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

　傳統(tǒng)的紙質(zhì)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(wǎng)絡(luò)地圖的出現(xiàn)對紙質(zhì)地圖形成了巨大的沖擊。網(wǎng)絡(luò)地圖信息容量大、更新效率高、表達形式多樣，這是紙質(zhì)地圖所無法比擬的。紙質(zhì)地圖存在一經(jīng)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(tài)的信息呈現(xiàn)方式、缺乏交互和動態(tài)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(zhì)地圖實質(zhì)感強、方便閱讀、收藏價值高等優(yōu)點又決定了其存在的長期性，是無法被網(wǎng)絡(luò)地圖所淘汰的，在這種情況下，為增加紙質(zhì)地圖的競爭力，急需一種能在紙質(zhì)地圖上進行信息擴展與交互的多樣化表達方式。
　增強現(xiàn)實AR（Augmented Reality）技術(shù)能實現(xiàn)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(shè)備的普及，移動增強現(xiàn)實（Mobile Augmented Reality）成為了人機交互領(lǐng)域備受矚目的熱點。國內(nèi)外眾多學(xué)者都對移動增強現(xiàn)實[1-5]進行了相關(guān)探索及應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)研究與不同行業(yè)應(yīng)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(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為紙質(zhì)地圖的多樣化表達提供了可能。本文在概述移動增強現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上，對增強紙質(zhì)地圖所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，提出了一種基于移動增強現(xiàn)實的紙質(zhì)地圖表達與交互方案。該方案打破了傳統(tǒng)地圖靜態(tài)可視化的表現(xiàn)形式，增強人們對地理信息的多維動態(tài)感知和對現(xiàn)實世界的理解描述，設(shè)計實現(xiàn)了基于移動增強現(xiàn)實福州市房價信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對紙質(zhì)地圖信息的擴展與交互。
1 移動增強現(xiàn)實
　增強現(xiàn)實是將計算機產(chǎn)生的虛擬物體或信息與真實環(huán)境進行融合加以增強或擴充。對增強現(xiàn)實系統(tǒng)的用戶來說，增強現(xiàn)實在虛擬環(huán)境和真實環(huán)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(xiàn)實技術(shù)可以加強人們對現(xiàn)實世界的感知與交互能力。
　隨著移動智能設(shè)備的快速發(fā)展，移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用與研究應(yīng)運而生。移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)利用融合顯示、多傳感器和計算機視覺等技術(shù)對真實場景和事物進行擴展和增強，突破了桌面增強現(xiàn)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(yōu)勢，因而更具實際應(yīng)用前景。移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)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(guān)鍵模塊，如圖1所示，它們構(gòu)成了標準AR系統(tǒng)運行所必須包含的基本步驟。

2 紙質(zhì)地圖增強表達與交互
　由移動增強現(xiàn)實的關(guān)鍵模塊分析可知：紙質(zhì)地圖的計算機識別，增強地圖的跟蹤注冊、顯示與交互技術(shù)是影響增強紙質(zhì)地圖系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。
2.1 紙質(zhì)地圖的計算機識別
　紙質(zhì)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(zhì)地圖識別方法
　基于標記的識別技術(shù)需預(yù)先在紙質(zhì)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(tài)，從而實現(xiàn)紙質(zhì)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(zhì)地圖中抽取出來的過程。采用圖像閾值分割，根據(jù)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(qū)。
　過程2：識別出興趣區(qū)后，根據(jù)標記內(nèi)部的圖形或文字與模板庫匹配，如果產(chǎn)生匹配，可確認該標記的ID，根據(jù)標記的ID將與位置相關(guān)的信息注冊到該興趣區(qū)中，即確定何種目標或何種虛擬物體應(yīng)在此興趣區(qū)顯示。
2.1.2 基于自然特征的紙質(zhì)地圖識別
　基于自然特征的紙質(zhì)地圖識別技術(shù)是直接采用對紙質(zhì)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(shù)類似。區(qū)別在于自然特征方法不再設(shè)置特定人工標記，而是通過圖像分析，計算并檢測出紙質(zhì)地圖中興趣區(qū)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(xiàn)紙質(zhì)地圖上的興趣區(qū)的識別。
　實驗對比發(fā)現(xiàn)，在紙質(zhì)地圖上使用標記識別技術(shù)，特制的標記物不僅影響使用者的閱讀感受，而且導(dǎo)致排版及印刷成本的增加，降低了應(yīng)用價值。此外，標記在戶外易受光照變化影響，導(dǎo)致識別失敗或誤識別。而自然特征識別方法直接使用紙質(zhì)地圖中的特征，擺脫了放置在紙質(zhì)地圖中的標記物的依賴限制，簡化了地圖預(yù)設(shè)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(qū)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(jié)果的不利影響。因此，基于自然特征的識別技術(shù)更適合增強紙質(zhì)地圖的識別應(yīng)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(shè)備在紙質(zhì)地圖上的空間位置和姿態(tài)，根據(jù)該信息計算出虛擬物體在攝像機中的坐標，實現(xiàn)位置相關(guān)信息與紙質(zhì)地圖畫面精準匹配。跟蹤注冊技術(shù)是紙質(zhì)地圖增強表達與交互中最關(guān)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(xué)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(yīng)用范圍不同。
　視覺法采用計算機視覺系統(tǒng)（通常是攝像機）來獲取紙質(zhì)地圖信息，跟蹤注冊過程也就是多個坐標之間的轉(zhuǎn)換過程。通過分析攝像機獲取的地圖圖像，結(jié)合特定算法來實時計算攝像機姿態(tài)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(guān)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(zhuǎn)換關(guān)系。增強現(xiàn)實系統(tǒng)要實現(xiàn)的注冊即利用坐標轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制信息來調(diào)整虛擬攝像機和真實攝像機配準來實現(xiàn)虛擬物體和真實環(huán)境“對準”，獲得虛擬物體坐標空間到真實地圖坐標空間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(yīng)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(jù)，其優(yōu)勢在于性價比高且應(yīng)用廣泛，能滿足一般情況下的增強現(xiàn)實系統(tǒng)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(zhì)地圖的顯示和交互就是將在融合渲染階段由相關(guān)地理信息轉(zhuǎn)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(xiàn)在紙質(zhì)地圖上并實現(xiàn)人機互動的過程。移動增強現(xiàn)實顯示方式主要有頭戴式顯示技術(shù)、空間顯示技術(shù)和手持式顯示技術(shù)，3種方式的對比如表1所示。3種方法中，手持式顯示技術(shù)以其無法比擬的移動性和便攜性優(yōu)勢使其成為移動增強現(xiàn)實中最常用的技術(shù)，其交互方式主要有菜單、特制工具、特殊標記和觸摸屏技術(shù)等。通過直接觸摸、旋轉(zhuǎn)、移動紙質(zhì)地圖，可以實現(xiàn)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(jù)特定算法求出當(dāng)前幀圖像對應(yīng)的注冊矩陣，將該注冊矩陣與系統(tǒng)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(qū)。
?。?）利用該興趣區(qū)的變形來計算攝像機相對于真實紙質(zhì)地圖的位置和姿態(tài)進行坐標轉(zhuǎn)換，根據(jù)得到的變換矩陣實現(xiàn)虛實之間的注冊信息，即位置坐標和朝向。根據(jù)注冊信息匹配興趣區(qū)和由計算機圖形系統(tǒng)生成的虛擬場景或物體。
?。?）利用手持顯示設(shè)備進行實時人機交互和虛實場景融合，把與位置相關(guān)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(xiàn)實紙質(zhì)地圖應(yīng)用實例
3.1 實驗準備
　設(shè)計所要增強的紙質(zhì)地圖并下載高通Vuforia SDK，地圖以福州市市區(qū)為底圖，圖上標示出具有代表性房地產(chǎn)的地理位置；裁切出地圖上每個代表性房地產(chǎn)所在區(qū)域作為興趣區(qū)圖像。
3.2 實驗過程
　本文以福州市房產(chǎn)信息地圖為例，結(jié)合高通Vuforia增強現(xiàn)實平臺設(shè)計開發(fā)了Android手機上的房產(chǎn)信息增強現(xiàn)實系統(tǒng)。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(xiàn)實的紙質(zhì)地圖表達方案改善紙質(zhì)地圖表達與交互上存在的缺陷。主要實驗過程如下。
?。?）將每個代表性房產(chǎn)所在的興趣區(qū)圖像上傳到高通官網(wǎng)進行樣本訓(xùn)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。
?。?）主要使用到Vuforia API中基類Tracker（跟蹤器）及其子類，子類deinitTracker負責(zé)初始化識別器，子類loadTrackerData負責(zé)加載識別數(shù)據(jù)，對這兩個類進行繼承即是結(jié)合復(fù)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(xiàn)對紙質(zhì)地圖當(dāng)前幀圖像的自然特征識別。
?。?）主要利用Renderer（渲染器）類匹配當(dāng)前幀圖像自然特征與樣本矩陣信息，若匹配失敗則結(jié)束當(dāng)前幀的渲染，若匹配成功后即對當(dāng)前幀圖像進行跟蹤渲染，從而實現(xiàn)增強地圖的跟蹤注冊及顯示。
3.3 實驗分析與結(jié)論
　紙質(zhì)地圖增強現(xiàn)實效果如圖4所示。增強后的紙質(zhì)地圖無縫疊加了虛擬圖形且內(nèi)嵌了可跟蹤播放的視頻。對比未經(jīng)增強的紙質(zhì)地圖的顯示效果明顯發(fā)現(xiàn)，通過增強的福州市房產(chǎn)地圖為用戶提供豐富的房產(chǎn)信息和虛擬影像服務(wù)，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(tài)地圖豐富的動態(tài)屬性信息，達到了對紙質(zhì)地圖進行信息擴展的效果。

　本文提出的基于移動增強現(xiàn)實的紙質(zhì)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(zhì)地圖在信息表達上單一、缺乏互動的缺陷，使紙質(zhì)地圖重新煥發(fā)生機和活力，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。
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