基于增強現實攝像機虛擬標簽的設計與管理

李大成，劉娜

（高新興科技集團股份有限公司，廣州 510000)

0 引言

標簽，也可以叫做Tag，最早出現于2005年，隨著Web2.0的Blog應用被廣泛使用開來。標簽是自由分類法的具體表現形式，是用戶賦予特定信息資源的標識，用于描述資源的主題、類型、功能等多種特征。標簽代表用戶對資源的理解和偏好，是實現信息資源組織和共享的基礎[1]。標簽也可以說是一種關鍵詞標記，可以更好地顯示和突出搜索的關鍵詞條，以便進行更好地索引和瀏覽查找，清晰明了的標簽設置是吸引用戶的一個手段[2]。

目前，各互聯網公司也逐漸傾向于標簽數據的交換和共享，來獲取更豐富的受眾信息。所以在大數據領域，對海量標簽數據的管理已經成為日趨重要的需求。

現有的普通攝像機一般不具備虛擬標簽添加功能，由于缺乏附加性的信息，無法直觀呈現監控畫面中的大量信息，給監控畫面的安保人員帶來了極大困惑。而現有的增強現實攝像機已具備了虛擬標簽添加功能，可以供用戶在客戶端視頻畫面上添加虛擬標簽，通過各種虛擬標簽對視頻背景信息進行標注、描述，使視頻信息可視化，增強用戶體驗。

增強現實在攝像機領域是一個新的概念，它還存有某些技術缺陷。例如，當它在轉動和鏡頭焦距變化的情況下，視頻畫面中的物體位置發生了變化，但虛擬標簽不會移動，無法緊跟被標注物體；當鏡頭變倍造成的虛擬標簽過于密集時，高階標簽將會不顯示等，這些情況都容易誤導用戶，不利于用戶了解監控視頻畫面的實時情況，不利于用戶體驗。

1 增強現實技術綜述

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，是近幾年來的一個研究熱點，有著廣泛的應用前景。一些著名的實驗室也從事該項目的研究，其中包括美國麻省理工大學的圖像導航外科手術室、哥倫比亞大學的圖形和用戶交互實驗室、新加坡的混合現實實驗室等。

增強現實是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，借助顯示技術、交互技術、多種傳感技術和計算機圖形與多媒體技術將計算機生成的虛擬環境與用戶周圍的現實環境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環境是其周圍真實環境的組成部分[3]。概括地說，增強現實技術是借助計算機圖形技術和可視化技術產生現實環境中不存在的虛擬對象，并通過傳感技術將虛擬對象準確“放置”在真實環境中，并呈現給用戶一個感官效果真實的新環境[4]。

增強現實技術是由虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）發展而來的，但與傳統的虛擬現實不同，VR技術就是在計算機中構建一個完全虛擬的世界。而AR是利用虛擬世界來加強現實，增強了用戶對現實世界的感知能力與交互能力[5]。例如在一條真實的建筑物上面加入一些虛擬的標簽，通過虛擬標簽還可以查看標簽鏈接的信息。

目前大多數的AR系統采用頭盔顯示器實現虛擬信息與真實場景的融合，利用高性能計算機跟蹤定位設備以及人機交互設備完成場景識別與信息的增強[6]。近來，機器智能的發展使得計算機對人類的自然意識的理解越來越可靠，從而使智能交互有了從實驗室走向實用的契機。AR與人工智能結合，對于智能交通新應用將產生深遠影響。

2 虛擬標簽設計與管理

所謂虛擬標簽，即通過AR攝像機產生的用來“增強”對現實視頻中物體感知能力的虛擬物體，它以標簽的形式存在，對視頻監測區域內的建筑物、道路、重點目標進行標注，從而對視頻背景信息進行描述，使得背景信息可搜索、可定位，并能實現GPS坐標映射、方位感知、視頻聯動等功能。這樣，便于用戶了解監控視頻畫面的實時情況，增強了用戶體驗。

視頻虛擬標簽的設計與管理方法可能會直接影響到增強現實的效果，例如視頻中顯示的虛擬標簽數目太多而導致標簽重疊、混亂、不易區分，標簽信息配置不靈活而無法達到增強現實的目的，等等。因此，基于增強現實攝像機的虛擬標簽的設計與管理需要涉及到標簽設計、標簽顯示控制、標簽管理和標簽數據庫等多個方面。

（1）標簽設計

“哇，哥哥好厲害！”妹妹的小臉上洋溢著喜悅，“這是我第一次得滿分哦。顏姨說了，為了獎勵我，要請我吃大餐。”

首先，將標簽進行屬性分類，并完成各類標簽的樣式設計管理與標簽信息配置，以滿足客戶端與管理端的各種功能需求。按標簽綁定信息的性質（包括文本信息、圖片信息、視頻信息及應用窗口信息等），可將標簽分為動態標簽和靜態標簽兩大類。動態標簽即一些業務應用標簽，標簽的信息需要進行定時更新；而靜態標簽包括POI信息點標簽和矢量標簽，用來展示攝像機監控區域內的道路、商場、酒店、銀行、寫字樓、學校、醫院等的相關穩態信息等。

其次，對標簽樣式進行設計，標簽的樣式包括標簽外觀樣式、標簽信息配置樣式和標簽信息顯示樣式。標簽外觀樣式包括標簽寬度、高度、背景顏色、顯示標題、文本高度等；標簽信息配置樣式是開發人員給標簽提供的所有數據信息及鏈接接口選項設計；而標簽信息顯示樣式是在客戶端提供給用戶查看的標簽所包含的信息選項，通過這些選項將標簽所含有的信息以文本、圖片、視頻選擇性地展示給用戶。

最后，需要對標簽信息進行配置，不同屬性的標簽配置信息不同。其中，標簽基本配置信息包括：標簽名稱、標簽編號、標簽描述、標簽鏈接、標簽層級、標簽類型、標簽備注、標簽創建日期等。

（2）標簽顯示控制

標簽顯示控制模塊控制監控視頻中虛擬標簽的定位跟隨顯示、標簽顯示模式及標簽顯示狀態。在增強現實攝像機轉動和鏡頭焦距變化的情況下，所標注的虛擬標簽能夠實時準確地跟隨標注物移動，防止出現虛擬標簽不能跟隨移動或定位不準確的狀況。同時，對所有虛擬標簽進行分層、分級與選擇性顯示控制。根據指示物的類型分層，不同類型的標簽以不同顏色區分；根據指示物重要程度分級，一是在縮放畫面時自動隱藏/顯示不同級別的標簽，二是在標簽過多遮擋畫面時手動選擇性屏蔽部分標簽，只呈現最重要或需要的虛擬標簽，方便查看與管理，這些選擇性全部都保存在用戶配置文件中。

（3）標簽管理

標簽管理模塊對標簽實現分類管理，以滿足客戶端需求，包括標簽標注、標簽編輯、標簽查看、標簽篩選、標簽搜索定位和標簽聯動等。標簽標注方式分為手工標注和系統自動標注，手工標注可通過客戶端界面或菜單欄對視頻內背景對象進行新建/修改標簽標注；系統自動標注可通過實時的GPS數據對視頻內背景對象進行標注。標簽編輯包括對標簽進行添加、修改、刪除和清空等操作。注意，刪除標簽時，只有將最底層的子標簽刪除之后，才能刪除其上級標簽。而標簽聯動則可實現不同標簽間聯動與信息交互。

（4）標簽數據庫

標簽數據庫以樹形結構呈現標簽之間的層級和邏輯關系，可以對任意層級的標簽進行編輯管理，包括標簽的存儲與備份、標簽導入與導出、標簽數據庫更新和標簽庫運營管理。其中標簽數據庫采用分布式存儲方式，充分考慮保障系統網絡的安全可靠性，避免遭到惡意攻擊和數據被非法提取、使用的現象出現。

3 關鍵技術研究

實現基于AR攝像機的虛擬標簽的標注與定位跟蹤顯示包含4個基本步驟：（1）獲取真實場景視頻信息；（2）對真實場景和相機位置信息進行分析；（3）生成虛擬標簽；（4）合并視頻或者直接顯示。在這整個過程中，最關鍵的是需要通過大量的定位數據和場景信息來保證由計算機生成的虛擬標簽可以精確地定位在真實場景視頻中，且保證在攝像機轉動和鏡頭焦距變化的情況下，虛擬標簽能夠實時跟隨標注物體移動，定位準確。

（1）虛擬標簽的增強現實標注技術

監控攝像機的地理位置信息和姿態信息是組成監控信息的重要部分，我們往往不僅需要知道監控區域的畫面信息，還需要知道畫面內重要物體的具體方位。而現有監控攝像機雖然已經可以做到獲取攝像機的地理位置信息，但是沒有集成獲取監控方向的功能，大多是通過外部加裝傳感器來實現的；另外，相關傳感器獲取的數據都是直接疊加在視頻畫面上，無法被計算機使用，信息呈現形式枯燥單一，不夠生動直觀。

因此，研究基于增強現實技術的攝像機，也就是將視頻信息、地理位置信息和姿態信息傳輸到增強現實管理終端顯示的技術，增強現實管理終端將地理位置信息和姿態信息進行圖形化處理后疊加在實時畫面上。不僅能獲取監控區域的畫面信息，還能獲取監控攝像機的地理位置信息和姿態信息，使得用戶對于地理位置信息和姿態信息的感知更為直觀，改善了用戶體驗。

（2）增強現實攝像機的3D自動定位技術

當監控球機轉動機構旋轉、焦距倍數變化時，增強現實攝像機所標注的虛擬標簽自動定位于被標注的靜態物體上。所采用的3D自動定位技術，在設備需內置高精度可變倍鏡頭，利用坐標自標定算法實現標簽位置的實時更新，使得虛擬標簽準確地跟蹤物體。如圖1。

該方法通過攝像機三個維度參數p，t，V的實時更新 與 原 標 簽 點 的 三 維 坐 標（P，T），采 用其中：p為攝像機改變狀態后鏡頭水平角度；t為攝像機改變狀態后鏡頭垂直角度；V為攝像機改變狀態后水平視場角；P為標簽點在三維球面極坐標系下的水平角度；T為標簽點在三維球面極坐標系下的垂直角度；二維視頻畫面為分辨率為W×H的平面；Δx和Δy分別為增強現實攝像機轉動或鏡頭變倍后標簽點離二維畫面中心新的水平偏移和垂直偏移；R為球面半徑，且為差量表示。

然后通過公式P=p+?p計算出原標簽點在二維視頻畫面的新二維坐標（Δx，Δy），從而在二維視頻畫面實現虛擬標簽點實時跟隨標注物。

圖1

4 在交通領域的應用

現在增強現實技術主要應用于在醫療、旅游、家居、教育、制造與維修、娛樂和軍事等領域。目前，國內已有幾家安防廠商將增強現實技術應用于視頻監控攝像，來而實現對城市交通運行狀況的智能監測。普通攝像機單點監控范圍小，無法直觀呈現監控畫面中的大量信息。同時，各交通系統獨立作戰，信息共享不充分，現場指揮困難，預警能力不足，整體交互偏落后，當發生應急事件、或組織大型活動時，各交管指揮人員無法進行快速響應，統一融合聯動指揮。

為了解決這些問題，采用AR增強現實技術，將已建視頻監控系統、高清卡口系統、信號控制系統等各交通子系統進行整合，將各系統在當前AR場景中進行結構化描述，充分利用智能交通技術和現代科技管理手段，打破各系統之間壁壘，有效提高整體與各子系統效能的發揮。例如：

（1）交通信息可視化管理

通過AR技術，將監控視頻內的各種交通資源、交通要素、交通事件用虛擬標簽形式標注在視頻中，給實時監控畫面添加名稱、經緯度、方位角、距離、位置等信息，在“現實”的基礎上進行“增強”。

（2）全業務門戶

在視頻畫面中，對各個交通子系統的重要設備與功能進行虛擬標簽的標注與展示，通過虛擬標簽，實現與各子系統的信息交互，從而實現智能交通系統的全面對接。

5 結語

本文對現有的增強現實攝像機虛擬標簽管理方面存在的問題進行分析，對此，給出了基于增強現實攝像機的虛擬標簽的設計與管理方法，有效消除服務于不同對象，構建于不同時期，分布于不同攝像機的“標簽信息孤島”的不足。同時，還對虛擬標簽設計與管理所涉及到的關鍵技術進行研究分析。最后展望了增強現實技術與虛擬標簽標注技術在交通領域的應用前景，將AR技術服務于交通的指揮管控，開創城市交通指揮管理的新模式，對智慧城市建設的意義重大。