增強現實技術在防震減災科普宣傳中的應用

　　摘要:增強現實是將真實世界與虛擬世界結合在一起研究的新型領域，在眾多行業、領域中有著廣泛的應用，鑒于其優越的媒介傳播價值，嘗試將其應用于防震減災科普宣傳。基于對增強現實技術的基本概念、工作原理、關鍵技術和應用價值的介紹，分析防震減災科普宣傳的特點與目前存在的問題，淺析增強現實技術在防震減災科普宣傳應用中的優勢。將增強現實技術應用于防震減災科普宣傳，能夠實現便利的自訂、自助功能，為相關科普宣傳的趣味性、創新性、多元化發展提供助力。

　　關鍵詞：增強現實;防震減災;科普宣傳;跟蹤注冊;虛實融合;人機交互

　　1引言

　　增強現實是一種將虛擬信息無縫融合到真實世界的新技術，利用跟蹤注冊、虛實融合和人機交互三大關鍵技術，給用戶帶來全新體驗。增強現實技術作為一項多學科交叉研究領域，已經被廣泛應用到許多行業，包括工業、醫療、軍事、娛樂、游戲、教育、旅游、商業、家具等領域[1]。增強現實技術的自身特點決定了其具有很好的應用價值，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，開始嘗試將增強現實技術應用于防震減災科普宣傳領域。

　　2增強現實技術

　　2.1增強現實概念

　　增強現實(AugmentedReality,AR)被稱為“混合現實”或者“擴增現實”，是基于虛擬現實(VirtualReality,VR)發展起來的技術。VR構造一種封閉的虛擬環境，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產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“現實-虛擬連續體”(Milgram'sReality-VirtualityContinuum)。

　　連續體的左右兩端分別表示真實環境與虛擬環境，中間表示“混合現實(MixedReality)”。其中將靠近真實環境的部分稱為增強現實(AugmentedReality)，將靠近虛擬環境的部分稱為擴增虛境(AugmentedVirtuality)。另一種定義是1997年北卡大學的RonaldAzuma提出的，他總結了增強現實的三個特點，分別是虛實融合、實時交互和三維注冊。1)虛實融合(Combinesrealandvirtual)：AR技術將計算機產生的虛擬信息——文字、圖像、三維模型、全景信息、視頻、三維動畫、網站鏈接、音頻等，與真實世界相結合，使真實世界和虛擬信息合為一體。2)實時交互(Interactiveinrealtime)：AR實現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增強現實原理

　　增強現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。一個完整的增強現實系統由圖像采集與處理、跟蹤定位、虛擬信息注冊、虛擬數據存儲、虛實融合、系統顯示、人機交互等多個部分組成。增強現實的具體實現步驟如下：步驟1：通過攝像機等圖像輸入設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：采用相關的處理技術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，計算攝像機相對于目標物體的位置姿態;步驟4：根據獲取的注冊信息，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，并在虛擬對象數據庫中找到對應的虛擬信息，實現物理世界與虛擬信息的無縫融合;步驟6：利用系統顯示技術將虛實融合后的混合場景在顯示器上顯示出來。

　　2.3增強現實關鍵技術

　　增強現實涉及到的關鍵技術有三個，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

　　跟蹤注冊技術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。當攝像機的角度發生改變時，通過跟蹤注冊技術，可以使虛擬信息在真實場景中隨之做相應的改變。目前增強現實系統中主要采用的跟蹤注冊技術有：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。該類技術具有原理簡單、跟蹤注冊精度高、實現成本低等優點，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。基于人工標志的技術目前比較成熟，出現了ARToolKit、ARTag、ARToolKitPlus等成熟的方法。基于自然特征點的技術以自然場景中的點、線、面等自然特征為識別對象，實現起來相對比較困難。基于自然特征的經典算法有：Ozuysal等人提出的Ferns算法、Lowe提出的SIFT、Bay等人提出的SURF算法等。基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數據，計算攝像機相對于目標物體的位置與方向。

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

　　2.3.2虛實融合顯示技術

　　在增強現實系統中，虛實融合顯示技術對虛擬信息與真實環境進行準確的配準，實現虛擬信息與真實環境在光照、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的虛擬場景的光照情況要與真實環境保持一致，并且能夠自適應真實環境光照條件的變化。為了讓用戶體驗最佳的虛實融合場景，需要相關的顯示設備進行輔助，目前增強現實系統中主要采用的虛實融合顯示設備有：基于頭盔的顯示、基于投影的顯示以及基于手持設備的顯示。

　　根據頭盔顯示器的實現原理大致把頭盔顯示設備分為視頻透視式和光學透視式兩種形式。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。基于視頻透視的頭盔顯示器根據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，呈現在用戶的眼前。基于光學透視的頭盔顯示器是利用光學成像原理，通過光學合成器實現虛實融合效果。光學合成器位于用戶眼睛的前方，是一種半反半透的光學元件。真實場景的光線直接通過光學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合成器反射，經過光學系統放大，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。投影顯示設備首先利用紅外信號感應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，再經過反射鏡發射到投影區域內，實現虛實融合的奇幻場景。手持設備主要是指平板電腦、手機、PDA等移動終端設備。增強現實系統應用于手持設備上，有基于計算機視覺和基于手機傳感器兩種形式的實現方式。雖然兩種形式的實現原理不同，但是虛實融合顯示都是根據手持設備系統中的圖層疊加方式實現的。手持顯示設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

　　人機交互技術通過輸入輸出設備，將用戶的相關操作輸入到計算機，并對其進行分析處理，將交互結果輸出到顯示設備上。目前增強現實系統中常用的交互方式有：基于外接設備的交互、基于手部動作的交互、基于標志的交互。基于外接設備的交互：用戶通過對外接設備的控制，與虛擬對象進行交互。該種交互方式通過外接設備，將用戶對虛擬對象的相關操作輸入到計算機中。常用的外接設備有鍵盤、鼠標、光筆、數據手套、各種傳感器等。它具有精度高、算法簡單、成本低等優點，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備。基于標志的交互：在場景中設置特定含義的標志，通過對標志識別注冊，向用戶顯示相關的指示信息，用戶通過信息提示進行相關的交互操作。

　　2.4增強現實的應用價值

　　增強現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、創新性和互動性。增強現實技術已經在眾多的行業中得到了廣泛的應用。增強現實能夠實現虛實融合，將文字、圖像、3D模型、網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內容的形式限制。例如，在工業中的安裝、維修、調試等工作中，可以將維修與裝配相關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部機械結構展示在工人面前[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，通過移動設備的攝像頭快速、準確地識別定位故障位置，將相關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]。

　　增強現實能夠實現人機交互，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，在教學展示中，通過具有AR功能的頭盔顯示器或者移動設備，將書本中的知識或場景以虛擬信息的形式展示在學生面前，可以輔助教師進行直觀的教學，使學生對知識有具體的認知，提高學生的學習興趣。“體感學習機”是一款將體感與AR技術結合在一起的學習設備，通過AR技術使體驗者能夠在現實環境中真實體驗像火災和地震等虛擬場景[5]。

　　增強現實能夠實現跟蹤注冊，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的虛擬怪物。目前，防震減災科普宣傳工作的形式缺乏趣味性、互動性和創新性，對如何利用現代科技創作出精良的科普宣傳作品研究不夠。利用增強現實技術的虛實融合、跟蹤注冊和人機交互，則能夠將枯燥乏味的地震知識、地震模型、地震觀測流程等以獨特個性的形式展示給公眾，進而激發公眾對防震減災科普知識的興趣，為公眾帶來喜聞樂見的防震減災科普宣傳作品。

　　3AR用于防震減災科普宣傳的優勢

　　我國正處于全面建成小康社會的關鍵時期[6]，做好防震減災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。科學技術的高速發展，為公眾創造了多種多樣獲取知識的途徑。傳統的閱讀書籍、聽講座等獲取知識的方式已經無法滿足公眾的需求。增強現實利用虛實融合、跟蹤注冊和人機交互三大關鍵技術，能夠為公眾提供一種新穎的獲取知識的途徑。隨著移動設備在人們生活中的普及，以及移動設備在硬件配置、處理性能等方面的不斷提高，增強現實被廣泛應用到移動設備，移動增強現實(MobileAugmentedReality,M-AR)[7]應運而生。M-AR不僅具備增強現實的虛實融合、實時交互和三維注冊的特點，而且與移動設備完美結合，能夠自由移動，帶給用戶全新的交互體驗模式。M-AR可提供移動化、個性化的服務，為公眾獲取知識提供了方便和興趣，在防震減災科普宣傳中具有很大的優勢。

　　4AR在防震減災科普宣傳中的嘗試

　　對現有的地震科普館進行調研，發現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，研究并設計一款基于移動增強現實技術的地震科普館導覽系統。

　　建筑論文投稿刊物：《城市與減災》(曾用刊名：地震地質譯叢;城市防震減災)，1998年創刊，結合城市規范建設、環境保護及城市管理等問題，宣傳黨和政府有關防災減災政策、法律和法規;介紹國內外減災技術與方法;討論、交流城市減災工作經驗和教訓，普及防災減災科學知識，提高社會公眾的減災意識，達到提高城市抵御自然災害能力的目的。

　　5結束語

　　鑒于我國的地震預報不準確的情況，全面做好防震減災科普宣傳，不斷提高公眾的地震憂患意識 
和防震減災技能，是保障國家安全穩定、社會經濟發展和人民生活幸福的基礎工作。防震減災工作如何創新宣傳方式、提高宣傳能力、打造高質量宣傳作品、豐富宣傳內涵，是今后需要努力的方向。快速發展的現代科技將如何影響未來的防震減災科普宣傳工作，為地震工作者提供了新的研究課題。將增強現實技術應用于防震減災科普宣傳是一種嘗試和創新，對切實推進新時代防震減災科普宣傳工作發展具有重要意義。

　　作者：孔令愛1，胡子超1，劉海剛2

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/jzlw/23549.html