基于移动增强现实技术的灾害和事故救援系统设计

摘 要：设计了基于移动增强现实技术的灾害和事故救援系统，利用智能移动设备和移动网络构建了能实时采集现场真实信息并与虚拟图像进行融合的完整体系。根据不同的灾害种类，采用针对性的跟踪和注册算法，分别进行了地理定位、标识物识别和基于自然特征图像识别的研究，为救援人员节省了大量宝贵时间，便于营救工作快速高效的开展。

关键词：移动增强现实；灾难救援；跟踪注册；三维配准；PTAM

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

自古以来中国一直都是自然灾害多发频发的国家，火灾、地震、洪水等灾难不断发生。现代不但自然灾害有增无减，生产生活方面的各种人为事故也频频发生，每年全国都有大量的人员因各种自然灾害和事故而失去生命。灾害和事故发生后，救援工作的组织和开展速度越快，被困人员的救出率也就越高，但受种种因素的限制救援无法快速而高效的开展。

（1）灾害事故现场的营救人员视野受限，难获得准确的环境图像信息。如火灾现场的浓烟阻碍了消防员的视线，难以找到快捷的营救通路，耽误了宝贵的救援时间。

（2）恶劣的现场环境可能使得救援人员也受到伤害。如爆炸现场的残存易爆品可能会导致二次爆炸，火灾现场的建筑物坍塌都加大了救援工作的危险性，延缓了救援速度。

（3）现场待救人员的位置信息难以被精准定位。如地震中生命探测仪等工具探测到的生命体范围过于模糊，无法精准定位，增加了挖掘的难度和工作量，延迟了救援时机。

针对上述问题，本文提出利用移动设备和增强现实技术进行信息共享，在真实视野中叠加显示地图、人员位置等实时虚拟图像，有助于救援队进行准确定位，展开快速救援。

2 系统设计（System design）

2.1 移动增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是在虚拟现实（VR）基础上发展起来的新技术，是VR的重要分支。通过将计算机生成的虚拟物体、场景等信息叠加融合到真实场景中，增加用户对现实世界的“增强”，起到提示辅助的作用。在Paul Milgram提出的现实—虚拟连续统中规定，增强现实AR和虚拟现实VR同属虚实融合，但AR更接近真实世界[1]。有别于VR技术，AR不隔离真实环境，而是在保证用户对周围环境感官不变的基础上，在实景上动态地叠加相应的文字或图形，真实和虚拟共同存在，相互补充增强[2]。

AR技术作为极富创造力的新型人机接口，在工业、医疗、教育和军事等方面都产生了深远的影响，但在灾害应急处理方面的应用却寥寥无几，原因是传统的AR技术要进行精准的物体追踪和三维注册，需要计算机对摄像头捕捉的实景图像实时处理，计算定位并进行高仿真渲染，强调虚实的高度融合，这在条件恶劣的灾害现场中难以实现[3]。采用移动AR技术，将摄像头捕捉的图像与移动设备的GPS定位相结合，降低了配准的难度和对硬件的要求，而且显示的虚拟信息以引导信息为主，不进行高仿真渲染，利用智能手机等移动设备即可完成配准和显示工作[4]。移动设备的小巧便携，以及移动网络收到灾害环境的影响相较于传统网络更小，使得移动AR 技术可以在辅助救援发挥重要作用。

2.2 系统设计和系统结构

（1）设计思路

基于移动增强现实技术的灾害事故救援系统由信息输入和融合显示两大模块组成。

信息输入模块获取三部分信息：摄像头捕捉的真实场景、GPS和方向传感器提供的位置朝向、外部获取的道路线路或楼层结构等地图。真实场景和方位信息实时更新。

融合显示模块根据输入信息实时计算待救人员和救援队之间的相对位置标注显示在地图中，并根据场景和地图分析在救援人员的真实视野中标注重要提示信息。

（2）虚拟辅助信息

信息输入模块中获取的虚拟图像对救援至关重要，通常由以下部分组成：

基本地图：户外救援需要卫星地图显示详细的地貌、障碍物及前进线路；室内营救则需要显示楼内结构图，标注逃生口、危险区、特殊设备等重要位置。

人员定位：由手机等移动设备的GPS提供的救援队和待救人员的位置信息。

其他重要信息：如现场温度、风力风向等，通过现场测量或后援远程标注获得。

（3）硬件构成

系统的硬件主要由以下部件组成：头盔显示器或智能眼镜、摄像头、手机等智能移动设备、后援系统、各类传感器（地磁传感器、加速度传感器、温度感知器等）。

3 跟踪注册和配准（Tracking and registration）

注册和配准是整个救援系统的关键。系统根据不同灾害和救援场所综合采用多种跟踪注册方式。户外救援采用手机等移动设备的GPS获得救援双方的纬经度、高度等地理位置，通过地磁传感器取得朝向，加速度传感器获得倾斜度，将这些信息综合后准确定位显示在卫星地图上。室内援救无法借助卫星，只能用预存或下载的楼层结构图，或通过对摄像头的实时画面检测分析，使用模式识别、边缘检测等技术识别标识和基准物，进行注册配准[5]。

基于视觉的注册方法有很多，国内采用最多的是基于标识和artoolkit开发包的方法，重点在获取标志物的投影矩阵，矩阵变换后采用阈值分割从背景中提取标识方位[6]。该方法简单高效，但依赖于特定的标识或警示符号，在灾害现场的场景识别中较难采用。

基于自然特征的跟踪注册方法PTAM在灾害现场复杂纷乱的环境中对物体和空间的识别效果良好。算法采用单镜头识别图像捕捉特征点，自动锁定采集图像中的边和角，可识别出上千个特征点，这些点随着摄像头动态删减，根据特征点进行平面检测，并在平面上建立虚拟3D坐标并合成图像[7]。PTAM的点计算量极大，为提高运行速率，采用并行处理方式进行立体平面的检测和图像合成。其中的目标追踪线程用于计算相机的位置和朝向并寻找特征点，因为移动而导致数据的实时更新，该线程必须尽可能保持鲁棒性[8]。

PTAM对物体的检测识别效果很好，但对摄像头分辨率和 CPU性能要求都较高，在计算机上运行效果良好，但对移动设备而言计算负担偏大，移动设备的小屏幕、弱计算能力和电池量都限制了PTAM的运行。在带宽足够时，采用移动云计算将是个很好的解决方法。

4 结论（Conclusion）

AR技术是继VR之后又一研究热点，随着移动网络和智能移动设备的发展，AR的研究应用逐渐从计算机转向移动平台。借助于移动AR技术，用户不再随身携带笨重的计算机显示器，集摄像头、GPS、传感器于一体的移动设备极大拓展了AR技术的实用性。本文设计的灾害救援系统就是基于移动AR技术的很好的应用实例。系统通过对环境的检测识别自动定位人员、补充增强现实，为救援人员提供最便捷的信息辅助。系统在实用中还受到不少因素制约，存在着不足，如何更快速高效的辅助救援工作是继续研究的方向。

参考文献（References）

[1] 杨彤.增强现实系统的相关技术研究[D].南开大学，2010.

[2] 盛君.基于标识的增强现实系统的研究[D].杭州电子科技大学，2009.

[3] 丰艳.增强现实系统虚实无缝融合相关问题研究[D].上海大学，2007.

[4] 林倞，等.移动增强现实系统的关键技术研究[J].中国图象图形学报，2009（03）： 560-564.

[5] 周俊威.手机增强现实虚实注册关键技术研究[D].华中科技大学，2011.

[6] 潘鸿彬，吴悦明.基于ARToolKit的增强现实系统的研究、开发及应用[J].广东科技， 2009（03）：55-56.

[7] KleinG， MurrayD. Parallel Tracking and Mapping for SmallAR Workspaces[J]. IEEE and ACM International Symposiumon Augmented Reality，2007（6）：225-234.

[8] Brown，D.；ITT Adv.Eng.&Sci.，Alexandria，etal.An event-baseddata distribution mechanism for collaborative mobile augmentedreality and virtual environments [J]. Virtual Reality，Proceedings.IEEE，2003（03）：23-29.

作者简介：

赖蘋华（1984-），女，博士在读，讲师.研究领域：数据挖掘，模式识别，图像处理.