前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的图像技术的增强现实设计探讨，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：针对基于标识物的增强现实设计数据不灵活、影响真实性等问题，提出一种基于图像技术的增强现实设计方案。通过轮廓检测技术获取任意图案，采用凹多边形递归三角剖分算法生成虚拟模型，利用平面检测和射线检测获取空间深度，实现虚拟纸片人在真实摄像场景中的注册跟踪，为增强现实的创新型设计提供良好的借鉴形式。
关键词：图像处理；增强现实；无标识
一、基于图像技术的增强现实特性
1.无标识物
传统的AR应用设计主要以平面图像标识物或者立体模型[1]标识物作为媒介进行虚拟对象的注册跟踪，这种方式不仅对标识物有着唯一苛刻的要求，需要应用本身管理虚实之间一一对应的关系，而且一些标识物刻意的存在与真实环境显得格格不入，破坏了虚实体验的真实感。与传统AR设计不同，图像技术突破了基于标识物注册跟踪的局限性，其对摄像画面进行图像识别获取真实物体的边缘轮廓，以便提取物体图像信息与对应的屏幕信息，使任意物体本身作为一种特殊标识物，按照自定义的规则实现进行虚实交互。
2.具有图像深度
传统的基于标识物的AR设计一般只需要考虑标识物在视野中的大小、方向，从而在标识物对应位置生成虚拟物体。而无标识物的AR设计会对图像深度有着较高的要求，要以摄像机位置为原点建立三维空间坐标系，经图像识别在特征区域生成对应的空间坐标与朝向，拍摄画面不再只是一张普通的二维图片，而是具有复杂图像信息的深度网格或者空间坐标系。图像深度使得基于特征点、特征平面[2]注册跟踪的AR虚拟物体在摄像机移动过程中与真实场景始终保持视觉效果一致性。
3.虚实联动
基于图像技术的增强现实设计要求虚拟与现实之间有更多的互动联系，不借助外来标识物的AR设计能够增强用户的代入感，虚实互动没有约束，充满联系，使增强现实融入生活，在裸眼AR即将到来的时代真正实现“以人为中心”的设计理念[3]。图像技术既保证了虚实交互的稳定性，又提升了交互的自然性，让未来的AR设计更加大胆和富有创意，应该更多的利用其虚实联动性进行多元化且细腻的设计探索，要具有现实意义，设计可以是寓教于乐[4]的，比如给真实场景添加关联动画、三维模型等动静结合的形式以吸引儿童的注意力，利用可创造性的虚实结合小游戏促进儿童动手能力，提高探索意识和创意力；设计也可以是有人文情怀的，利用虚拟引导、直观的信息传达等为人们的日常生活、工作带来便捷。
二、基于图像技术的AR纸片人设计方案
为了达到AR无标识物的理念，以寓教于乐为设计目的，利用图像技术进行了“AR纸片人”的应用设计，总体的设计和技术流程见图3，总共包括以下3个部分。1）图案边缘轮廓检测。通过对图像预处理降低图像噪声，便于采用轮廓检测获取图案轮廓像素组。2）图像深度定位。利用平面检测与射线获取图案对应的空间深度，实现二维屏幕坐标到三维空间坐标的转化。3）虚拟纸片人模型动态生成。利用轮廓信息进行基于图案比例的模型动态生成，通过图像空间深度进行虚拟模型的注册跟踪。
1.图案边缘轮廓检测
AR的轮廓检测技术是指通过一定的算法，对摄像机图像进行像素级别的多个技术步骤处理，使图像中的物体边缘充分暴露出来，便于获得物体的图像信息和屏幕信息。由于纸张上的图案容易受到光照、阴影、颜色等众多因素的影响，对摄像机图像的识别处理存在着性能与精度的瓶颈，需要提前对图像进行预处理，首先利用OpenCVSDK对原图像进行灰度化和高斯滤波算法处理，这能减少像素范围并降低由于图像噪声造成的干扰，缓解设备的计算压力，再利用Canny边缘置信[5]与自适应阀值算法获得图像的二值化效果，从而更简化的取得有效的图案边缘轮廓像素点，连接像素点获得可视化的红色高亮轮廓曲线供用户参考，并进行摄像机位置的调整（见图1）。轮廓像素点信息组还能采用随机增量算法[6]计算轮廓最小包围圆的中心点屏幕坐标。
2.图像深度定位
图像深度定位是为了定位标识物的空间深度，从而使虚拟模型的注册跟踪是基于三维空间坐标系的，提升交互真实感。然而对拍摄画面特征点进行的对应空间坐标系的建立非常消耗性能和时间，并且纸张图案的识别情景一般在桌面，地面等水平平面，出于对性能和精度的考虑，故选择水平平面检测的AR技术进行空间深度定位。首先，利用ARKitSDK提供的平面管理器对摄像机画面中的水平面特征进行识别检测，生成平面碰撞体；然后根据轮廓检测阶段获取的轮廓最小包围圆中心点信息，由摄像机向轮廓中心点的屏幕坐标方向发射射线，检测射线与水平面碰撞体的碰撞点，以该碰撞点作为空间深度坐标点。
3.虚拟纸片人模型动态生成
虚拟模型的主要组成要素是网格与UV贴图，基于纸片人的虚拟模型设计，以真实纸面图案立体化为目标，利用Unity3D引擎先后在虚拟模型正反面贴上对应图案，并加深模型厚度突出其立体感，主要的工作流程（见图2）分为3个步骤：1）生成图案轮廓对应的凹多边形平面网格，赋予UV信息和贴图，从而得到平面模型；2）拷贝一份平面模型分别作为虚拟纸片人的正反面；3）生成厚度模型连接正反面以得到最终的虚拟模型。首先将图案轮廓像素点组作为网格顶点的坐标组，利用凹多边形递归三角剖分的分割算法[7]将网格顶点组转化为有顺序的三角面片组，生成平面网格，然后以摄像机画面为贴图，设置网格的UV信息来抠取贴图中的图案区域，由于UV的取值范围是0～1，因此将轮廓像素点组的屏幕坐标除以屏幕大小获取对应比例的UV组，并赋予网格，从而得到有图案的平面模型。对于厚度模型的制作，只需对平面网格顶点坐标组进行拷贝和平移,生成反面的网格顶点坐标组，并按顺序依次对4个坐标进行矩形面片的生成，获得厚度网格，利用相同的方式赋予厚度网格UV信息和贴图，便可以获得厚度模型。最后对平面模型进行拷贝，并拼接正反平面模型和厚度模型，最终在空间深度坐标点动态生成虚拟纸片人模型，在真实场景中交互的效果（见图3）。
结论
基于标识物的AR设计不仅需要配置大量数据、图案、虚拟模型之间的对应关系，而且标识物的存在影响了增强画面的和谐度，不利于虚实交互的真实性。针对这个问题，提出一种基于图像技术的无标识物AR纸片人APP设计，该设计利用轮廓检测技术和平面检测技术实现纸面图案的虚拟立体化，实现了逼真的虚实互动效果，希望能以图像技术为未来AR设计提供创新型设计思路，让AR设计进入到人们日常生活的方方面面中。
作者：徐磊 单位：湖南工业大学
