基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

鐘毅

摘 要：借用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具ARToolKit，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程課件制作，介紹了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其中主要包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的跟蹤注冊(cè)技術(shù)，用于解決網(wǎng)絡(luò)卡頓現(xiàn)象的SMIL、AJAX技術(shù)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) ARToolKit AJAX

中圖分類(lèi)號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（b）-0164-02

隨著教育事業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于知識(shí)的需求度提高，人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于在課堂中學(xué)習(xí)，遠(yuǎn)程教育以其無(wú)地域性、沒(méi)有時(shí)間限制等優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展成為一種新的教學(xué)模式。目前遠(yuǎn)程教學(xué)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一是課件制作過(guò)程比較復(fù)雜，畫(huà)面效果不太好；二是頻繁的交互使得遠(yuǎn)程課件制作平臺(tái)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)較重，響應(yīng)較慢。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)分支，是近年來(lái)一個(gè)研究熱點(diǎn)，它將虛擬圖形環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合，提供了更加豐富的表現(xiàn)效果，在醫(yī)學(xué)到軍事等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，考慮將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程多媒體課件制作中，以提供更加豐富的課件表現(xiàn)形式。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及顯示技術(shù)、跟蹤注冊(cè)技術(shù)、界面與可視化技術(shù)和相機(jī)標(biāo)定技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，其中，跟蹤注冊(cè)技術(shù)負(fù)責(zé)計(jì)算真實(shí)世界相對(duì)觀(guān)察者的位置和姿態(tài)，將虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界更加自然地進(jìn)行融合（即三維注冊(cè)）。多媒體課件制作依二次開(kāi)發(fā)工具ARToolKit為基礎(chǔ)。

為了解決第二個(gè)問(wèn)題，考慮應(yīng)用AJAX技術(shù)與SMIL技術(shù)，這兩種技術(shù)在多媒體web應(yīng)用中被廣泛使用，AJAX技術(shù)減輕服務(wù)端的處理負(fù)擔(dān)，SMIL語(yǔ)言為多媒體開(kāi)發(fā)提供了更大的便利。

1 ARToolKit、AJAX、SMIL介紹

1.1 ARToolKit簡(jiǎn)介

ARTootKil是一套用于開(kāi)發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)包，它基于c語(yǔ)言，采用基于標(biāo)識(shí)的三維注冊(cè)方法，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是計(jì)算觀(guān)察者視點(diǎn)相對(duì)于已知標(biāo)識(shí)的位置和姿態(tài)，ARToolKit采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)難點(diǎn)，它能夠支持基于視覺(jué)或視頻的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，具有實(shí)時(shí)、精確的優(yōu)勢(shì)。ARToolKit提供一套開(kāi)源的函數(shù)庫(kù)，為開(kāi)發(fā)人員提供了很大的便利。

ARToolKit的工作流程如下，首先，對(duì)采集到的視頻流進(jìn)行二值化處理，然后，對(duì)標(biāo)識(shí)輪廓進(jìn)行提取和識(shí)別；之后，ARToolKit利用標(biāo)識(shí)區(qū)域的變形來(lái)計(jì)算攝像機(jī)相對(duì)于已知標(biāo)識(shí)的位置和姿態(tài)，最后，根據(jù)得到的變換矩陣實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間的注冊(cè)。據(jù)此，遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)可以首先對(duì)視頻進(jìn)行現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的融合，然后發(fā)布到網(wǎng)站上。

1.2 AJAX技術(shù)與SMIL語(yǔ)言

AJAX（Asynchronous JavaScrit and XML）是現(xiàn)有的多種技術(shù)的綜合，包括JavaScript、DOM、XML、XMLHttpRequest、HTML、CSS等等。與傳統(tǒng)的Click-refresh不同，Ajax技術(shù)在客戶(hù)端與服務(wù)器端之間添加中間處理程序，它的工作流程為：用戶(hù)提交請(qǐng)求，中間處理程序先進(jìn)行初步處理，返回一部分結(jié)果給客戶(hù)端，（若有需要）中間程序再向服務(wù)器傳送處理結(jié)果，服務(wù)器端的負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)帶寬都得到減輕。

在客戶(hù)端，AJAX技術(shù)通常通過(guò)JavaScript程序處理客戶(hù)端的請(qǐng)求，通過(guò)XMLHttpRequest處理程序進(jìn)行異步的數(shù)據(jù)查詢(xún)和檢索操作。AJAX技術(shù)通過(guò)部分更新的方式縮短了響應(yīng)時(shí)間，給用戶(hù)更好的體驗(yàn)，因此在web應(yīng)用程序中得到了廣泛應(yīng)用。

SMIL是一種專(zhuān)注于多媒體操縱的語(yǔ)言，相比于HTML，SMIL更加方便處理多媒體素材，如聲音素材、視頻文件和圖片文字，對(duì)多媒體素材的位置設(shè)計(jì)、播放方式、播放時(shí)間的設(shè)置簡(jiǎn)單易行。因此，相較于HTML/XHTML而言，SMIL更加適用于遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)的搭建。

2 基于A(yíng)RToolKit的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

使用ARToolKit工具包進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，首先需要進(jìn)行攝像頭定標(biāo)、模板制作與訓(xùn)練兩項(xiàng)工作。

2.1 攝像機(jī)定標(biāo)

ARToolKit有世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系，它采用基于標(biāo)識(shí)的虛實(shí)注冊(cè)方法，將三維注冊(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解標(biāo)識(shí)坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的變換矩陣，其變換關(guān)系如式（1）。

攝像機(jī)定標(biāo)即確定攝像頭內(nèi)部的幾個(gè)幾何參數(shù)，主要包括：焦距、像面中心、像素的水平和垂直間距△，△、傾斜率等。這些內(nèi)部參數(shù)將在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用于計(jì)算三維變換矩陣，因此它們的準(zhǔn)確與否將影響系統(tǒng)的精度。ARTooIKit提供了用于攝像頭定標(biāo)的程序，可以方便地獲得攝像頭的內(nèi)部參數(shù)。

2.2 模板制作與訓(xùn)練

ARToolKit采用基于標(biāo)識(shí)的注冊(cè)方法，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)識(shí)（分配給標(biāo)識(shí)不同的ID）返回的ID來(lái)選擇要疊加的虛擬場(chǎng)景。因此，在開(kāi)發(fā)之前，必須制作標(biāo)識(shí)，并且進(jìn)行訓(xùn)練。

ARTooIKit默認(rèn)的標(biāo)識(shí)是一個(gè)正方形，通常帶有黑框，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)自己的不同需求向正方形的白色區(qū)域中添加圖形，就可以獲得不同的標(biāo)識(shí)，如圖1所示。在制作標(biāo)識(shí)時(shí)，需要注意應(yīng)該使不同的標(biāo)識(shí)有較大的差異，以提高系統(tǒng)識(shí)別的精確度。

通常標(biāo)識(shí)使用之前，需要訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)標(biāo)識(shí)的識(shí)別，系統(tǒng)將根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)生成相應(yīng)的模板文件。ARToolKit提供一個(gè)函數(shù)arSavePatt來(lái)完成標(biāo)識(shí)的訓(xùn)練工作。

2.3 開(kāi)發(fā)流程

利用ARTooIKit進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)步驟。

（1）初始化攝像機(jī)，讀取攝像機(jī)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)。

（2）獲取一幀圖像。

（3）標(biāo)識(shí)識(shí)別。

（4）視點(diǎn)與目標(biāo)標(biāo)識(shí)之間轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算。

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣疊加虛擬場(chǎng)景。

（6）關(guān)閉視頻流。

其中第二步到第五步是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，直到程序結(jié)束。第一步和第六步只在系統(tǒng)初始化和退出時(shí)執(zhí)行。

3 AJAX的實(shí)現(xiàn)

2005年以后AJAX技術(shù)在Google得到了大規(guī)模的成功運(yùn)用，由于A(yíng)JAX眾多的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的軟件廠(chǎng)商開(kāi)始對(duì)AJAX進(jìn)行研發(fā)和提供支持。作為.Net平臺(tái)的開(kāi)發(fā)者，微軟推出了AJAX程序開(kāi)發(fā)環(huán)境Atlas，并且集成到Visual Studio中，以為AJAX開(kāi)發(fā)提供支持。Atlas框架能夠方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)化操作，為構(gòu)建GUI用戶(hù)界面接口提供了良好的支持，并且擴(kuò)展性較好，使用Atlas框架能夠方便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)可以使用微軟發(fā)布的AJAX2.0包，該包提供了良好的AJAX控件支持。JavaScript代碼與AJAX技術(shù)相結(jié)合，能夠方便地實(shí)現(xiàn)異步交換和頁(yè)面局部更新的功能。在本遠(yuǎn)程課件制作平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，使用AJAX在服務(wù)器與客戶(hù)端之間實(shí)現(xiàn)頁(yè)面局部更新等功能，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是在客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)部分功能，通過(guò)JavaScript代碼實(shí)現(xiàn)所需功能，在客戶(hù)請(qǐng)求后，首先提交給JavaScript程序處理；二是與服務(wù)器的連接，通過(guò)JavaScript向服務(wù)器提交請(qǐng)求。

4 SMIL和動(dòng)態(tài)導(dǎo)航樹(shù)的構(gòu)建

動(dòng)態(tài)導(dǎo)航樹(shù)像書(shū)籍的目錄，應(yīng)用在遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)中，便是課件的信息的組合，將章節(jié)、資源標(biāo)題等組織成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。為了一致，多媒體課件制作平臺(tái)這部分的資源也組織成為樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。

動(dòng)態(tài)導(dǎo)航樹(shù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，樹(shù)形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一個(gè)SMIL文件，使用動(dòng)態(tài)導(dǎo)航樹(shù)，用戶(hù)可以組織自己的多媒體課件。用戶(hù)通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增加、刪除和移動(dòng)來(lái)獲得個(gè)性化的課件，用戶(hù)提出請(qǐng)求后，由AJAX技術(shù)進(jìn)行處理，然后提交給服務(wù)器。

5 結(jié)語(yǔ)

本遠(yuǎn)程多媒體課件制作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)主要采用了ARToolKit增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、AJAX技術(shù)和SMIL技術(shù)，提供了內(nèi)容更加豐富、表達(dá)能力更強(qiáng)的課件形式，同時(shí)提高了平臺(tái)的響應(yīng)速度，使用SMIL提供了一種通用的導(dǎo)航樹(shù)的創(chuàng)建形式。

相較傳統(tǒng)的課件制作平臺(tái)，本系統(tǒng)具有效率高、內(nèi)容豐富的優(yōu)勢(shì)，具有一定的價(jià)值和意義。

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