基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法。本发明步骤如下：根据景区景物增强现实导览需求及景区景物空间数据组织特点，采用面向对象的地理空间数据模型，构建景区地理数据库；通过智能手机的内置传感器获取当前位置坐标及空间朝向，建立基于多传感器的摄像镜头视野模型，生成现实景物的影像与实际地理空间的对应关系；从智能手机拍摄的视频影像流中抽取关键帧，依次通过二值化和数学形态学方法对其进行快速分割；通过图像分析与空间关系相结合的手段实现实景空间与信息空间的视觉匹配，识别出景区景物；通过运动检测方法对识别出的景物跟踪注册。本发明克服了空间关系实现方法识别精度差，图像识别技术效率低的不足。
【专利说明】基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动增强现实的【技术领域】，具体说的是一种基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法。此方法在旅游景区信息化、游客导览自动化方面有着重要的现实意义和应用前景。此外，本发明也适用于其他移动增强现实应用。
【背景技术】
[0002]增强现实技术能够将计算机生成的虚拟环境与现实环境相融合，产生极具表现力的感官效果，尤为适合应用于户外旅游及景区导览，通过将智能手机作为载体，将GIS技术与增强现实技术相结合，为游客定位和导航提供新的解决途径，大大提高景物导览的用户体验，同时降低了景区在软硬件上的投入成本，从而带来巨大的社会效益和经济效益。当前应用广泛的增强现实技术大多基于三种方法实现，其一是标签实现，即在系统中预定义某个标签图像，通过识别该标签图像来定义目标物，该方法在目标物数量大、环境复杂的户外场景中并不适用，识别相对困难；其二是基于空间关系实现，即利用智能手机的GPS和传感器定位目标，实现方式简单，但仅能标识目标点状位置，无法精准定位目标外形轮廓，识别精度较差；第三种方法是基于图像识别技术，通过计算机实时分析影像，利用复杂的机器学习算法识别目标物，其适用性比方法一、二略强，但是需要设备具有强大的计算能力，对算法的效率要求较高，识别率也难以保证。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案，包括如下步骤:
[0005]步骤1.根据景区景物增强现实导览需求及景区景物空间数据组织特点，采用面向对象的地理空间数据模型，构建景区地理数据库；
[0006]步骤2.通过智能手机的内置传感器获取当前位置坐标及空间朝向，建立基于多传感器的摄像镜头视野模型，生成现实景物的影像与实际地理空间的对应关系；
[0007]步骤3.从智能手机拍摄的视频影像流中抽取关键帧，依次通过二值化和数学形态学方法对其进行快速分割；
[0008]步骤4.通过图像分析与空间关系相结合的手段实现实景空间与信息空间的视觉匹配，识别出景区景物；
[0009]步骤5.通过运动检测方法对识别出的景物跟踪注册。
[0010]步骤2中所述的通过智能手机的内置传感器获取当前位置坐标及空间朝向，建立基于多传感器的摄像镜头视野模型，生成现实景物的影像与实际地理空间的对应关系:读取智能手机获取的GPS信号，提取当前位置坐标，同时通过智能手机内的加速度传感器、地磁场传感器获取智能手机三维立体空间朝向；然后通过坐标变换实现世界坐标系上某景物的坐标值到智能手机屏幕上参考坐标系上坐标值的转换，即建立世界坐标系与参考坐标系的对应关系。
[0011]所述的世界坐标系与参考坐标系的对应关系的建立如下:
[0012]建立基于多传感器的摄像镜头视野模型及现实景物的影像与实际地理空间的对应关系:在环境中还选择一个参考坐标系来描述物体的位置，该坐标系称为世界坐标系。以摄像机光心为原点0，与成像平面平行的相互正交的X、Y轴以及与成像平面垂直的Z轴所组成的直角坐标系称为参考坐标系。而参考坐标系和世界坐标系之间的关系可用旋转矩阵R与平移向量t来描述。由此，空间中一点P在世界坐标系和参考坐标系下的齐次坐标分别为(xw，yw, zw, ι)τ 和(X。，Yc, zc, ι)τ,且存在如下关系:
【权利要求】
1.基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1.根据景区景物增强现实导览需求及景区景物空间数据组织特点，采用面向对象的地理空间数据模型，构建景区地理数据库； 步骤2.通过智能手机的内置传感器获取当前位置坐标及空间朝向，建立基于多传感器的摄像镜头视野模型，生成现实景物的影像与实际地理空间的对应关系； 步骤3.从智能手机拍摄的视频影像流中抽取关键帧，依次通过二值化和数学形态学方法对其进行快速分割； 步骤4.通过图像分析与空间 关系相结合的手段实现实景空间与信息空间的视觉匹配，识别出景区景物； 步骤5.通过运动检测方法对识别出的景物跟踪注册。
2.如权利要求1所述的基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于步骤2中所述的通过智能手机的内置传感器获取当前位置坐标及空间朝向，建立基于多传感器的摄像镜头视野模型，生成现实景物的影像与实际地理空间的对应关系具体如下: 读取智能手机获取的GPS信号，提取当前位置坐标，同时通过智能手机内的加速度传感器、地磁场传感器获取智能手机三维立体空间朝向；然后通过坐标变换实现世界坐标系上某景物的坐标值到智能手机屏幕上参考坐标系上坐标值的转换，即建立世界坐标系与参考坐标系的对应关系。
3.如权利要求2所述的基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于所述的世界坐标系与参考坐标系的对应关系的建立如下: 建立基于多传感器的摄像镜头视野模型及现实景物的影像与实际地理空间的对应关系:在环境中还选择一个参考坐标系来描述物体的位置，该坐标系称为世界坐标系；以摄像机光心为原点O，与成像平面平行的相互正交的、7轴以及与成像平面垂直的Z轴所组成的直角坐标系称为参考坐标系；而参考坐标系和世界坐标系之间的关系可用旋转矩阵Λ与平移向量?来描述；由此，空间中一点ρ在世界坐标系和参考坐标系下的齐次坐标分别为
4.如权利要求1所述的基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于步骤3中所述的从智能手机拍摄的视频影像流中抽取关键帧，依次通过二值化和数学形态学方法进行快速分割:以固定时间间隔T，从智能手机拍摄的视频影像流中抽取画面关键帧；然后根据关键帧图像的像素值对该图像做二值化处理，并通过数学形态学方法处理二值化图像中的噪声、细小图斑和凹陷，之后对该关键帧图像进行二值分割，形成分割区域。
5.如权利要求1所述的基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于步骤4中所述的通过图像分析与空间关系相结合的手段实现实景空间与信息空间的视觉匹配，识别出景区景物:从景区地理数据库中读取景物地理坐标，从智能手机GPS中读取智能手机当前位置地理坐标，基于建立的世界坐标系与参考坐标系对应关系，判断出景物是否应出现在智能手机屏幕上，若应出现，则将景物在参考坐标系上的坐标与该景物的二值化分割图像叠加，参考坐标系中的景物坐标与分割区域重叠部分视为景物，并进行渲染；否则不做处理。
6.如权利要求1所述的基于空间关系和图像分析的景区景物移动增强现实方法，其特征在于步骤5中所述的通过运动检测方法对识别出的景物跟踪注册:记录智能手机屏幕上所有应当出现的景物的当前屏幕位置，同时通过加速度传感器、地磁场传感器记录智能手机的方位运动，通过线性仿射变换模型，将智能手机的运动转换为景物在屏幕上的运动，由此更新景物表达在屏幕上的位置，从而实现景物的跟踪注册。
【文档编号】G06T7/00GK103500452SQ201310475921
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】毛峰, 刘婷, 宋瑜, 张伟, 祝炜平, 王春叶, 潘君斌 申请人:杭州师范大学