基于ARToolKit的三维教学演示模型设计与实现

134 EGVR。2009中国江苏淮安 基于ARToolKit的三维教学演示模型 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现宰 田洪波，石刚，马小虎 (苏州大学计算机科学与技术学院江苏苏州215006) DesignandImplementationof3DTeachingDemonstrationModelBasedon ARToolKit* TIANHong—bo，SHIGang，MAXiao‘hu (SchoolofComputerSinceandTechnology，SoochowUniversity，Suzhou215006。China) 4-Correspondingauthor：Phn：+86—512-61868637。E—mail：xhma@suda．edu．ca，http：／／www．suda．edu．cn Abstract：ARToolKitisaconvenientandquicklydevelopmenttoolusedindevelopingaugmentedreality application．Thispaperdevelopsphysicalmodelofvirtualizationandaddsanimationfunctioninthisprocess， whichcanmaketeachingmoreconvenient，interactiveandvivid．Usingaugmentedrealitytechnologyinthefield ofteaching．therewillbebroadprospectsandtheimportantvalueofresearch． Keywords：ARToolKit；3DDemonstrationModel；AugmentedReality 摘要： ARToolKit为增强现实技术的应用提供了一种方便快捷的开发工具．本文使用ARToolKit将教师需要演 示的实物模型虚拟化，并在此过程中增添动画功能，使教师授课更加方便，又不失互动性，增加了课堂的生动性． 将增强现实技术用到教学领域中，有广阔的应用前景和重要的研究价值． 关键词：ART00lKit：3D模型演示；增强现实 中图分类号：TP311 文献标识码：A 增强现实(AugmentedReality，简称AR)就是将计算机生成的虚拟对缘与真实世界结合起来，构造出具 有虚实结合的虚拟空间【I】。计算机系统提供的信息用来增强用户对现实世界的感知能力，可以增强或补充人眼 所看到的东西，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统所提示的信息叠加到真实场景中，从而实现对现实世界 的“增强”[21。在沉浸式增强现实环境中，现实场景完全被计算机及生成的图像所取代，用户完全被虚拟空 间包围【3l。AR最近一直是研究的热点，它在工业设计、建筑设计、媒体娱乐、教育等方向都有着十分广泛的 应用前景。它能大大增加场景的真实感，是观察着得到更加真实的体验。目前已成为在AR领域使用较为广 泛的基于视频检测的二次开发工具之一【4】。 在中小学教育中，演示模型的使用不仅可以增加教学中的乐趣，同时也能提高教学效果，使讲授的知识 · SupportedbytheNaturalScienceFoundationofJiangsuProvinceunderGrantNo．BK2007050(江苏省自然科学基金) 作者简介t田洪波(1985．)．男。山东人。苏州大学计算机科学与技术学院在读硕士生，主要研究领域主要研究领域为计算 机图形学．石冈I](1984-)，男，江苏徐州人。苏州大学计算机科学与技术学院在读硕士生，主要研究领域为计算机图形学，虚 拟现实．马小虎(1964-)，男，江苏苏州人。苏州大学计算机科学与技术学院教授。硕士研究生导师．主要研究领域为计算 机图形、图像处理技术等。 第三届全国教育游戏与虚拟现实学术会议 135 更容易被学生理解和接受。但是各种各样的教学模型体积大重量沉，教师携带到教室上课极为不便，学校在 这方也需要投入大量的资金来进行设备仪器的购进和管理。现在学校中多媒体的应用已经十分广泛，大多数 学校教室中都配备了多媒体投影仪。使用增强现实技术生成三维演示模型，不仅能给老师上课带来极大的便 利，也能减少学校的投入，增加课堂的趣味性。本文主要讨论了一种使用ARToolKit[51生成三维模型的方法。 1 ARTool瞄t简介 为了能够进行增强现实应用开发，现在已经有多种用于AR系统开发的工具包和API，如ARToolKit、 Coin3D和MRPlatform等【酊。ARToolKit是一套基于C和c++语言和基于视频检测的增强现实系统的二次开发工 具包。该工具包支持将Direct3D、OpenGL图形和VRML场景叠加到视频流中，利用计算机视觉技术实时计算 观察者视点相对于已知标识的位置和姿态，并将虚拟物体叠加到标识点上，支持计算机显示器和头盔显示器 等多种显示设备，其实时、精确的三维注册功能使得研究人员能够非常方便、快捷地开发增强现实的应用系 统。 1．1ARToolKit的体系结构 ARToolKit是一个类似于GLUTToolkit的软件。它提供了一组预定义的函数库，通过调用这些函数来开 发增强现实系统。ARToolKit使用OpenGL渲染图形，用GLUT作为Windows事件处理模块和硬件相关的视 频库以及标准API。它的体系结构如图1所示。 Application ARToolkit GLUT OpenGL StandardAPI VideoLibrary OperatingSystem 3DGraphicDriver VideoDriver Fig1ThestructureofARToolKit 圈1ARToolKit的结构图 1．2ARTooll(it的坐标系统 如何有效的计算世界坐标系于摄像机坐标系之间的转换矩阵，是增强现实系统所面临的主要问题之171， ARToolKit也不例外隅i。ARToolKit涉及较多的坐标关系，主要有摄像机坐标系、屏幕坐标系、标记物坐标系和 观察坐标系等。这些坐标系及各个坐标系之间的关系是实现标记检测和虚拟物体在真实场景中进行三维注册 的关键。在开发过程中使用的坐标系如图2所示。 ARToolKit中有标记坐标系、屏幕坐标系和摄像机坐标系。这几个所标系的相互转换关系如下： (1)摄像机坐标系与标记物坐标系的关系 Ixi=雕"Rll R12 R13烈T11VXM州1 m=悟惫乏淞H乏I m【-o o o 1jLl j L J EGVR'2009中国Ⅱ苏淮安 剐耄0㈣=c圈 其中T0为摄像机坐标系与标记物坐标累的变换矩阵；。为摄像机参数，为B知量；M为标记物坐标系，也就 是世界坐标秉；R为3×3单位正空矩阵．T为!维平移向量；傻摄像机机的焦距；(x，y)为空闻任意一点p的物 理坐标。通过以上两个公式就可以计算出相关参数．从而完成整个三维场景的注册。 。i赣乱 Fig2Coo『dinatesystemofARTOOIKIt 图2ARToof陆的坐标系统 2基于ARToolKit的教学三维模型演示的工作流程 车文描述的系统主要使用ARToolF&获得三维坐标并进行相应的转换和虚拟物体在现实空间中的三雏注 册·利用OpcnGL进行三维物件的建模和物件在珊实环境中的渲染。 Fig3WorkingprocessoftMssystem 图3本系统的I作流程 第=届垒田教育游戏与虚拟现实学术会议 在参考文献【8】中讲述T基于ARToolKjt的系统的开发流程(1)初试化摄像机，并读^摄像机参数和标 准模扳库：(2)获取一帧图像：(3)标识识别；(4)视点与目标矩阵之何转换矩阵的计算，(5)根据转换矩 阵叠加虚拟场景。(6)关闭祝频流。其中第=步到第j步是一十循环过程．直到程序结柬。第一步和第六步 只在系统韧始化和m＆时执行。 由上进步骤，我们目以得出需要开发的系统应该有：利用ARTooI瞄t获得摄像机相对于标记物的位置。 首先根据预先设定的阐值将从视频流中获得的时转化为=值图像。然后搜索的到的二值图像中的方形区域， 把拽到的方形区域和预先设定的标记图像进行№较．如果匹配则ART00IKit认为找标记．然后通过数学的方 法计算得到摄像机的位置。最后根据变化矩阵的到虚实之问的注册．将虚拟物体绘制到真实环境中。下圈说 明7ARToolKit的具体I作过程。 3实验结果 本文使用ARTooI“t对增强现实横型演示进行T相应的实验，建立了甲烷分子的球棍模型(正四面体结 构)．实验机器的操作系统是MicrosoftWindowsxPs蝴．自存为1GB；程序使用Mi口osoftVisualc++2005 编写；使用ope【IGL31建立和渲染；维模型；摄像机采用的是CMOS摄像头，输出帻遗为30fps，分耕宰为 640×480像素．USB2．0接口，圈4为作者实验结果的截图，模拟了化学有机物分子结构演示的过程．启动 程序后将标记扳7移动到摄像头的画面中，使整个标记完全都在画面之内。程序就击识别到标记．然后在标 记上方高度为50处绘制出一十甲烷丹子模型。教果如图4所示，图4(a)是检测到标记后在标记板赴附加T相 应的3D模型通，图4(b)是将标记扳旋转一定角度后，模型也做了相应的旋转，可以展示模型的其他方向。 4结束语 (a)标记板初试位置 Fig4Expenment∞sulIs 图4寅验结果 巾)将标记板旋转一定角度 增强现实系统的开发是一项十分复杂的工作．难度比较太。ART∞IKJt为增强现实技术的应用提供了一 种方便快捷的开发I具，但是应用起来仍然有一定的难度。本文所阐述的实验是A1)ffoolKJt在三维教学模型 演示中的应用的探索r获得了较好的结果．增强现实技术应甩到教学模型演示中，能很好的降低成本，增加 教学过程中的趣味性，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。在今后可以增加交互性操作和使用头戴显示 器方面进行研究，以获得更好的效果。 R¨erences： 【1l ^Milgr舯,etal，1Augm呲dR％lity：ACLassofDis01ays。DmeRealityVi^ualityConUn”m“inP咻ⅢTeiemonipelad*and～∞n∞T∞hnologios·sPIE．i9"．282292 138 EGVR‘2009中国江苏淮安 [21 【3】 【4】 【5l 【6】 【8】 AzumaRT．ASurveyofAugmentedReality【J】．TdeoperatorandVirtualEnvironments，1997．6(4)：355—385． MarkBillingimrst,HirokazuKato，IvanPoupyrev．ThcMagicBook：atransitionalARinterface【J】．Computers＆Graphics25 (2001)745—753 YongChang，Zi-shcngWang．Researchon3DVisualizationofCrystalMolecularStructureBasedouAugmentedReality． InternationalConferenceonComputerScienceandSoftwareEngineering，2008． A‰1Kitwebsite．http：／1www．hitl．washington．edu／ARToolKit／ ZhuMiao-liang，YaoYuan，JiangYun—liang．ASurveyoilAugmentedReality【J】．JournalofImageandGraphics。2004。9(7)： 7672774． Y．Uematsu，H．Saito,Multiplep】anesbasedregistrationusing3DProjectiveSpaceforAugmentedReality，ImageVis，Comput。 (2009)．doi：10．101印．imavis．2009．01．003 Renbo，GuanTao。LiLi-jun．ExploitingandApplyingofAugmentedRealitySystemBasedonARToolKit[J]．Computer Systems&Applications，2006．1：81—84． 附中文参考文献： 【61 朱淼良．姚远，蒋云良．增强现实综述【J】．中国图像图形学报。2004．9(7)：7672774． 【8】 任波，管涛，李利军．基于ARToollCdt的增强现实系统的开发与应用【J】．计算机系统应用，2006。1：81-84． 基于ARToolKit的三维教学演示模型设计与实现 作者： 田洪波， 石刚， 马小虎 作者单位： 苏州大学计算机科学与技术学院 江苏 苏州 215006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7178108.aspx