基于增强现实的校园助手

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　　摘要：随着科学技术的不断发展，服务行业也逐渐从人人互动转变为了人机互动，而AR技术的出现，又给人机互动带来一个全新的形式，一下内容就此项目开发过程中的关键问题，和AR技术进行说明解释。
　　关键词：增强现实;校园服务;智能助手
　　中图分类号：TP302        文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）24-0214-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Campus Assistant Based on Augmented Reality
　　WANG Bing-bing ， LI Lian-min
　　（Henan University of Science and Technology Software college ， Luoyang  471003， China）
　　Abstract： With the continuous development of science and technology， the service industry has gradually changed from human-computer interaction to human-computer interaction， and the emergence of AR technology has brought a new form of human-computer interaction. This paper elaborates and explains some key issues of campus assistant development based on augmented reality technology.
　　Key words： Augmented Reality;Campus service;Intelligent assistant
　　增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是一项将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，他的工作原理是通过现有的信息捕捉技术捕捉现实视界的实体信息，再通过计算机科学技术进行处理，为其添加虚拟世界信息，将现实信息和虚拟信息叠加之后，再被人类感官感知。从而实现超越现实的感官体验。
　　1 AR技术原理
　　AR从其技术手段和表现形式上，可以明确分为大约两类，一是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR，二是Vision based AR，即基于计算机视觉的AR。这里主要用到第二类，基于计算机视觉的AR，基于计算机视觉的AR是利用计算机视觉方法建立现实世界与屏幕之间的映射关系，使我们想要绘制的图形或是3D模型可以如同依附在现实物体上一般展现在屏幕上，如何做到这一点呢？本质上来讲就是要找到现实场景中的一个依附平面，然后再将这个三维场景下的平面映射到我们二维屏幕上，然后再在这个平面上绘制你想要展现的图形
　　1.1 Marker-Based AR实现原理
　　这种实现方法需要一个事先制作好的Marker（例如：绘制着一定规格形状的模板卡片或者二维码），然后把Marker在现实中的位置确定了一个现实场景中的平面，通过摄像头对Marker进行识别和姿态评估（Pose Estimation），并确定其位置，然后将该Marker中心為原点的坐标系称为Marker Coordinates，即模板坐标系，我们要做的事情实际上是要得到一个变换从而使模板坐标系和屏幕坐标系建立映射关系，这样我们根据这个变换在屏幕上画出的图形就可以达到该图形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一点3D射影几何的知识，从模板坐标系变换到真实的屏幕坐标系需要先旋转平移到摄像机坐标系（Camera Coordinates）然后再从摄像机坐标系映射到屏幕坐标系。
　　1.2  Marker-Less AR实现原理
　　基本原理与Marker based AR相同，但是任何一个具有足够特征点的物体（例如：礼盒包装）都可以作为平面基准，这样避免了事先制作特殊模板带来的麻烦，摆脱了模板对AR应用的束缚。它的原理是通过一
　　系列算法（如：SURF，ORB，FERN等）对模板物体提取特征点，然后记录并学习这些特征点。当摄像头扫描周围场景，会提取周围场景的特征点并与记录的模板物体的特征点进行比对，如果扫描到的特征点和模板特征点匹配数量超过阈值，则认为扫描到该模板，然后根据对应的特征点坐标估计Tm矩阵，之后再根据Tm进行图形绘制（方法与Marker-Based AR类似）。
　　2 AR技术所需技术支持
　　在目前世界上主流的AR SDK提供厂商，国外的主要是Vuforia、Metaio，国内的主要是EasyAR。其中Metaio在2015年5月已被Apple重金收购，之后就没有再对外公开过SDK，经过两年的封闭开发，Apple已经打造出了强大的ARKit，能够基于庞大的iOS和iPad设备生产出各种惊艳的AR产品。Vuforia也在2015年11月被PTC公司重金收购，但是后续一直在更新并提供SDK，因此在ARKit普及之前，Vuforia一直是开发者最青睐的AR SDK，众多的功能以及高质量的识别技术，使得Vuforia早已深入人心。
　　2.1 识别与跟踪技术
　　在实现增强现实的过程中，需要对真实的场景和信息进行分析，生成虚拟事物信息。这两步看似简单，其实在实际进行过程中，需要将摄像机获得的真实场景的视频流，转化成数字图像，然后通过图像处理技术，辨识出预先设置的标志物。
　　识别出标志物之后，一标志物作为参考，结合定位技术，由增强现实程序确定需要添加的三维虚拟物体在增强现实环境中的位置和方向，并确定数字模板的方向。将标志物中的标识符号与预先设定的数字模板镜像匹配，确定需要添加的三维虚拟物体的基本信息。生成虚拟物体，并用程序根据标识物体位置，将虚拟物体放置在正确的位置上。这其中涉及的识别跟踪和定位问题，是增强现实的最大的难题之一。 　　2.2 图像检测法
　　这种方法进行跟踪定位不需要其他的设备，而且精确度较高，因此是增强现实技术中最常见的定位方法。在模板匹配时，系统会预先存储好多种模板，来和图像中检测到的标志物匹配来计算定位。简单的模板匹配可以提高图像检测的效率，因也为增强现实的实时性提供了保障。通过计算图像中标志物的偏移和偏转，也能够做到三维虚拟物体的全方位观察。模板匹配一般用于对应特定图片三维成像，设备通过扫描特定的图片，将这些图片中的特殊标志位与预先存储的模板匹配，即可呈现三维虚拟模型。比如汽车店的车模卡片，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配来进行增强现实。边缘检测可以检测出人体的一些部位，同时也可以跟踪这些部位的运动，将其与虚拟物体物体无缝融合。比如，真实的手提起虚拟的物体，摄像机可以通过跟踪用户手的轮廓，运动方式来调整虚拟物体的方位。因此，许多商场的虚拟商品实用，多会使用边缘检测。
　　2.3 现实技术
　　智能手机通过相应的APP实时取景并显示叠加的数字图像，这就是移动手持式显示器的一般工作情况。同时现在平板电脑不断增加功能以及比智能手机更大的屏幕，也是的其日益流行。手持增强现实标志物，通过网络摄像机在食品窗口或是显示器上显示虚拟叠加的图像，就是视频空间显示方式。带有增强现实功能的贺卡，既是用这种方式显示的。用户在收到贺卡后，登录相应的网站系统，用网络摄像机对准贺卡，用户即可从显示屏上得到贺卡内所存储的信息形成的虚拟物体和视频。而空间增强显示技术，则是利用把包括全息投影在内的视频投影技术，直接将虚拟数字信息显示在真实的环境之中。这种技术的系统不同于一般的增强现实系统，只适合于个人使用，而是能想增强现实与周围环境相结合，不仅仅限于单个用户。这种技术适用于大学或者图书馆，可以同时为一群人提供增强现实信息。也可以将控制组件投影到相应的实体模型上，方便工程师的交互操作。
　　3 校园助手简单功能实现
　　3.1 带路功能
　　使用高德地图API。使用其中步行路线规划的方法与接口，将路线规划形式以校园助带路的形式展现出来，从而实现校园内部简单的带路功能。
　　3.2查询空教室
　　使用校园教务中心数据，返回的空教室以语音播报的形式返回给用户，并选择最近的空教室自动给用户带路。
　　3.3寻找周围用户
　　使用GPS定位系统调用用户当前的位置，上传到服务器中，以发现周围的用户位置。
　　4 结束语
　　如今的科技发展迅速，越来越多的校园服务应用出现在师生的眼前让人眼花缭乱，如何制作一款功能强大，简单好用，富有各大高校自身特色的校园助手应用，AR技术可以很完美地做到这一点。独特的使用方式可以给人眼前一亮的感觉。从1966年第一台AR设备以达摩克利斯之剑（Sword of Damocles）的名字出现在人们眼前，到如今的苹果公司打造的最大的AR平台ARKit，AR正在逐步的融于人们的生活当中。未来的AR将连接现在与未来，沟通天涯与海角。
　　参考文献：
　　[1] Ahmad Hoirul Basori and Hani Moaiteq Abdullah AlJahdali. Telerobotic 3D Articulated Arm-Assisted Surgery Tools with Augmented Reality for Surgery Training[M].IntechOpen，2019.
　　[2] Maria Makolkina，Van Dai Pham，Truong Duy Dinh，Alexander Ryzhkov，Ruslan Kirichek. Transmission of Augmented Reality Contents Based on BLE 5.0 Mesh Network[M].Springer International Publishing，2018.
　　[3] Ammar Muthanna，Abdelhamied A. Ateya，Aleksey Amelyanovich，Mikhail Shpakov，Pyatkina Darya，Maria Makolkina. AR Enabled System for Cultural Heritage Monitoring and Preservation[M].Springer International Publishing，2018.
　　【通聯编辑：唐一东】
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