論文1001-05482010s1-0013-14_h

1、第 39 卷 增 刊2010年4月 電 子 科 技 大 學 學 報 Journal of University of Electronic Science and Technology of ChinaVol.39 Suppl. Apr. 2010增強現(xiàn)實技術在智能手機上的應用陳 靖，王涌天，郭俊偉，(北京理工大學光電學院 北京 海淀區(qū) 100081)【摘要】智能手機技術的快速發(fā)展為增強現(xiàn)實技術脫離體積龐大的PC機、頭盔顯示器等設備的限制，向戶外和無線化發(fā)展成為可能，并由此推動了智能手機增強現(xiàn)實技術的產(chǎn)生。該文系統(tǒng)地闡述了該領域的最新研究進展，針對智能手機增強現(xiàn) 實技術發(fā)展所要解決的問題進行了

2、深入的分析和探討，并展望該技術所面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展前景。 關 鍵 詞 增強現(xiàn)實;中圖分類號 TP391移動增強現(xiàn)實; 智能手機; 跟蹤定位 文獻標識碼 Adoi:10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.020Augmented Reality Technology Applied on Mobile Phone Platform刪除的內(nèi)容: Mobile Phone刪除的內(nèi)容: (請給出與中文名稱對應的英文名稱)CHEN Jing , WANG Yong-tian, GUO Jun-wei, and LIU Wei (School of Optoelectroni

3、cs, Beijing titute of Technology Haidian Beijing 100081)刪除的內(nèi)容: , and LINJing-dunAbstract The mobile phone provides a perfect interface platform which can make augmented reality system extricate itself from the heavily and awkward personal computer and head-mounted display devices and bring augmented

4、 reality (AR) to the outdoor and wireless application fields. In this paper, the newly research progress is introduced in detail. Meanwhile the key technical problems, technical challenging and the future research work are also analyzed.Key words augmented reality; mobile AR; mobile phone; registrat

5、ion增強現(xiàn)實系統(tǒng)BARS2 以及南澳洲大學開發(fā)的 “Tinmith”3是移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)的早期典型代表。 增強現(xiàn)實(AR)是在虛擬現(xiàn)實技術基礎上發(fā)展起來的一種新興計算機應用和人機交互技術。該技術在教學培訓、古跡數(shù)字重現(xiàn)、醫(yī)療研究與解剖訓練、精密儀器制造與維修、遠程機器人控制、軍事和娛樂等領域有著廣泛和深遠的應用前景。早期的AR系統(tǒng)均采用桌面計算機或工作站作為系統(tǒng)運行平臺， 采刪除的內(nèi)容: 前該類系統(tǒng)體積龐大笨重、造價高昂、存在安全隱患、不易長期攜帶及維護，對用戶的實際使用帶來諸多不 便。 小型手持式移動設備(如掌上電腦PDA、智能手機)的興起，為移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展提供了嶄新 的技術途徑。

6、目前大多數(shù)的主流手持移動設備都內(nèi) 用式頭盔顯示器作為融合顯示設備?；谠?刪除的內(nèi)容: 此期構架的AR系統(tǒng)限制了用戶的運動范圍，無法應用 刪除的內(nèi)容: 使其于戶外環(huán)境。隨著移動計算設備和網(wǎng)絡技術的急速置了百萬像素以上的攝像頭，并集成了如紅外通信發(fā)展，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)設備上的研究和應用也日益廣泛，針對移動增強現(xiàn)通信網(wǎng)絡設備。在一些高端的移動設備中，還內(nèi)置刪除的內(nèi)容: 同時了與通信基站協(xié)同工作的GPS定位設備。選擇小型 手持移動設備作為增強現(xiàn)實技術的新載體，將其與 實系統(tǒng)的研究和應用也應運而生。 早期的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)要求用戶隨身佩戴便刪除的內(nèi)容: 。攜互設備以及各種跟蹤定位裝置，如GPS、電子羅

7、盤等。美國哥倫比亞大學研制的戶外AR系統(tǒng)“The積龐大的PC機或工作站、攝像設備、頭盔顯示器等的限制，實現(xiàn)圖像采集、計算與顯示的整合，在移 動性、便攜性以及人機交互性方面具有較強的優(yōu)勢。 刪除的內(nèi)容: 國家863計劃(2007AA01Z325)刪除的內(nèi)容: 83Touring Machine”1、美國研究中心研制的戰(zhàn)場 刪除的內(nèi)容: 男收稿日期： 2009 - 11 - 15基金項目：國家863計劃(2007AA01Z325)；國家自然科學基金 (60903070、60673198、60827003)；教育部和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT0606)作者簡介：陳 靖(1974 - )，女 副研究員，

8、主要從事虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實、計算機視覺方面的研究 刪除的內(nèi)容: 前期 計算機、電源、頭盔顯示器、攝像機、人機交增強現(xiàn)實技術相結合，能夠使增強現(xiàn)實系統(tǒng)脫離體 刪除的內(nèi)容: 機 技術在網(wǎng)絡和各種移動接口、藍牙無線接口以及無線局域網(wǎng)卡等高速無線 刪除的內(nèi)容: ，林精敦 增 刊 陳 靖 等: 增強現(xiàn)實技術在智能手機上的應用 81將智能手機作為AR技術的開發(fā)應用平臺，已成為新一代AR技術的必然趨勢。 1mobile phone-AR技術的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 主體結構框架AR技術的開發(fā)和應用一直都是以PC機或工作站作為系統(tǒng)運行平臺，其主要原因在于PC機、工作站所擁有的強大計算能力及圖形顯示能力。而早期 目前，

9、諾基亞公司、西門子公司、索尼公司、的智能手機處理能力和存儲空間都較為有限，無法 刪除的內(nèi)容: 包括德國的lunatic公司、IBM公司，以及美國、英國、日本、德國、奧地利、瑞典、新西蘭、澳大利亞等國的大學及研究機構都在從事mobile phone-AR技術的研究工作。 文獻4開發(fā)的“Batportal”系統(tǒng)，采用超聲波 處理在PC上運行的跟蹤算法，也無法進行后續(xù)的虛實融合效果顯示。因此，早期的以及后來的一些mobile phone-AR系統(tǒng)采用的是客戶端-服務器(C/S)架構方式10-12，如圖1所示。 刪除的內(nèi)容: 4跟蹤設備定位PDA，以及用戶的位置和方位信息， 實現(xiàn)2D與3D信息的可視化

10、顯示，為增強現(xiàn)實技術在PDA上的應用提供了前期探索，并證明了其可行性。文獻5開發(fā)了首款基于商用PDA且能夠在PDA的內(nèi)部處理器上獨立運行的增強現(xiàn)實系統(tǒng)?！癐nvisible train”是該系統(tǒng)在由多人參與的AR交互游戲方面的典型應用6。文獻7開發(fā)了面對面的基于手機的雙人協(xié)作AR應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于標識的跟蹤定位技術，利用藍牙技術進行P2P的數(shù)據(jù)通信，用戶通過手中的手機控制虛擬的乒乓球。 基于人工標識的跟蹤定位方法受環(huán)境光照、遮 場景強 客戶端 服務器 圖1 客戶端-服務器系統(tǒng)結構圖 該架構的特點是手機只作為圖像獲取和顯示設備，所有的視覺處理算法都由遠程服務器完成，二者間通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)

11、據(jù)通信。早在2003年，西門子的AR-Phone項目就采用該架構構建了 刪除的內(nèi)容: 但基于智能手機平臺的AR應用系統(tǒng)10。該系統(tǒng)通過藍 擋的影響，無法應用于人工不可控的戶外場景。為使手持式增強現(xiàn)實系統(tǒng)能夠應用于環(huán)境復雜且無法被人工干擾的場合，需采用更加智能的跟蹤定位方式。自2007年起，研究人員開始將基于自然特征的 跟蹤算法移植或應用于智能手機的研究工作，SURF牙技術將手機所拍攝的圖片上傳至PC機服務器，由服務器處理姿態(tài)估計算法，并將虛實融合的場景圖像發(fā)送回手機客戶端進行效果顯示。受限于手機視頻處理的功能，系統(tǒng)處理的時間較長，圖片上傳至 最后顯示需要216 s。 刪除的內(nèi)容: 。以其較常用

12、的魯棒特征提取算法被應用于智能手機中8。對SUFR算法進行改進，降低了算法所需的存儲空間，實現(xiàn)了其在智能手機上的應用。文獻9提出了一種在智能手機上跟蹤并識別自然特征的算法，并成功應用于基于Symbian 系統(tǒng)的Nokia隨著手機芯片處理速度的提高，研究人員開始 采用客戶端與服務器分別承擔計算處理任務的方式。文獻11的系統(tǒng)將渲染和顯示部分的處理移植到手機中。文獻12的系統(tǒng)通過識別用戶觀察到的目標對目標進行增強，服務器進行目標的初始識別，然 N95手 到10 幀/s左右的處理速度。 2mobilephone-AR技術的核心問題將AR技術應用于移動設備終端，會受到移動設備處理器、內(nèi)存等硬件的約束。目

13、前手機芯片在處 后將初始識別結果傳至客戶端，在客戶端實現(xiàn)目標 的精確識別和渲染顯示?；贑/S結構的系統(tǒng)，作為傳刪除的內(nèi)容: 上統(tǒng)AR技術向智能手機平臺的初始過渡，仍然沒有脫離PC機。系統(tǒng)的局限性在于目前的無線網(wǎng)絡傳輸無法滿足系統(tǒng)實時性能的要求，且傳輸時間隨著用 戶移動范圍的擴大而增大，限制了系統(tǒng)的進一步 刪除的內(nèi)容: 問題理速度、存儲容量以及色彩顯示等方面仍無法與計發(fā)展。算機相比擬。將AR技術應用于手機，就需要綜合考近年，研究人員開始著手研究能夠使AR技術完 刪除的內(nèi)容: 其上全擺脫PC機獨立運行于手機上的各種處理方法，并 取得了一定的進展。如Mark小組將ARToolKit技術進 慮采用何

14、種系統(tǒng)主體結構框架、如何實現(xiàn)快速高效 的跟蹤定位算法、如何實現(xiàn)大場景范圍下的多目標 刪除的內(nèi)容: 和行改進并完全移植至Symbian手機操作系統(tǒng)中獨立運行13。 識別與跟蹤、如何利用手機與環(huán)境進行交互等方面的問題。 刪除的內(nèi)容: ， 場景無線網(wǎng)絡 刪除的內(nèi)容: ； 刪除的內(nèi)容: 是因為 82電 子 科 技 大 學 學 報第 39 卷2.2 基于智能手機平臺的AR跟蹤定位算法針對AR跟蹤定位算法的研究已開展多年，形成了相對成熟的算法和框架。但是將AR技術移植到智能手機平立運行的研究工作才剛起步。目前， 將常用的AR跟蹤定位算法移植到智能手機平臺是實現(xiàn)mobile phone-AR技術的主要途徑。

15、基于人工標識算法移植 ，文獻 5 將 ARToolKit 軟件包移植 至Window CE平臺，首次實現(xiàn)了能夠完全獨立運行于移動設備的AR應用系統(tǒng)，如圖2a所示。文獻7將ARToolKit移植至Nokia手機的Symbian操作系統(tǒng)，并成功開發(fā)出交互式乒乓球游戲系統(tǒng)，如圖2b所示。 a 諾基亞6680款手機 b 跟蹤設備 圖3 諾基亞6680款手機及其跟蹤設備a 獨立運行于移動設備的AR應用系統(tǒng) a 玩家放置RFID b 交互式乒乓球游戲系統(tǒng) 圖2 基于人工標志物的智能手機AR系統(tǒng) 為解決基于視覺的跟蹤定位算法的魯棒性以及穩(wěn)定性問題。目前也有研究人員利用硬件跟蹤定位設備進行AR跟蹤定位。MAR

16、A是由Nokia公司開發(fā)的城市導游系統(tǒng)14，它利用諾基亞6680款手機作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)的運行平臺，采用加速計、傾角儀以及GPS實現(xiàn)手機的絕對姿態(tài)跟蹤定位，并通過藍牙無線接口向手機發(fā)送測量數(shù)據(jù)信息，如圖3所示。 文獻15中的PAC-LAN是一個多人城市游戲系統(tǒng)，用戶的空間位置由RFID技術定位。在游戲進行b 城市游戲線路圖 圖4 使用RFID進行空間定位的PAC-LAN城市游戲系統(tǒng) 配備RFID發(fā)射器的智能手機在市場上還不多 刪除的內(nèi)容: 是的真實環(huán)境中布置多個RFID接受器，再在每個用戶 見，但藍牙技術已成為智能手機中的必備技術。因刪除的內(nèi)容: 的 的智能手機中安裝一個RFID發(fā)射器，即可確定

17、用戶此，采用藍牙定位也成為一些系統(tǒng)的選擇。文獻16刪除的內(nèi)容: 工具 的空間位置。圖4a為一個玩家在城市的一個角落放構建了一個博物館導覽系統(tǒng)，該系統(tǒng)在博物館內(nèi)均勻布置藍牙發(fā)射器，每個藍牙發(fā)射器的有效覆蓋范圍可至一些特定展品。當用戶接近某一展品時，用 戶手持的手機將接收到發(fā)射器發(fā)送的藍牙信號，并 置RFID；圖4b為整個游戲的路線圖。與GPS刪除的內(nèi)容: 有 不同，RFID不受地形和高大建筑物遮擋的影響，可 以在環(huán)境中布置多臺發(fā)射設備。 刪除的內(nèi)容: 方面 刪除的內(nèi)容: 到 增 刊 陳 靖 等: 增強現(xiàn)實技術在智能手機上的應用 83由此估計用戶的當前位置信息，如圖5所示。 過比較圖像相似度達到識

18、別物體的目的。文獻19 對系統(tǒng)中的物體識別算法進行較大改進，使用SIFT 特征進行物體識別，得到了更高的識別率。文獻16 采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法對所拍攝的博物館展品進行識別。文獻20利用手機平臺對SURF算法進行改進， 采用模式識別的方法識別校園內(nèi)的建筑物，并進行 信息注解。 2.4 交互式AR系統(tǒng)目前的智能手機AR系統(tǒng)多為單用戶-單設備工作模式。系統(tǒng)中，用戶與其周圍真實環(huán)境間不存在任何交流，更不存在多用戶間的協(xié)作交互。而手機的主要用途之一是實現(xiàn)多用戶間的信息交流與共享。因此，近幾年研究人員著手開發(fā)基于多人交互、用戶與環(huán)境交互的智能手機AR系統(tǒng)。該交互系統(tǒng)除了要解決mobile phone-AR系統(tǒng)

19、需要解決的基本問題之外，還要解決交互對象之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信問 題。目前有很多技術可以用作通信媒體，如藍牙技術WLAN(無線局域網(wǎng)絡)和GPRS等。AR Tennis系統(tǒng)8 是第一個交互式AR系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩部諾基亞手機、ARToolKit標志點、一個木桌及兩位用戶。 如用戶可以進行簡單的打網(wǎng)球游戲，當網(wǎng)球與球拍 接觸時手機就會震動，提示用戶擊球成功。系統(tǒng)使用藍牙技術傳輸多用戶間的位置和姿態(tài)信息。文獻11的系統(tǒng)允許用戶實現(xiàn)較簡單的工件裝配任務，整個裝配過程通過服務器協(xié)助控制，所用的通信方式 為WLAN。 2.5 數(shù)據(jù)通信和傳輸無論是基于C/S式的系統(tǒng)還是完全由智能手機獨立運行的多用戶系統(tǒng)，都

20、要進行數(shù)據(jù)的無線通信 和傳輸。在C/S模式的系統(tǒng)中，客戶端和服務器間的數(shù)據(jù)傳輸需通過GPRS、GSM、Wi-Fi或3G網(wǎng)絡完成。對傳輸網(wǎng)絡的選擇首先要考慮用戶所處的應用環(huán)境支持何種網(wǎng)絡；其次要考慮網(wǎng)絡的通暢性、帶寬、傳輸速度以及傳輸距離等因素。3G網(wǎng)絡屬于最新的網(wǎng)絡類型，具有帶寬和傳輸速度優(yōu)勢，但目前只有部分智能手機支持該網(wǎng)絡。GPRS和GSM較為常用， 但在帶寬和傳輸速度方面無法與3G網(wǎng)絡相比。使用藍牙技術雖然傳輸速度較慢，但由于大多數(shù)手機都支持該技術，因此使用較為廣泛。Wi-Fi技術與藍牙 圖5 使用藍牙RFID進行空間定位的博物館導覽系統(tǒng) 此外，文獻17構建了LightSense系統(tǒng)，可

21、利用固定在智能手機背面的LED燈及環(huán)境中的燈光傳感器跟蹤手機的空間位置。在該系統(tǒng)中，用戶面對的是固定在玻璃板上的可以透射的平面地圖或者地鐵路線圖，玻璃板的后面是燈光傳感器或定位攝像機。當用戶持手機對著地圖表面移動時，定位攝像頭通過分析所拍攝圖像的灰度變化區(qū)域判斷手機所在的位置，如圖6a所示，并通過藍牙技術將與該位置和姿態(tài)所對應的虛擬信息傳給手機進行顯示，如圖6b所示。 刪除的內(nèi)容: 需刪除的內(nèi)容: 且a 系統(tǒng)工作示意圖 刪除的內(nèi)容: 需b 用戶操作結果圖 圖6 使用LED燈和ArtoolKit標志點進行空間定位的桌面投影增強現(xiàn)實系統(tǒng) 2.3 大場景范圍的多目標識別當mobile phone-A

22、R被用于大范圍環(huán)境(或場景)進行跟蹤和增強時，系統(tǒng)不需要隨時跟蹤手機的三 刪除的內(nèi)容: 的維位置，而只需識別出當前場景中的目標應的虛擬信息疊加顯示在圖像中即可。因此識別以及圖像檢索技術是必不可少的。文獻由GPS初步確定用戶的空間位置，由服務器在數(shù)據(jù) 庫中找出與該位置相關的幾個待識別物體，然后通 理時間因網(wǎng)絡傳輸而增長，這也是最終要實現(xiàn)智能手機獨立于服務器的一個主要原因。 ，并將相技術一樣，也屬于短距離傳輸技術，其無線電波覆 ，目標蓋范圍廣，但通信質量不盡如人意。當然，無論采 刪除的內(nèi)容: 有時 刪除的內(nèi)容: 時 18中， 用何種無線網(wǎng)絡通信，都將不可避免地造成系統(tǒng)處 刪除的內(nèi)容: 功能 84電

23、 子 科 技 大 學 學 報第 39 卷3挑戰(zhàn)與展望雖然目前智能手機AR技術的發(fā)展已可實現(xiàn)簡單的增強現(xiàn)實應用。但與PC工作平臺相比，還面臨著諸多的技術挑戰(zhàn)，如較低的圖像分辨率和圖形處 理能力，有限的屏幕尺寸和存儲空間，缺少浮點運 the Fourth IEEE and ACMinternational Symposium onMixed and Augmented Reality. S.l.: s.n., 2005: 80-89.8 CHEN W C, XIONG Y, GAO J Efficient extraction of robust image features on mobile

24、devices C/Int Symp on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 07). New York, USA: ACM, 2007.9 WAGNER D, REITMAYR G, MULLONI A, et al Pose tracking from natural features on mobile phonesC/7th IEEE/ACM International Symposium on Mixed and算單元(FPU)，以及使用低端處理器等，都成為該技 術普及和實用化的障礙，使未來短時間內(nèi)，智能手機的性能還無法與PC機抗衡。雖然可以選擇C

25、/S構架分擔部分計算負載，但無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r、較窄的帶寬都使該技術還無法達到完全的實時處理能力。智能手機在硬件發(fā)展上的滯后使得PC上運行的算法無法被有效移植， 進一步拉大了mobile phone-AR技術與傳統(tǒng)AR技術在發(fā)展速度上的差距。另外，智能手機對于電池的依賴也是影響此類系統(tǒng)發(fā)展的一個重要因素。 但是，隨著移動終端技術的不斷發(fā)展和完善， 制約AR技術移植至手機平臺的種種約束必將成為過去。手機作為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，將發(fā)揮其 更大的技術優(yōu)勢和作用。而將AR技術與移動終端相結合也必將開啟AR領域的一個嶄新研究方向。 Augmented Reality. Washington, US

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31、upport large-scale museum guidanceJ. Multimedia, IEEE, 2007, 14(2): 16-25.17 OLWAL A. Lightsense: enabling spatially aware handheld刪除的內(nèi)容:刪除的內(nèi)容: (ISMAR 2006)ISMAR 06interactiondevicesC/IEEE/ACM Symposium on Mixed and Augmented Barbara, CA: ACM, 2006.International Reality. SantaIstanbul, Turkey: s.n.,

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35、ings of18 FRITZ G, SEIFERT C, PALETTAL L, et al. Mobile vision for tourist information systems in urban environments C/International Conference on Mobile Learning. Rome, Italy: s.n., 2004.19 FRITZ G, SEIFERT C, PALETTAL L, et al A mobile vision system for urban detection with informative local descriptorsC/The Fourth IEEE International Conference on Computer Vision Systems, IEEE Computer Society. Washington, USA: IEEE, 2006.20 TAKACS G, CHANDRASEKHAR V, GEL