圖像識(shí)別技術(shù)與移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

摘 要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最為迅速，同時(shí)也最具潛力的領(lǐng)域之一，其本身在許多方面都表現(xiàn)出了良好的優(yōu)越性，尤其是伴隨著移動(dòng)智能終端的發(fā)展和普及，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸產(chǎn)生，為技術(shù)的發(fā)展揭開(kāi)了新的一頁(yè)。本文以提升移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)對(duì)大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的能力著手，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，希望能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】圖像識(shí)別技術(shù) 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 結(jié)合

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MAR）受到了越來(lái)越多的關(guān)注，在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)包括了交互技術(shù)、顯示技術(shù)以及跟蹤定位技術(shù)等。在長(zhǎng)期的發(fā)展中，對(duì)于相關(guān)算法的研究多集中在室內(nèi)環(huán)境，對(duì)于室外的復(fù)雜場(chǎng)景適應(yīng)性不足，無(wú)法完成大規(guī)模圖像的實(shí)時(shí)跟蹤注冊(cè)。對(duì)此，本文提出了基于圖像識(shí)別技術(shù)的MAR系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

MAR系統(tǒng)采用了C/S架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于場(chǎng)景圖像、增強(qiáng)信息以及人員的管理，其中數(shù)據(jù)管理主要是利用管理系統(tǒng)，建立起相應(yīng)的場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和增強(qiáng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)建立索引，以方便用戶進(jìn)行信息的檢索；人員管理主要是針對(duì)圖像采集人員和采編人員的管理，采編人員需要將采集到的圖像以及與之關(guān)聯(lián)的增強(qiáng)信息輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。結(jié)合云端的存儲(chǔ)功能和計(jì)算能力，系統(tǒng)可以完成對(duì)于樣本的訓(xùn)練以及圖像的快速識(shí)別。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 基于圖像識(shí)別的跟蹤注冊(cè)算法

2.1 改進(jìn)特征描述算法

在室外場(chǎng)景中，存在著大量結(jié)構(gòu)類似的建筑工程，受其影響，如果使用BRISK或者SURF等算法進(jìn)行圖像特征匹配，并不能取得預(yù)期的效果，對(duì)此，相關(guān)研究人員提出了以重力方向解決相似特征的誤匹配問(wèn)題，并且取得了顯著的成果。假定存在有四個(gè)特征點(diǎn)，其通過(guò)鄰域像素灰度信息計(jì)算特征點(diǎn)主方向，而且僅僅相差一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，如果特征點(diǎn)鄰域旋轉(zhuǎn)到主方向，計(jì)算出的特征描述將會(huì)變得缺乏典型性和區(qū)分性。而如果利用重力傳感器信心，在BRISK或者SURF算法的特征描述中加入重力信息，可以生成Gravity-BRISK和Gravity-SURF描述，使得四個(gè)特征點(diǎn)的描述差異更加顯著。

2.2 大規(guī)模圖像識(shí)別技術(shù)

當(dāng)前，許多基于圖像檢索的場(chǎng)景識(shí)別算法，如隨機(jī)樹(shù)、BOF等，都存在著計(jì)算量大、內(nèi)存消耗大的問(wèn)題，對(duì)此，系統(tǒng)在對(duì)大規(guī)模圖像識(shí)別算法進(jìn)行選擇時(shí)，引入了VLAD算法，能夠在一定程度上解決內(nèi)存占用問(wèn)題，以Gravity-SURF對(duì)圖像特征進(jìn)行描述，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于相似圖像特征的有效區(qū)分，提升場(chǎng)景識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。在系統(tǒng)運(yùn)行中，識(shí)別算法需要首先針對(duì)云端圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的訓(xùn)練圖像的Gravity-SURF描述進(jìn)行提取，做好VLAD編碼處理，得到圖像的VLAD聚合量。在針對(duì)圖像進(jìn)行在線識(shí)別時(shí)，算法能夠?qū)R（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）上傳的查詢圖像的VLAD聚合向量進(jìn)行提取，與訓(xùn)練圖像本身的聚合向量進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)相似度測(cè)量來(lái)保證識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 視覺(jué)跟蹤注冊(cè)算法

在自服務(wù)器中獲取識(shí)別圖像的編號(hào)后，MAR系統(tǒng)可以針對(duì)圖像進(jìn)行跟蹤注冊(cè)，以完成對(duì)三維模型的實(shí)時(shí)渲染。從確保實(shí)時(shí)性的層面考慮，可以選擇BRISK算法，構(gòu)建Gravity-BRISK描述。在實(shí)際應(yīng)用中，算法會(huì)對(duì)關(guān)鍵幀進(jìn)行訓(xùn)練，得到特征集，在跟蹤初始化環(huán)節(jié)，算法能夠獲取相應(yīng)的實(shí)時(shí)幀圖像，將其與關(guān)鍵幀特征匹配集合結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用PROSAC算法，可以取種其中存在的誤匹配點(diǎn)。為了提升跟蹤注冊(cè)算法的實(shí)時(shí)性和魯棒性，可以利用金字塔L-K光流跟蹤的方式，完成對(duì)于特征點(diǎn)的準(zhǔn)確匹配。

在光流跟蹤階段，如果攝像機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，則由估算得到了特征點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)存在較大的誤差，算法會(huì)自動(dòng)將這些特征點(diǎn)剔除來(lái)保證良好的效果。同樣，當(dāng)攝像機(jī)本身的角度不合理、出現(xiàn)遮擋或者光照變化時(shí)，系統(tǒng)同樣會(huì)剔除相應(yīng)的特征點(diǎn)，這樣必然會(huì)導(dǎo)致特征點(diǎn)數(shù)量的減少，影響跟蹤的穩(wěn)定性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，需要做好系統(tǒng)設(shè)定，當(dāng)跟蹤點(diǎn)的數(shù)量小于一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)初始化，然后重新進(jìn)行特征點(diǎn)匹配。

2.4 三維渲染

在場(chǎng)景中，以Unity3D渲染引擎進(jìn)行三維模型的繪制，以實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的融合顯示。不過(guò)，考慮到Unity3D渲染引擎與攝像機(jī)使用的均為左手坐標(biāo)系，本身提到的攝像機(jī)坐標(biāo)系和由跟蹤注冊(cè)算法定義的世界坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作。這里在右手坐標(biāo)系中，選擇特征點(diǎn)，坐標(biāo)為Pwr（x，y，z）、Pcr（x，y，z），對(duì)應(yīng)的左手坐標(biāo)系特征點(diǎn)坐標(biāo)為Pwl（x，y，z）以及Pcl（x，y，z），坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

Pcr=RrPwr+Tr，Pcl=RlPwl+Tl

Pcl=APcr，Pwl=APwr

其中，Rr、Rl表示旋轉(zhuǎn)矩陣，Tr、Tl表示平移矩陣，A=diag（1，-1，1）。結(jié)合上述公式，經(jīng)計(jì)算，可以得到Unity3D渲染引擎中攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，有

RUnity3D=Rl-1

TUnity3D=-Rl-1Tl

其中，Rl=ARrA，Tl=ATr。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，本文提出的算法可以滿足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和精度等方面的要求，而且基于云端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以在多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，能夠發(fā)揮出良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

吳振宇（1980-），男，浙江省義烏市人。大學(xué)學(xué)歷。現(xiàn)為浙江交通技師學(xué)院講師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)研究。

作者單位

浙江交通技師學(xué)院 浙江省金華市 321015