CC BY
5
УДК 004
Безмолитвенная Ю.В. студент 2 курса ДГТУ
Научный руководитель: Барашко Е.Н.
Россия, г.Ростов-на-Дону НОВЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ДОПОЛНЕННОЙ (ИЗМЕНЕННОЙ)
РЕАЛЬНОСТИ
Аннотация: в данной статье рассматривается проблема визуализации информации, так как она является актуальной в настоящее время. Анализируются различные методы для реализации дополненной реальности. Выделяются и описываются характерные особенности каждого из методов.
Ключевые слова: дополненная реальность, визуализация, метод, технология, трекинг.
Y. V. Bezmolitvennaya 2nd year bachelor student
DSTU
Scientific adviser: Barashko E.N.
Russian Federation, Rostov-on-Don NEW METHODS FOR AUGMENTED (CHANGED) REALITY
Annotation: The problem of data visualization is considered in this article, because it is actual now. Different methods of realization of their augmented reality are analyzed. Characteristic features of every method are allocated and described.
Key words: modified reality, visualization, method, technology.
Из основополагающей проблемы интерфейсного взаимодействия между человеком и компьютером (программой) следует проблема визуализации данных. В настоящее время визуализация является основой коммуникации и репрезентации информации. Совместное использование различных средств представления и передачи информации улучшает её восприятие и запоминание для человека. Дополненная реальность считается настоящим прорывом в области технологий визуализации информации, так как совмещает в себе реальный и виртуальный мир. Она уже находит своё применение в постоянно возрастающем количестве сфер деятельности (медицина, военная техника, промышленность, навигация и др.).
Реализация технологии дополненной реальности (augmentedreality, AR) требует две основные программные составляющие: визуализация и трекинг. Трекингом является процесс, связанный с отслеживанием наблюдателя относительно окружения.
В настоящее время выделяют следующие виды трекинга:
1. Ультразвуковой;
2. Радиочастотный;
3. Магнитный;
4. Оптический;
5. Инерциальный;
6. Гибридный.
Ультразвуковой метод предполагает собой использование соответствующих приборов слежения, которые используют высокочастотные звуковые волны для определения положения объекта. Суть этого метода в измерении времени между отправлением и приёмом сигнала звуковой волны. Достоинства: хорошая точность измерения координат и углов; возможность построения практически любой рабочей зоны.
Недостатки: зависимость скорости звука от различных факторов внешней среды;необходимость точной калибровки приёмников; малый радиус.
Радиочастотный метод так же является прорывом среди технологий визуализации информации, как и ультразвуковой метод, она использует измерение времени между отправлением и приёмом сигнала звуковой волны. Но ее основное отличие заключается в том, что она использует совершенно другую природу волны - для определения местоположения объектов используются радиосигналы, что позволяет ей транслировать сигнал на более дальние дистанции. К сожалению, за счет такого способа работы технологии, методы данного типа недостаточно точны.
Таблица 1. Сравнительная характеристика волновых методов
Ультразвуковой метод Радиочастотный метод
Способ передачи Ультразвук Радиочастота
и точность (низкая) (средняя)
Качество Не зависит от условий Зависима от условий
пространства пространства
Точность 1-10см 10-15см
Дистанция 3-10см 7-10см
Ультразвуковой метод подойдет для использования внутри небольших помещений, а более точным методом на больших дистанциях является радиочастотный метод при соблюдении специальных условий.
Магнитный метод основывается на измерении интенсивности магнитного поля в разных направлениях. Обычно в таких системах есть база (станция), которая генерирует постоянное или же переменное магнитное поле. Увеличение расстояния между точкой измерения и базой уменьшает силу магнитного поля, поэтому есть возможность определить местоположение контроллера. Распределение магнитного поля меняется по различным осям, когда точка измерения вращается - это позволяет определить ориентацию. Достоинством данного метода является высокая точность в определенных условиях. Недостатком данного метода является его подверженность помехам.
Таблица 2. Сравнительная характеристика методов
Ультразвуковой метод Радиочастотный метод Магнитный метод
Способ передачи и точность Ультразвук (низкая точность) Радиочастота (средняя точность) Магнитное поле ( высокая точность)
Оборудован ие Не требует дополнительных установок Не требует дополнительных установок Необходимос ть в наличии станции
Помехоусто йчивость Сильная помехоустойчивость Средняя помехоустойчивость Слабая помехоустойчив ость
Точность 1мм на 1° точности 10-15см 1-10см
Для реализации трёх вышеописанных видов трекинга требуется специальное техническое оснащение, чтобы отслеживать ультразвуковые волны, радиочастоты и интенсивность магнитного поля, что является несколько сложным и не всегда точным.
Оптические методы используют камеры и алгоритмы компьютерного зрения, которые отслеживают местоположение объекта.
Компьютерное зрение - это некая теория, которая является фундаментальной для развития технологий дополненной реальности. Эта дисциплина направлена на анализ и обработку изображений и видеопотока. Алгоритмы компьютерного зрения для дополненной реальности осуществляют поиск специальных маркеров в видеопотоке.
В оптическом методе имеется два подхода определения местоположения: Outside-in (камера является неподвижным внешним наблюдателем, определяющим положение движущегося объекта в пространстве по точкам) и Inside-out (камера находится на движущемся объекте, отслеживая движение относительно статических точек в окружающей обстановке).
Оптический трекинг делится на:
1. Трекинг на базе маркеров. Маркеры - это специальные метки, которые служат идентификаторами для программного обеспечения, которое обрабатывает полученную информацию и сопоставляет виртуальные объекты с изображением реальных предметов.
Преимущества:
• создание более жёсткой связи реального объекта и виртуальной модели;
• работа практически без сбоев, надёжность;
• распознавание маркеров происходит проще;
• нет необходимости в акселерометре или компасе.
Главным недостатком технологии на базе маркеров является то, что маркером может выступать только черно-белое изображение/текст на бумаге, геометрические фигуры.
2. Безмаркерный трекинг. Эта технология чаще всего используется в портативных устройствах. Для создания дополненного объекта используются датчики: акселерометр, GPS, гироскоп. Суть безмаркерной технологии в том, что на зафиксированное камерой изображение накладывается сетка. На этой сетке находятся точки опоры, которые определяют место, где будет привязана виртуальная модель.
Преимущества:
• портативность;
• любой объект реального мира является маркером;
• не требует создания специальных визуальных определителей.
Недостатки:
• низкая эффективность распознавания;
• большой объём необходимых расчётов;
• медленная работа приложений, созданных на данной базе, что исключает возможность их использования в режиме реального времени.
Безмаркерный трекинг удобен для портативных устройств, но приложения на его базе довольно медленные, что не даёт использовать их в режиме реального времени, когда трекинг на базе маркеров предоставляет такую возможность, но требует наличия идентификатора, которым выступает черно-белое изображение.
Таблица 3. Сравнительная характеристика двух видов оптического метода
Трекинг на базе маркеров Безмаркерный трекинг
Фиксация Необходимость фиксации камер прямой видимости Использование нефиксированных датчиков
Качество Поддержка ШПМ 1080р и выше Поддержка ШПМ 1080р и выше
Доступность Зона видимости 360° Зона видимости 360°
Эффективно сть распознавания Возможность использования в режиме реальном времени Невозможно использовать в режиме реального времени
Инерциальные методы используют современные инерциальные измерительные системы (IMU) на основе MEMS-технологии, которые отслеживают ориентацию в пространстве с достаточно большой точностью и минимальными задержками. Использование акселерометра, GPS и гироскопа позволяет применить данный метод для построения навигатора для автомобиля, где путь строился бы прямо на дороге в режиме реального времени.Главным достоинством данного метода является автономность. Недостатки заключаются в том, что метод является уточняющей технологией, так как требует периодического обновления местоположения с помощью
реперных точек, имеются ложные срабатывания и высокое энергопотребление.
Гибридные методы позволяют повысить эффективность проекта, так как каждый из вышеперечисленных методов имеет свои недостатки. Данные методы основаны на алгоритмах "SensorFusюn". Недостатком является затрудненность его использования в условиях города, так как распространение сигнала многолучевое.
Таблица 4. Сравнительная характеристика инерциального и гибридного
метода
Инерциальные методы Гибридные методы
Длительность шума 40 сек 30-32 сек
Задержка отклика 25сек 25сек
Частота видеокадров 20-25Ггц 30Ггц
Качество Поддержка fullhd 1080p и выше Поддержка fullhd 1080p и выше
Таким образом, оптический метод является наиболее реализуемым для дальнейшего удобного и эффективного использования дополненной реальности широкой аудиторией. Гибридный метод позволяет добиться наилучшей точности.
Каждый метод имеет свои особенности, которые могут значительно влиять как в положительную, так и в отрицательную сторону на достижение желаемого результата, который зависит от некоторых аспектов: область применения, специфика обслуживания, стоимость - это необходимо учитывать в реализации любого проекта дополненной реальности.
Использованные источники:
1. И. А. Благовещенский, Н. А. Демьянков, Технологии и алгоритмы для создания дополненной реальности, Модел. и анализ информ. систем, 2013, том 20, номер 2, 129-138.
2. Овчинников С.В. Системы позиционирования и мониторинга // Технологии и средства связи. - 2014. - № 2. - С. 18-22.
3. Xiang Zhang, Stephan Fronz, Nassir Navab. Visual Marker Detection and Decoding in AR Systems: A Comparative Study. / Xiang Zhang, Stephan Fronz, Nassir Navab // Proceedings of the International Symposium on Mixed and Augmented Reality, 2002. - С. 1-7.
