数字建筑与增强打印技术的关键技术优化

纸质地图要成为可以交互的“增强”地图，需要解决诸多关键问题。纸质地图要实现增强表达和交互功能，主要是采用室内增强现实技术，一般工作流程为：首先进行标识检测，搜索标记或纹理， 即根据用户设定的阈值将摄像机采集到的一帧彩色图像转换成一幅二值黑白图像；然后，对该二值图 像进行连通域分析，找出其中所有的四边形区域作为候选匹配区域，将每一候选区域与系统模板库中的模板进行匹配，如果匹配成功，则认为找到了一个标识，利用该标识区域的变形来计算摄像机相对于已知标识的位置和姿态进行坐标转换，匹配标识和虚拟物体；最后，根据得到的变换矩阵实现虚实之间的三维注册，确定增强物体的位置坐标和朝向， 把虚拟增强的符号、注记、动画叠加渲染显示（图5-8）。该过程最关键的就是纸质地图标识的计算机识别、空间匹配方法、显示和交互方法。

图5-8　纸质地图增强表达的基本流程

（1）纸质地图标识的计算机识别

纸质地图要实现“增强”首先就是要被计算机所识别。现有的增强现实技术中，对象识别主要有标识（Marker）识别和无标识（Markerless）识别。纸质地图既可以采用标识的方法也可以采用无标识的方法，但就识别效果来看基于标识的方法较为高效和快捷。标识可以是单标识也可以是多标识。为了识别纸质地图，可以在纸质地图上建立若干人工标识，对于新制作的地图，可以在其中嵌入特殊标识符号以便于识别；对于已经印刷的地图，则可以在地图的图廓四角黏贴多个标识以不破坏原图方式的识别。建立标识后，摄像头识别，采用模式识别技术，通过模板匹配、边缘检测等方法识别事先定义好的标记。现有的增强现实开发工具包，如 ARToolKit 中通常使用的标识模板一般都由黑色封闭的矩形框和各种图形或文字构成，醒目的黑色封闭矩形框使系统迅速识别是否存在标识物，内部图形或文字标识表示具体显示的增强地理信息的位置（图5-9）。

图5-9　单标识纸质地图识别方法

（2）增强地图的空间匹配方法(www.xing528.com)

地理信息是以地理坐标为基础存储的数据，而纸质地图是真实世界的坐标系，要把地理信息增强到纸质地图上又需要通过摄像机识别和屏幕显示， 因此存在不同坐标系统之间的空间配准问题。空间配准需要建立一个由世界坐标、相机坐标和虚拟坐标合并而成的全局仿射坐标系统（图5-10）。

一般首先从真实地图场景中提取若干特征点，并通过立体视觉的方法计算虚拟物体关键点的全局仿射坐标，结合若干场景特征点的投影的线性组合齐次坐标表示，计算得到虚拟物体关键点的投影坐标。通过坐标转换进行地理坐标和世界坐标的匹配，实现虚拟物体在真实地图场景中的三维注册。

图5-10　空间配准坐标转换

（3）增强地图的显示和交互方法

增强纸质地图的显示和交互就是把地理信息绘制成具有真实感的虚拟物体叠加到真实场景中的纸 质地图上并能人机互动的过程。通过可视化技术把相关地理信息转化为文本标注、三维统计地图专题符号、三维地形、动画等可视化形式呈现的虚拟物体，通过标识识别和空间匹配方法，将虚拟物体在真实场景中准确定位并逼真绘制，通过可视化技术把虚实场景合并呈现。增强现实的最终效果取决于可视化呈现方式，目前来说有头戴式显示技术、手持式显示技术、空间显示技术等。透视式头盔显示效果最佳，有视频透视式和光学透视式两种，但是硬件设备造价较高。电子地图通常通过图形用户界面 GUI 和键盘鼠标来实现人机交互，缺少真实感和交互感。而增强后的纸质地图作为实体既具有真实感，同时又可以作为人机交互的界面和工具，可以通过直接触摸、旋转、移动纸质地图，实现增强地图的移动、缩放甚至分析、计算等功能。