增強現(xiàn)實技術(shù)在防震減災(zāi)科普宣傳中的應(yīng)用

　　摘要:增強現(xiàn)實是將真實世界與虛擬世界結(jié)合在一起研究的新型領(lǐng)域，在眾多行業(yè)、領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，鑒于其優(yōu)越的媒介傳播價值，嘗試將其應(yīng)用于防震減災(zāi)科普宣傳�；�于對增強現(xiàn)實技術(shù)的基本概念、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用價值的介紹，分析防震減災(zāi)科普宣傳的特點與目前存在的問題，淺析增強現(xiàn)實技術(shù)在防震減災(zāi)科普宣傳應(yīng)用中的優(yōu)勢。將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于防震減災(zāi)科普宣傳，能夠?qū)崿F(xiàn)便利的自訂、自助功能，為相關(guān)科普宣傳的趣味性、創(chuàng)新性、多元化發(fā)展提供助力。

　　關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;防震減災(zāi);科普宣傳;跟蹤注冊;虛實融合;人機交互

　　1引言

　　增強現(xiàn)實是一種將虛擬信息無縫融合到真實世界的新技術(shù)，利用跟蹤注冊、虛實融合和人機交互三大關(guān)鍵技術(shù)，給用戶帶來全新體驗。增強現(xiàn)實技術(shù)作為一項多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到許多行業(yè)，包括工業(yè)、醫(yī)療、軍事、娛樂、游戲、教育、旅游、商業(yè)、家具等領(lǐng)域[1]。增強現(xiàn)實技術(shù)的自身特點決定了其具有很好的應(yīng)用價值，尤其在媒介傳播方面，為地震工作者帶來了一個新的研究課題，開始嘗試將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于防震減災(zāi)科普宣傳領(lǐng)域。

　　2增強現(xiàn)實技術(shù)

　　2.1增強現(xiàn)實概念

　　增強現(xiàn)實(AugmentedReality,AR)被稱為“混合現(xiàn)實”或者“擴增現(xiàn)實”，是基于虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)發(fā)展起來的技術(shù)。VR構(gòu)造一種封閉的虛擬環(huán)境，使用戶完全沉浸在虛擬的世界中。AR則是對真實世界進行補充，借助計算機圖形和可視化技術(shù)產(chǎn)生真實世界中不存在的虛擬對象，并把虛擬對象帶入到真實世界中，使用戶通過聽、看、觸摸虛擬對象來增強對真實世界的感知。目前有兩種通用的增強現(xiàn)實定義：一種定義是1994年由保羅·米爾格拉姆(PaulMilgram)和岸野文郎(FumioKishino)[2]提出的“現(xiàn)實-虛擬連續(xù)體”(Milgram'sReality-VirtualityContinuum)。

　　連續(xù)體的左右兩端分別表示真實環(huán)境與虛擬環(huán)境，中間表示“混合現(xiàn)實(MixedReality)”。其中將靠近真實環(huán)境的部分稱為增強現(xiàn)實(AugmentedReality)，將靠近虛擬環(huán)境的部分稱為擴增虛境(AugmentedVirtuality)。另一種定義是1997年北卡大學(xué)的RonaldAzuma提出的，他總結(jié)了增強現(xiàn)實的三個特點，分別是虛實融合、實時交互和三維注冊。1)虛實融合(Combinesrealandvirtual)：AR技術(shù)將計算機產(chǎn)生的虛擬信息——文字、圖像、三維模型、全景信息、視頻、三維動畫、網(wǎng)站鏈接、音頻等，與真實世界相結(jié)合，使真實世界和虛擬信息合為一體。2)實時交互(Interactiveinrealtime)：AR實現(xiàn)真實世界與虛擬世界的實時同步，滿足用戶在真實世界中通過體感、語音、手部動作等方式與虛擬世界中的事物交互，使用戶真實地感受到虛擬對象的存在。3)三維注冊(Registeredin3D)：AR準確定位虛擬信息在真實場景中的位置，將虛擬信息與真實場景進行配準，并將虛擬信息準確放置在真實世界中。

　　2.2增強現(xiàn)實原理

　　增強現(xiàn)實涉及到計算機視覺、圖像處理、信息可視化等多方面的知識。一個完整的增強現(xiàn)實系統(tǒng)由圖像采集與處理、跟蹤定位、虛擬信息注冊、虛擬數(shù)據(jù)存儲、虛實融合、系統(tǒng)顯示、人機交互等多個部分組成。增強現(xiàn)實的具體實現(xiàn)步驟如下：步驟1：通過攝像機等圖像輸入設(shè)備獲取物理世界中特定標志物或自然標志物的真實信息;步驟2：采用相關(guān)的處理技術(shù)對獲取的信息進行計算及存儲;步驟3：利用精準的跟蹤定位技術(shù)，計算攝像機相對于目標物體的位置姿態(tài);步驟4：根據(jù)獲取的注冊信息，確定虛擬信息在目標場景中的顯示位置;步驟5：采用實時地虛實融合技術(shù)，并在虛擬對象數(shù)據(jù)庫中找到對應(yīng)的虛擬信息，實現(xiàn)物理世界與虛擬信息的無縫融合;步驟6：利用系統(tǒng)顯示技術(shù)將虛實融合后的混合場景在顯示器上顯示出來。

　　2.3增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

　　增強現(xiàn)實涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有三個，分別是跟蹤注冊、虛實融合顯示以及人機交互。

　　2.3.1跟蹤注冊技術(shù)

　　跟蹤注冊技術(shù)實時地計算攝像機相對于目標場景的位置和方向，確定虛擬信息在真實場景中的顯示位置。當攝像機的角度發(fā)生改變時，通過跟蹤注冊技術(shù)，可以使虛擬信息在真實場景中隨之做相應(yīng)的改變。目前增強現(xiàn)實系統(tǒng)中主要采用的跟蹤注冊技術(shù)有：基于計算機視覺的跟蹤注冊、基于硬件傳感器的跟蹤注冊以及混合跟蹤注冊。

　　基于計算機視覺的跟蹤注冊為：通過攝像機獲取真實場景中的圖像信息，根據(jù)計算機視覺原理跟蹤定位真實場景中的目標物體。該類技術(shù)具有原理簡單、跟蹤注冊精度高、實現(xiàn)成本低等優(yōu)點，但是存在計算量大、魯棒性不強、實時性差等缺陷。其又可細分為基于人工標志和基于自然特征點的兩種形式的跟蹤注冊�；�于人工標志的技術(shù)目前比較成熟，出現(xiàn)了ARToolKit、ARTag、ARToolKitPlus等成熟的方法�；�于自然特征點的技術(shù)以自然場景中的點、線、面等自然特征為識別對象，實現(xiàn)起來相對比較困難�；�于自然特征的經(jīng)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�；�于硬件傳感器的跟蹤注冊為：通過傳感器獲取真實場景的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算攝像機相對于目標物體的位置與方向。

　　該類技術(shù)容易受外界條件的影響，但基于不同傳感器的技術(shù)又具有各自的優(yōu)點。目前常用的硬件傳感器有加速度傳感器、方向傳感器、陀螺儀、磁場傳感器等。傳統(tǒng)的硬件傳感器有超聲波、電磁、光學(xué)、機械、聲學(xué)、慣性等。隨著科技的發(fā)展以及人們需求的提高，傳統(tǒng)的硬件傳感器將逐漸被基于移動終端的傳感器替代�；旌细�蹤注冊為：通過將硬件傳感器和計算機視覺相結(jié)合，跟蹤定位真實場景中的目標物體。單一的跟蹤注冊技術(shù)存在著延時、不精確等缺陷，不能很好的實現(xiàn)目標物體的跟蹤定位。該類技術(shù)將兩種或者兩種以上的技術(shù)結(jié)合在一起，具有跟蹤注冊精度高、實時性強、不易受外界干擾等優(yōu)點。目前常用的混合跟蹤注冊技術(shù)有GPS與機器視覺結(jié)合、磁傳感器與機器視覺結(jié)合、慣性傳感器與機器視覺結(jié)合等。

　　2.3.2虛實融合顯示技術(shù)

　　在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，虛實融合顯示技術(shù)對虛擬信息與真實環(huán)境進行準確的配準，實現(xiàn)虛擬信息與真實環(huán)境在光照、幾何、陰影等方面一致性的融合，將逼真的虛實融合場景顯示出來。該技術(shù)需要解決融合過程中的遮擋、延時等問題，保持虛擬與真實的視覺一致性。目前增強現(xiàn)實中的視覺一致性主要指幾何一致性和光照一致性。所謂幾何一致性是當用戶的觀察角度發(fā)生改變時，虛擬場景和真實場景之間的相對位置不會改變，而是保持前后一致。所謂光照一致性是生產(chǎn)的虛擬場景的光照情況要與真實環(huán)境保持一致，并且能夠自適應(yīng)真實環(huán)境光照條件的變化。為了讓用戶體驗最佳的虛實融合場景，需要相關(guān)的顯示設(shè)備進行輔助，目前增強現(xiàn)實系統(tǒng)中主要采用的虛實融合顯示設(shè)備有：基于頭盔的顯示、基于投影的顯示以及基于手持設(shè)備的顯示。

　　根據(jù)頭盔顯示器的實現(xiàn)原理大致把頭盔顯示設(shè)備分為視頻透視式和光學(xué)透視式兩種形式。用戶通過頭盔顯示器能夠體驗虛擬信息與真實場景的融合顯示效果�；�于視頻透視的頭盔顯示器根據(jù)頭部跟蹤器獲取的跟蹤注冊信息，將場景生成器生成的虛擬場景加載到視頻信號融合器上，與真實場景的視頻信號融合，把虛實融合后的合成視頻信號顯示在液晶顯示器上，呈現(xiàn)在用戶的眼前。基于光學(xué)透視的頭盔顯示器是利用光學(xué)成像原理，通過光學(xué)合成器實現(xiàn)虛實融合效果。光學(xué)合成器位于用戶眼睛的前方，是一種半反半透的光學(xué)元件。真實場景的光線直接通過光學(xué)合成器到達用戶眼睛。

　　虛擬場景加載到攝像機顯示器上，顯示器射出的光線通過光學(xué)合成器反射，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)放大，進入用戶眼睛。真實場景光線與顯示器光線融合，用戶就可以看到虛實融合的場景。投影顯示設(shè)備首先利用紅外信號感應(yīng)器獲取真實場景信息，并對信息進行處理分析，確定需要投影顯示的虛擬信息;然后用投影儀將計算機生成的虛擬信息投影到反射鏡上，再經(jīng)過反射鏡發(fā)射到投影區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)虛實融合的奇幻場景。手持設(shè)備主要是指平板電腦、手機、PDA等移動終端設(shè)備。增強現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用于手持設(shè)備上，有基于計算機視覺和基于手機傳感器兩種形式的實現(xiàn)方式。雖然兩種形式的實現(xiàn)原理不同，但是虛實融合顯示都是根據(jù)手持設(shè)備系統(tǒng)中的圖層疊加方式實現(xiàn)的。手持顯示設(shè)備將虛擬信息與真實場景顯示在不同的圖層上，并且保證圖層之間互不遮擋，將最終的虛實融合效果通過顯示器顯示出來。

　　2.3.3人機交互技術(shù)

　　人機交互技術(shù)通過輸入輸出設(shè)備，將用戶的相關(guān)操作輸入到計算機，并對其進行分析處理，將交互結(jié)果輸出到顯示設(shè)備上。目前增強現(xiàn)實系統(tǒng)中常用的交互方式有：基于外接設(shè)備的交互、基于手部動作的交互、基于標志的交互。基于外接設(shè)備的交互：用戶通過對外接設(shè)備的控制，與虛擬對象進行交互。該種交互方式通過外接設(shè)備，將用戶對虛擬對象的相關(guān)操作輸入到計算機中。常用的外接設(shè)備有鍵盤、鼠標、光筆、數(shù)據(jù)手套、各種傳感器等。它具有精度高、算法簡單、成本低等優(yōu)點，但是存在著沉浸感不強的缺陷。

　　基于手部動作的交互：一種方式是用戶通過手勢動作與虛擬對象進行互動，將用戶的手勢動作輸入到計算機，通過識別跟蹤用戶的手勢，估算用戶的意圖。另一種方式是通過手部觸控屏幕上的按鈕，將用戶操作輸入到計算機，該種方式主要適用于移動終端設(shè)備�；�于標志的交互：在場景中設(shè)置特定含義的標志，通過對標志識別注冊，向用戶顯示相關(guān)的指示信息，用戶通過信息提示進行相關(guān)的交互操作。

　　2.4增強現(xiàn)實的應(yīng)用價值

　　增強現(xiàn)實使物理世界與虛擬對象合為一體，使用戶得以在物理世界中真切感受虛擬空間中的事物，增強了事物的趣味性、創(chuàng)新性和互動性。增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在眾多的行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。增強現(xiàn)實能夠?qū)崿F(xiàn)虛實融合，將文字、圖像、3D模型、網(wǎng)站鏈接等虛擬信息融合到真實世界中，打破了真實場景的束縛，擺脫了真實世界所能呈現(xiàn)內(nèi)容的形式限制。例如，在工業(yè)中的安裝、維修、調(diào)試等工作中，可以將維修與裝配相關(guān)的信息以圖形文字的形式疊加到真實場景中，可以將不能展示的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)展示在工人面前[3]。例如，在實際的水道維修過程中，富士通公司運用了AR技術(shù)，通過移動設(shè)備的攝像頭快速、準確地識別定位故障位置，將相關(guān)信息以文字注釋的形式疊加到水道上，為工人維修提供指示功能[4]。

　　增強現(xiàn)實能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互，用戶在真實世界中能夠通過體感、語音、手部動作等方式與虛擬對象進行交互，容易引起用戶的興趣，滿足用戶的心理需求，達到用戶的認同和共鳴。例如，在教學(xué)展示中，通過具有AR功能的頭盔顯示器或者移動設(shè)備，將書本中的知識或場景以虛擬信息的形式展示在學(xué)生面前，可以輔助教師進行直觀的教學(xué)，使學(xué)生對知識有具體的認知，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。“體感學(xué)習(xí)機”是一款將體感與AR技術(shù)結(jié)合在一起的學(xué)習(xí)設(shè)備，通過AR技術(shù)使體驗者能夠在現(xiàn)實環(huán)境中真實體驗像火災(zāi)和地震等虛擬場景[5]。

　　增強現(xiàn)實能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤注冊，保證了虛擬信息實時進行融合，通過具有AR功能的移動設(shè)備，識別真實場景中的標志物，計算攝像機相對于標志物的位置和方向，實時將真實場景變換成用戶需要的場景或者將虛擬對象融入到真實場景中。例如，在人機交互的娛樂游戲中，可以為用戶提供虛擬的游戲體驗平臺，滿足用戶與虛擬物體或者場景進行實時地互動。在熱鬧的街頭，利用移動終端設(shè)備，對天空進行識別，將虛擬物體實時疊加到天空的位置，用戶可以對著天空射擊出現(xiàn)的虛擬怪物。目前，防震減災(zāi)科普宣傳工作的形式缺乏趣味性、互動性和創(chuàng)新性，對如何利用現(xiàn)代科技創(chuàng)作出精良的科普宣傳作品研究不夠。利用增強現(xiàn)實技術(shù)的虛實融合、跟蹤注冊和人機交互，則能夠?qū)⒖菰锓ξ兜牡卣鹬�識、地震模型、地震觀測流程等以獨特個性的形式展示給公眾，進而激發(fā)公眾對防震減災(zāi)科普知識的興趣，為公眾帶來喜聞樂見的防震減災(zāi)科普宣傳作品。

　　3AR用于防震減災(zāi)科普宣傳的優(yōu)勢

　　我國正處于全面建成小康社會的關(guān)鍵時期[6]，做好防震減災(zāi)科普宣傳工作顯得尤為重要。隨著時代的變革和社會的進步，公眾對于知識的渴求越來越強烈�？茖W(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，為公眾創(chuàng)造了多種多樣獲取知識的途徑。傳統(tǒng)的閱讀書籍、聽講座等獲取知識的方式已經(jīng)無法滿足公眾的需求。增強現(xiàn)實利用虛實融合、跟蹤注冊和人機交互三大關(guān)鍵技術(shù)，能夠為公眾提供一種新穎的獲取知識的途徑。隨著移動設(shè)備在人們生活中的普及，以及移動設(shè)備在硬件配置、處理性能等方面的不斷提高，增強現(xiàn)實被廣泛應(yīng)用到移動設(shè)備，移動增強現(xiàn)實(MobileAugmentedReality,M-AR)[7]應(yīng)運而生。M-AR不僅具備增強現(xiàn)實的虛實融合、實時交互和三維注冊的特點，而且與移動設(shè)備完美結(jié)合，能夠自由移動，帶給用戶全新的交互體驗?zāi)Ｊ�。M-AR可提供移動化、個性化的服務(wù)，為公眾獲取知識提供了方便和興趣，在防震減災(zāi)科普宣傳中具有很大的優(yōu)勢。

　　4AR在防震減災(zāi)科普宣傳中的嘗試

　　對現(xiàn)有的地震科普館進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前大部分地震科普館都是以展板或者展柜的形式向公眾提供科普知識，需要講解員進行講解，耗費人力資源，缺乏趣味性。故此針對地震科普館，研究并設(shè)計一款基于移動增強現(xiàn)實技術(shù)的地震科普館導(dǎo)覽系統(tǒng)。

　　建筑論文投稿刊物：《城市與減災(zāi)》(曾用刊名：地震地質(zhì)譯叢;城市防震減災(zāi))，1998年創(chuàng)刊，結(jié)合城市規(guī)范建設(shè)、環(huán)境保護及城市管理等問題，宣傳黨和政府有關(guān)防災(zāi)減災(zāi)政策、法律和法規(guī);介紹國內(nèi)外減災(zāi)技術(shù)與方法;討論、交流城市減災(zāi)工作經(jīng)驗和教訓(xùn)，普及防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)知識，提高社會公眾的減災(zāi)意識，達到提高城市抵御自然災(zāi)害能力的目的。

　　5結(jié)束語

　　鑒于我國的地震預(yù)報不準確的情況，全面做好防震減災(zāi)科普宣傳，不斷提高公眾的地震憂患意識 
和防震減災(zāi)技能，是保障國家安全穩(wěn)定、社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活幸福的基礎(chǔ)工作。防震減災(zāi)工作如何創(chuàng)新宣傳方式、提高宣傳能力、打造高質(zhì)量宣傳作品、豐富宣傳內(nèi)涵，是今后需要努力的方向�？焖侔l(fā)展的現(xiàn)代科技將如何影響未來的防震減災(zāi)科普宣傳工作，為地震工作者提供了新的研究課題。將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于防震減災(zāi)科普宣傳是一種嘗試和創(chuàng)新，對切實推進新時代防震減災(zāi)科普宣傳工作發(fā)展具有重要意義。

　　作者：孔令愛1，胡子超1，劉海剛2

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