摘  要： 傳統的紙質地圖存在信息表達單一、現勢性弱、互動性差等缺陷。通過分析移動增強現實技術與紙質地圖表達結合所涉及的關鍵技術，提出了一種紙質地圖增強表達與交互的解決方案。以福州房產信息地圖為例對該方案進行了試驗，結果表明，該方法能較好地彌補紙質地圖表達上的缺陷。
關鍵詞： 移動增強現實；紙質地圖；跟蹤注冊

　傳統的紙質地圖曾是人們表達、傳輸和研究地理信息最重要的載體。但隨著信息化的加速，網絡地圖的出現對紙質地圖形成了巨大的沖擊。網絡地圖信息容量大、更新效率高、表達形式多樣，這是紙質地圖所無法比擬的。紙質地圖存在一經出版就不可更改、信息滯后、局限于圖面的負載量不可擴展、靜態的信息呈現方式、缺乏交互和動態效果等缺陷，因此越來越難以滿足各方面讀者的需求。但紙質地圖實質感強、方便閱讀、收藏價值高等優點又決定了其存在的長期性，是無法被網絡地圖所淘汰的，在這種情況下，為增加紙質地圖的競爭力，急需一種能在紙質地圖上進行信息擴展與交互的多樣化表達方式。
　增強現實AR（Augmented Reality）技術能實現虛擬物體與真實場景相融合，借以增強人對世界的感知能力。隨著移動設備的普及，移動增強現實（Mobile Augmented Reality）成為了人機交互領域備受矚目的熱點。國內外眾多學者都對移動增強現實[1-5]進行了相關探索及應用，關鍵技術研究與不同行業應用主要集中在識別[6-10]、跟蹤注冊[11-13]和顯示交互[14-15]3方面。
　移動增強現實技術的出現為紙質地圖的多樣化表達提供了可能。本文在概述移動增強現實技術的基礎上，對增強紙質地圖所涉及的關鍵技術進行深入研究，提出了一種基于移動增強現實的紙質地圖表達與交互方案。該方案打破了傳統地圖靜態可視化的表現形式，增強人們對地理信息的多維動態感知和對現實世界的理解描述，設計實現了基于移動增強現實福州市房價信息系統，實現對紙質地圖信息的擴展與交互。
1 移動增強現實
　增強現實是將計算機產生的虛擬物體或信息與真實環境進行融合加以增強或擴充。對增強現實系統的用戶來說，增強現實在虛擬環境和真實環境之間搭起了一個橋梁，兩者互相增強或互為補充。因此，增強現實技術可以加強人們對現實世界的感知與交互能力。
　隨著移動智能設備的快速發展，移動增強現實系統的應用與研究應運而生。移動增強現實系統利用融合顯示、多傳感器和計算機視覺等技術對真實場景和事物進行擴展和增強，突破了桌面增強現實所帶來的各種限制，且在移動性、便攜性以及人機交互性等方面具有較強的優勢，因而更具實際應用前景。移動增強現實系統主要分成攝像與處理模塊、注冊定位模塊、融合渲染模塊和立體顯示模塊4個關鍵模塊，如圖1所示，它們構成了標準AR系統運行所必須包含的基本步驟。

2 紙質地圖增強表達與交互
　由移動增強現實的關鍵模塊分析可知：紙質地圖的計算機識別，增強地圖的跟蹤注冊、顯示與交互技術是影響增強紙質地圖系統性能的關鍵所在。
2.1 紙質地圖的計算機識別
　紙質地圖的計算機識別方法分為基于標記的方法和基于自然特征的方法。
2.1.1 基于標記的紙質地圖識別方法
　基于標記的識別技術需預先在紙質地圖中加入特定的人工定義標記，然后對獲取的地圖圖像進行分析，以計算攝像機位置和姿態，從而實現紙質地圖的識別。標記物通常是一些顏色對比強烈的簡單圖案。
過程1：對標記物進行識別，將標記物從紙質地圖中抽取出來的過程。采用圖像閾值分割，根據像素的灰度特性判別像素是屬于背景還是標記物，若判斷為標記物，則識別為地圖上的興趣區。
　過程2：識別出興趣區后，根據標記內部的圖形或文字與模板庫匹配，如果產生匹配，可確認該標記的ID，根據標記的ID將與位置相關的信息注冊到該興趣區中，即確定何種目標或何種虛擬物體應在此興趣區顯示。
2.1.2 基于自然特征的紙質地圖識別
　基于自然特征的紙質地圖識別技術是直接采用對紙質地圖的自然特征進行識別的方法，其基本原理與基于標記的跟蹤技術類似。區別在于自然特征方法不再設置特定人工標記，而是通過圖像分析，計算并檢測出紙質地圖中興趣區的自身幾何特征（如道路交接點、曲直性、建筑物紋理等）來替代標記，實現紙質地圖上的興趣區的識別。
　實驗對比發現，在紙質地圖上使用標記識別技術，特制的標記物不僅影響使用者的閱讀感受，而且導致排版及印刷成本的增加，降低了應用價值。此外，標記在戶外易受光照變化影響，導致識別失敗或誤識別。而自然特征識別方法直接使用紙質地圖中的特征，擺脫了放置在紙質地圖中的標記物的依賴限制，簡化了地圖預設過程，提高了交互的自然性。實驗中自然特征識別方法在某些特征失效后會自動選取興趣區中的其他特征代替，能在一定程度上緩解遮擋和光照對識別結果的不利影響。因此，基于自然特征的識別技術更適合增強紙質地圖的識別應用。
2.2 增強地圖的跟蹤注冊
　增強地圖跟蹤注冊就是實時跟蹤設備在紙質地圖上的空間位置和姿態，根據該信息計算出虛擬物體在攝像機中的坐標，實現位置相關信息與紙質地圖畫面精準匹配。跟蹤注冊技術是紙質地圖增強表達與交互中最關鍵的一步，決定增強地圖的空間一致性。增強地圖的跟蹤注冊可分為跟蹤器法和視覺法兩種。
　跟蹤器法采用跟蹤傳感器進行跟蹤注冊，常采用磁力跟蹤、光學跟蹤、慣性跟蹤、超聲跟蹤、機械跟蹤和GPS等方法進行，不同的方法應用范圍不同。
　視覺法采用計算機視覺系統（通常是攝像機）來獲取紙質地圖信息，跟蹤注冊過程也就是多個坐標之間的轉換過程。通過分析攝像機獲取的地圖圖像，結合特定算法來實時計算攝像機姿態與位置信息，即獲得攝像機坐標系和真實地圖坐標系間的映射關系；注冊是指實時獲取虛擬物體坐標系和2D成像平面坐標系間的轉換關系。增強現實系統要實現的注冊即利用坐標轉換產生控制信息來調整虛擬攝像機和真實攝像機配準來實現虛擬物體和真實環境“對準”，獲得虛擬物體坐標空間到真實地圖坐標空間的轉換關系，如圖2所示。

　對比兩種方法，跟蹤器法價格昂貴且易受外界干擾，以至于單一使用某種傳感器進行跟蹤注冊，在精度和使用范圍上難于滿足實際應用的需要。相比之下，基于計算機視覺的跟蹤注冊算法以計算機視覺理論為依據，其優勢在于性價比高且應用廣泛，能滿足一般情況下的增強現實系統跟蹤性能和注冊精度要求。
2.3 增強地圖的顯示和交互
　增強紙質地圖的顯示和交互就是將在融合渲染階段由相關地理信息轉化而來的文本標注、三維符號和視頻等虛擬物體，通過識別與跟蹤注冊，將其在真實地圖中準確定位并逼真繪制，虛實場景合并呈現在紙質地圖上并實現人機互動的過程。移動增強現實顯示方式主要有頭戴式顯示技術、空間顯示技術和手持式顯示技術，3種方式的對比如表1所示。3種方法中，手持式顯示技術以其無法比擬的移動性和便攜性優勢使其成為移動增強現實中最常用的技術，其交互方式主要有菜單、特制工具、特殊標記和觸摸屏技術等。通過直接觸摸、旋轉、移動紙質地圖，可以實現增強地圖的移動、縮放甚至分析、計算等多種人機交互功能。

　（2）找出該二值圖像中所有的興趣點，根據特定算法求出當前幀圖像對應的注冊矩陣，將該注冊矩陣與系統樣本庫中的特征圖像樣本的注冊矩陣進行匹配，如果匹配成功，則認為找到了一個興趣區。
　（3）利用該興趣區的變形來計算攝像機相對于真實紙質地圖的位置和姿態進行坐標轉換，根據得到的變換矩陣實現虛實之間的注冊信息，即位置坐標和朝向。根據注冊信息匹配興趣區和由計算機圖形系統生成的虛擬場景或物體。
　（4）利用手持顯示設備進行實時人機交互和虛實場景融合，把與位置相關的虛擬增強的符號、注記和動畫疊加渲染顯示，使觀察者浸沒在增強后的場景中。
3 移動增強現實紙質地圖應用實例
3.1 實驗準備
　設計所要增強的紙質地圖并下載高通Vuforia SDK，地圖以福州市市區為底圖，圖上標示出具有代表性房地產的地理位置；裁切出地圖上每個代表性房地產所在區域作為興趣區圖像。
3.2 實驗過程
　本文以福州市房產信息地圖為例，結合高通Vuforia增強現實平臺設計開發了Android手機上的房產信息增強現實系統。通過對比表達效果，論證能否通過以上提出的基于移動增強現實的紙質地圖表達方案改善紙質地圖表達與交互上存在的缺陷。主要實驗過程如下。
　（1）將每個代表性房產所在的興趣區圖像上傳到高通官網進行樣本訓練，返回樣本注冊矩陣信息，該信息包含了自然而然存在于這些圖像本身的特征。
　（2）主要使用到Vuforia API中基類Tracker（跟蹤器）及其子類，子類deinitTracker負責初始化識別器，子類loadTrackerData負責加載識別數據，對這兩個類進行繼承即是結合復雜的運算法追蹤偵探每一幀圖像的自然特征的過程，該過程實現對紙質地圖當前幀圖像的自然特征識別。
　（3）主要利用Renderer（渲染器）類匹配當前幀圖像自然特征與樣本矩陣信息，若匹配失敗則結束當前幀的渲染，若匹配成功后即對當前幀圖像進行跟蹤渲染，從而實現增強地圖的跟蹤注冊及顯示。
3.3 實驗分析與結論
　紙質地圖增強現實效果如圖4所示。增強后的紙質地圖無縫疊加了虛擬圖形且內嵌了可跟蹤播放的視頻。對比未經增強的紙質地圖的顯示效果明顯發現，通過增強的福州市房產地圖為用戶提供豐富的房產信息和虛擬影像服務，用戶獲得的信息量更豐富，達到了增強信息表達的目的，賦予了靜態地圖豐富的動態屬性信息，達到了對紙質地圖進行信息擴展的效果。

　本文提出的基于移動增強現實的紙質地圖表達方法給予了用戶以全新的閱讀體驗，有效地解決了紙質地圖在信息表達上單一、缺乏互動的缺陷，使紙質地圖重新煥發生機和活力，具有一定的應用和推廣價值。
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