基于QR 碼的智能手機增強現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計

陳先宇

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

近年來，有大量關(guān)于增強現(xiàn)實技術(shù)的研究，并且將該技術(shù)應(yīng)用于各種設(shè)備上的開發(fā)，如頭戴式顯示器、智能手機、專用的嵌入式設(shè)備等。［1－3］增強現(xiàn)實技術(shù)可以用來探索周邊環(huán)境、游戲或者導(dǎo)航。［4］無論何種目的，開發(fā)者的目標(biāo)都是提供一個豐富的體驗，盡可能地接近于真實，但對于設(shè)備的資源來說承受很大壓力。通常情況下，這些設(shè)備尺寸小、重量輕、易攜帶。因為智能手機是上述設(shè)備中能力最強的，也是最常用的，所以將智能手機作為應(yīng)用開發(fā)的載體。

研究更吸引人和內(nèi)容更豐富的推送信息給智能手機用戶的新方式，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的信息版面。一個帶有攝像頭的智能手機可以帶用戶進入一個虛擬世界，例如，在一個博物館里，一張簡單的地圖可以疊加上一個描繪部隊行動的動畫，而圖片海報可以疊加上短視頻。

將QR 碼作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)的初始研究標(biāo)志，是因為它在不同的移動平臺上有相關(guān)的實現(xiàn)。［5］QR碼提供兩個重要特征:

(1)存儲壓縮信息，容量足夠大，可以實現(xiàn)一個客戶端－服務(wù)器系統(tǒng)來獲取信息;

(2)提供簡單的檢測平面的手段，即通過其邊角來進行定位。

以Android 系統(tǒng)為例，提出一個基于QR 碼的智能手機增強現(xiàn)實系統(tǒng)，它讓用戶可以在室外和室內(nèi)使用增強現(xiàn)實技術(shù)，也可以顯示不同類型的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的基本要求就是在特殊的標(biāo)志上面覆蓋圖片、動畫或影片。例如當(dāng)人們游覽一個博物館時，可以通過智能手機拍攝標(biāo)志，利用增強現(xiàn)實技術(shù)展示更吸引人、內(nèi)容更豐富的信息，豐富人們的感受。

系統(tǒng)使用QR 碼作為標(biāo)志來實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)，因為QR 碼有如下優(yōu)點:包含可以用來定義內(nèi)容的數(shù)據(jù)、包含關(guān)于標(biāo)志物理位置的數(shù)據(jù)。但是，QR 碼也存在如下缺點:識別速度慢，有效識別的角度有限等。［5］不過，一般情況下，用戶使用手機拍攝QR 碼時，不會與QR 碼保持太大的角度，因此有效識別角度有限這一缺點可以不予考慮。而QR 碼識別速度慢，但在現(xiàn)實應(yīng)用場景中，不要求用戶與虛擬信息進行實時互動，所以識別速度慢的缺點也可以接受，而且在識別完當(dāng)前幀的QR 碼，會沿用上一幀的增強現(xiàn)實內(nèi)容，不會中斷顯示，對用戶來說顯示的內(nèi)容是連續(xù)的。

系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示，由一個客戶端和一個服務(wù)器組成，服務(wù)器的工作是存儲內(nèi)容、響應(yīng)客戶端下載內(nèi)容的請求和管理數(shù)據(jù)庫存在的內(nèi)容;客戶端接收內(nèi)容并將其在智能手機上顯示出來;服務(wù)器和客戶端間采用一定的通信協(xié)議進行信息和數(shù)據(jù)交換。

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)架構(gòu)

客戶端應(yīng)用周期運行如圖2 所示，那些步驟代表順序執(zhí)行的操作。

圖2 客戶端運行周期

服務(wù)器的架構(gòu)則十分簡單，它包含一系列響應(yīng)客戶端請求的Java servlet 和足夠存儲所有內(nèi)容的空間。另外，使用一個Web 管理模塊，負責(zé)內(nèi)容的增加、刪除或修改。系統(tǒng)使用Google 公司提供云計算平臺——Google App Engine，作為集成的存儲系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了加快實際內(nèi)容的展示，充分利用設(shè)備的處理能力，設(shè)計了一系列模塊，模塊彼此之間獨立運行。另外，為了確保內(nèi)容顯示模塊不會被其他進程拖慢速度，使用管道編程模型。每個模塊讀取輸入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，處理之后將數(shù)據(jù)寫入另一個緩存區(qū)給另一個模塊使用。例如，當(dāng)內(nèi)容下載模塊必須連接服務(wù)器并獲取內(nèi)容時，其他模塊不需要等待，而是保持運行狀態(tài)，處理它們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)。

(1)模塊和線程

系統(tǒng)將運行過程整合成幾個獨立的模塊，這些模塊可以通過獨立的線程并行運行。這樣一來，可以盡可能快地將需要顯示的內(nèi)容顯示在屏幕上。

系統(tǒng)的模塊如下:

(a)圖像獲取模塊:初始化攝像頭，獲取每一幀圖像;

(b)QR 碼識別模塊:搜索圖像幀中的QR碼，并將其解碼;

(c)平面檢測模塊:使用QR 碼的四個定位點，計算透視變換矩陣;

(d)內(nèi)容獲取模塊:搜索設(shè)備內(nèi)存，獲取相應(yīng)內(nèi)容，搜索不到則連接服務(wù)器下載;

(e)內(nèi)容變換模塊:將需要顯示的內(nèi)容按照(c)模塊得出的透視變換矩陣進行透視變換;

(f)內(nèi)容顯示模塊:將正確的增強現(xiàn)實效果，即(e)模塊變換后的內(nèi)容呈現(xiàn)在獲取的視頻幀上。

如圖2 所示，內(nèi)容變換模塊和內(nèi)容顯示模塊作為一個步驟，只要內(nèi)容變換模塊不提供新的輸出，內(nèi)容顯示模塊將一直呈現(xiàn)同一個圖像，這樣可以減小QR 碼識別速度慢的問題對顯示的影響。

圖3 為所有模塊的分層結(jié)構(gòu)，更好地解釋數(shù)據(jù)的獨立性和所有模塊處理一組數(shù)據(jù)的順序。圖4 為應(yīng)用于之前定義的模塊中的管道編程模型，相鄰兩個模塊之間設(shè)置一個緩存區(qū)，供兩者交換數(shù)據(jù)，前者將其作為輸出地址，后者將其作為輸入源，采用管道編程模型后。

圖3 系統(tǒng)模塊的分層結(jié)構(gòu)

圖4 模塊間的管道編程模型

(2)內(nèi)容高速緩存機制

客戶端應(yīng)用程序?qū)⑺幸严螺d的內(nèi)容存儲到本地設(shè)備中，以便這些內(nèi)容可以再次載入顯示，并且不需再次連接服務(wù)器去獲取。

當(dāng)客戶端解碼QR 碼后，獲取了內(nèi)容ID，應(yīng)用程序檢查這些內(nèi)容是否在本地可以找到。為了實現(xiàn)這一功能，設(shè)計了一個固定的文件夾格式，將所有內(nèi)容存儲路徑設(shè)置為:/sdcard/ARinfo/ ［ContentID］，其中［ContentID］為內(nèi)容ID。如果某個內(nèi)容文件沒有被找到，那么應(yīng)用程序?qū)l(fā)送請求給服務(wù)器，下載相應(yīng)內(nèi)容。

本系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容高速緩存的原因是從內(nèi)存中載入內(nèi)容比從服務(wù)器下載快得多。就圖像或動畫來說，處理過程幾乎是實時的;但視頻的載入需要更多的時間，獲取視頻文件所需的緩存機制也需要高速緩存，當(dāng)整個視頻文件過大時，是無法完全載入到內(nèi)存中的。如果沒有高速緩存，就無法快速加載視頻，實現(xiàn)不了實時視頻流。

(3)內(nèi)容存儲

永久的內(nèi)容存儲在服務(wù)器上實現(xiàn)，系統(tǒng)使用Google App Engine API 提供的Datastore 和Blobstore。Blobstore 用來存儲實際內(nèi)容文件和它的索引;而所有其他元數(shù)據(jù)(如內(nèi)容ID)則存儲在Datastore。服務(wù)器的接口允許管理員輕松地通過客戶端添加內(nèi)容。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)使用兩個Java 庫確保應(yīng)用運行得正確而快速:Open CV 和Zxing，Open CV 用來檢測平面，Zxing 用來讀取二維碼，客戶端執(zhí)行程序的偽代碼如下:

while (app 在前臺){

從攝像機緩存中復(fù)制視頻幀

使用Zxing 尋找視頻幀中的QR 碼if (QR 碼存在){

解碼服務(wù)器地址

解碼內(nèi)容ID

保存QR 碼的定位角信息

}

else

continue

if (內(nèi)容在內(nèi)部存儲器)

將內(nèi)容載入內(nèi)存

else {

從服務(wù)器下載內(nèi)容

將內(nèi)容載入內(nèi)存

}

使用QR 碼定位角信息檢測平面

將內(nèi)容進行相應(yīng)的透視變換

顯示變換后的內(nèi)容

}

對于無聲動畫，本系統(tǒng)采用GIF 格式，將圖像幀與主執(zhí)行線程同步。因為不需要所有幀都被處理或者顯示，所以加快了處理速度。

對于音頻/視頻材料，本系統(tǒng)獲取視頻源的單個幀后，與音頻源同步，但是這樣一來，處理速度大大下降，以致圖像最終顯示中斷。為了顯示這些視頻，ffmpeg 庫的移植是必要的。本文使用Android Native Development Kit (原生開發(fā)工具包，簡稱NDK)對ffmpeg 庫進行編譯，以便它可以在本文的Java 應(yīng)用程序使用。庫內(nèi)的C 代碼可以很容易地通過Java Native Interface (Java 本機接口，簡稱JNI)從Java 中調(diào)用。這個庫主要用于在特定的時間戳從視頻文件中提取單個幀。視頻文件的音頻流的渲染使用Android－specific MediaPlayer (針對Android 的媒體播放器)，音頻通過使用相同的時間戳與視頻同步。

應(yīng)用程序的內(nèi)容類提供對所有可以顯示的文件類型的統(tǒng)一訪問。因此，無論處理一幅圖像、一個動畫或一段影片，都確保內(nèi)容變換模塊使用正確的圖像。對于視頻或動畫，主執(zhí)行線程負責(zé)調(diào)用nextFrame ()方法，發(fā)送信號到需要一個新圖象的內(nèi)容類。

用戶界面包括兩個activities:

(1)Main Activity

Main Activity 用來顯示攝像頭拍攝到的畫面，同時疊加上相應(yīng)的虛擬圖像。從操作系統(tǒng)而來的重要信息，如事件(當(dāng)應(yīng)用程序退到后臺或提到前臺)，也在這接收。當(dāng)應(yīng)用程序啟動或者提到前臺時，重要的操作被執(zhí)行，如啟動工作線程或獲取接入和初始化攝像頭。

(2)Settings Activity

Settings Activity 負責(zé)顯示配置選項。用戶可以選擇顯示內(nèi)容的語言，攝像頭分辨率，也可以選擇打開調(diào)試信息。這個activity 可以通過按下Settings按鈕來接入，允許用戶在較低性能的設(shè)備上降低分辨率，以提高內(nèi)容顯示的速度。

由于應(yīng)用程序依賴攝像頭提供的圖像，所以無法在沒有攝像頭的設(shè)備上運行。應(yīng)用程序最重要的一個方面是操作系統(tǒng)執(zhí)行的方式，來確保攝像頭提供的預(yù)覽不受影響或延誤，在Android 操作系統(tǒng)中使用線程要遵循兩個重要的規(guī)則:

(1)管理用戶界面的主線程不允許因為長操作(long operations)而停滯。如果發(fā)生這樣的事情，用戶將被告知應(yīng)用程序需要一段很長時間來執(zhí)行，它可以決定它是否被停止或等待它恢復(fù)正常操作;

(2)任何屬于用戶界面的圖像元素只可以通過主線程獲取。

圖5 應(yīng)用程序截屏

4 結(jié)語

基于QR 碼的增強現(xiàn)實系統(tǒng)旨在成為一個通用的增強現(xiàn)實應(yīng)用程序，可以用在任何場景，將豐富和動態(tài)的內(nèi)容覆蓋到場景中的QR 碼。系統(tǒng)通過平面檢測，得到透視變換矩陣，來計算并呈現(xiàn)最終的圖像，讓它們看起來像是周圍環(huán)境的一部分?？蛻舳说募軜?gòu)基于管道結(jié)構(gòu)，目的是最小化負責(zé)在設(shè)備屏幕上顯示圖像的模塊的延遲。每個模塊在自己的線程中運行，從上一級緩存獲取輸入數(shù)據(jù)，然后將輸出數(shù)據(jù)寫入下一級緩存。這很好地匹配了Android 應(yīng)用設(shè)計模式，負責(zé)顯示攝像頭預(yù)覽的主UI線程不會被延遲。另外，系統(tǒng)提供了一個內(nèi)容高速緩存的機制，來提高屏幕顯示增強現(xiàn)實內(nèi)容的速度。本系統(tǒng)達到了虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的目的，增強了用戶體驗，具有一定的研究和實用價值。

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