验和沉浸感。佐治亚理工学院的增强现实实验室就在2009年实现了一款基于增强现实技术的射击类游戏在旅游业中,增强现实技术常被用来对旅游景点的展示、介绍和导航,对古迹的还原显示等来增强游客对景点的了解和旅游体验。

在国外,2006年诺基亚研宄员开发了一个基于增强现实技术的多种传感器导航应用,能将文本信息和图像信息融合到摄像头中,给用户提供一种带有注释导航的效果。在我国,北京理工大学信息科技学院的王涌天教授等人利用增强现实技术对圆明园遗迹做了数字重建,能够较好的还原圆明园本来样貌并叠加在现实环境中。在医疗领域中,利用增强现实技术可以将病人的三维图像数据转化为增强现实信息叠加到真实环境中和病人结合,可以大大降低手术的难度提高手术准确率。在商业领域中,可以制作AR企业名于移动增强现实技术,最早是在丨997年由哥伦比亚大学StevenFeiner研发的一个MobileAugmentedRealitySystems(MARS)系统,该系统主要用于述筑物的导航中。近几年,美国公司Qualcomm发布了一款名为Vuforia的移动终端AR开发引擎这是一款非常优秀的AR开发引擎,该引擎己经获得了国内外四万多名注册开发者,并且被应用到多款Android和ISO移动应用中。在国内,视辰信息公司也自主研发了一款名为EasyAr的增强现实技术开发引擎,这也是一款非常优秀的AR开发工具,可以基于PC,Android,10S等多种平台,同时具有良好的图像识别和跟踪的效果。

光照一致性的增强现实研究

增强现实技术注重的是在真实世界中叠加虚拟信息,增强用户对真实世界的感知,使用户达到一种基于现实又高于现实的感官体验,这也是增强现实技术与虚拟现实技术的重要区别之一。传统增强现实系统中的虚实融合只是简单的将虚拟模型加载到现实场景中,然而要做到视觉上的完美的体验则要着重对虚实物的遮挡关系以及虚实场景的光照情况进行匹配和调整。要使虚拟信息高度融合于现实世界主要体现在三个一致性中:时间一致性、几何一致性和光照一致性。时间一致性指的是虚实场景中运动的一致性;几何一致性是指虚拟信息和现实场景中的物体要有一个正确的位置关系。其中光照一致性指的是在虚拟世界中的光照强度、方向等信息能否和现实世界中的光源信息保持一致,从而消除虚拟模型显示的飘浮感这是影响虚拟模型显示效果的重要因素之一。

传感器与LBS结合的增强现实研究

对于传感器和LBS结合的增强现实系统主要集中用在旅游业的导览、用户导航中。对于这项技术的研究主要在于如何获取更为精准和更高精度的定位信息,以及如何获取准确的传感器数据信息等。在2008年Takacs等人通过将SURF算法进行改进并采用模式识别的方式对建筑进行识别和虚拟信息的注册。2013年,张皓等实现了一个基于LBS的移动增强实境浏览器,该系统的经纬度信息通过实地采集并结合使用方差均值化的方法处理采集到的经炜度数据从而达到提高系统稳定性的目的。2014年,张运超等实现了一个基于移动增强现实的智慧城市导览系统,该系统能够利用服务器实时推送用户导览需求,利用光流与BRISK结合实现混合特征跟踪注册算法能够给用户全新的实时动态交互体验。2016年,吴西等人实现了一个基于路牌识别的校园移动增强现实系统,改系统使用OpenCV进行路牌识别并借助手机GPS定位功能开发实现了校园的电子导览功能。

 

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