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摘要：針對基于標識物的增強現實設計數據不靈活、影響真實性等問題，提出一種基于圖像技術的增強現實設計方案。通過輪廓檢測技術獲取任意圖案，采用凹多邊形遞歸三角剖分算法生成虛擬模型，利用平面檢測和射線檢測獲取空間深度，實現虛擬紙片人在真實攝像場景中的注冊跟蹤，為增強現實的創新型設計提供良好的借鑒形式。
關鍵詞：圖像處理；增強現實；無標識
一、基于圖像技術的增強現實特性
1.無標識物
傳統的AR應用設計主要以平面圖像標識物或者立體模型[1]標識物作為媒介進行虛擬對象的注冊跟蹤，這種方式不僅對標識物有著唯一苛刻的要求，需要應用本身管理虛實之間一一對應的關系，而且一些標識物刻意的存在與真實環境顯得格格不入，破壞了虛實體驗的真實感。與傳統AR設計不同，圖像技術突破了基于標識物注冊跟蹤的局限性，其對攝像畫面進行圖像識別獲取真實物體的邊緣輪廓，以便提取物體圖像信息與對應的屏幕信息，使任意物體本身作為一種特殊標識物，按照自定義的規則實現進行虛實交互。
2.具有圖像深度
傳統的基于標識物的AR設計一般只需要考慮標識物在視野中的大小、方向，從而在標識物對應位置生成虛擬物體。而無標識物的AR設計會對圖像深度有著較高的要求，要以攝像機位置為原點建立三維空間坐標系，經圖像識別在特征區域生成對應的空間坐標與朝向，拍攝畫面不再只是一張普通的二維圖片，而是具有復雜圖像信息的深度網格或者空間坐標系。圖像深度使得基于特征點、特征平面[2]注冊跟蹤的AR虛擬物體在攝像機移動過程中與真實場景始終保持視覺效果一致性。
3.虛實聯動
基于圖像技術的增強現實設計要求虛擬與現實之間有更多的互動聯系，不借助外來標識物的AR設計能夠增強用戶的代入感，虛實互動沒有約束，充滿聯系，使增強現實融入生活，在裸眼AR即將到來的時代真正實現“以人為中心”的設計理念[3]。圖像技術既保證了虛實交互的穩定性，又提升了交互的自然性，讓未來的AR設計更加大膽和富有創意，應該更多的利用其虛實聯動性進行多元化且細膩的設計探索，要具有現實意義，設計可以是寓教于樂[4]的，比如給真實場景添加關聯動畫、三維模型等動靜結合的形式以吸引兒童的注意力，利用可創造性的虛實結合小游戲促進兒童動手能力，提高探索意識和創意力；設計也可以是有人文情懷的，利用虛擬引導、直觀的信息傳達等為人們的日常生活、工作帶來便捷。
二、基于圖像技術的AR紙片人設計方案
為了達到AR無標識物的理念，以寓教于樂為設計目的，利用圖像技術進行了“AR紙片人”的應用設計，總體的設計和技術流程見圖3，總共包括以下3個部分。1）圖案邊緣輪廓檢測。通過對圖像預處理降低圖像噪聲，便于采用輪廓檢測獲取圖案輪廓像素組。2）圖像深度定位。利用平面檢測與射線獲取圖案對應的空間深度，實現二維屏幕坐標到三維空間坐標的轉化。3）虛擬紙片人模型動態生成。利用輪廓信息進行基于圖案比例的模型動態生成，通過圖像空間深度進行虛擬模型的注冊跟蹤。
1.圖案邊緣輪廓檢測
AR的輪廓檢測技術是指通過一定的算法，對攝像機圖像進行像素級別的多個技術步驟處理，使圖像中的物體邊緣充分暴露出來，便于獲得物體的圖像信息和屏幕信息。由于紙張上的圖案容易受到光照、陰影、顏色等眾多因素的影響，對攝像機圖像的識別處理存在著性能與精度的瓶頸，需要提前對圖像進行預處理，首先利用OpenCVSDK對原圖像進行灰度化和高斯濾波算法處理，這能減少像素范圍并降低由于圖像噪聲造成的干擾，緩解設備的計算壓力，再利用Canny邊緣置信[5]與自適應閥值算法獲得圖像的二值化效果，從而更簡化的取得有效的圖案邊緣輪廓像素點，連接像素點獲得可視化的紅色高亮輪廓曲線供用戶參考，并進行攝像機位置的調整（見圖1）。輪廓像素點信息組還能采用隨機增量算法[6]計算輪廓最小包圍圓的中心點屏幕坐標。
2.圖像深度定位
圖像深度定位是為了定位標識物的空間深度，從而使虛擬模型的注冊跟蹤是基于三維空間坐標系的，提升交互真實感。然而對拍攝畫面特征點進行的對應空間坐標系的建立非常消耗性能和時間，并且紙張圖案的識別情景一般在桌面，地面等水平平面，出于對性能和精度的考慮，故選擇水平平面檢測的AR技術進行空間深度定位。首先，利用ARKitSDK提供的平面管理器對攝像機畫面中的水平面特征進行識別檢測，生成平面碰撞體；然后根據輪廓檢測階段獲取的輪廓最小包圍圓中心點信息，由攝像機向輪廓中心點的屏幕坐標方向發射射線，檢測射線與水平面碰撞體的碰撞點，以該碰撞點作為空間深度坐標點。
3.虛擬紙片人模型動態生成
虛擬模型的主要組成要素是網格與UV貼圖，基于紙片人的虛擬模型設計，以真實紙面圖案立體化為目標，利用Unity3D引擎先后在虛擬模型正反面貼上對應圖案，并加深模型厚度突出其立體感，主要的工作流程（見圖2）分為3個步驟：1）生成圖案輪廓對應的凹多邊形平面網格，賦予UV信息和貼圖，從而得到平面模型；2）拷貝一份平面模型分別作為虛擬紙片人的正反面；3）生成厚度模型連接正反面以得到最終的虛擬模型。首先將圖案輪廓像素點組作為網格頂點的坐標組，利用凹多邊形遞歸三角剖分的分割算法[7]將網格頂點組轉化為有順序的三角面片組，生成平面網格，然后以攝像機畫面為貼圖，設置網格的UV信息來摳取貼圖中的圖案區域，由于UV的取值范圍是0～1，因此將輪廓像素點組的屏幕坐標除以屏幕大小獲取對應比例的UV組，并賦予網格，從而得到有圖案的平面模型。對于厚度模型的制作，只需對平面網格頂點坐標組進行拷貝和平移,生成反面的網格頂點坐標組，并按順序依次對4個坐標進行矩形面片的生成，獲得厚度網格，利用相同的方式賦予厚度網格UV信息和貼圖，便可以獲得厚度模型。最后對平面模型進行拷貝，并拼接正反平面模型和厚度模型，最終在空間深度坐標點動態生成虛擬紙片人模型，在真實場景中交互的效果（見圖3）。
結論
基于標識物的AR設計不僅需要配置大量數據、圖案、虛擬模型之間的對應關系，而且標識物的存在影響了增強畫面的和諧度，不利于虛實交互的真實性。針對這個問題，提出一種基于圖像技術的無標識物AR紙片人APP設計，該設計利用輪廓檢測技術和平面檢測技術實現紙面圖案的虛擬立體化，實現了逼真的虛實互動效果，希望能以圖像技術為未來AR設計提供創新型設計思路，讓AR設計進入到人們日常生活的方方面面中。
作者：徐磊 單位：湖南工業大學
