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摘 要：借用增强现实系统开发工具ARToolKit，将增强现实技术应用于远程课件制作，介绍了系统开发的几个关键技术，其中主要包括增强现实系统中的跟踪注册技术，用于解决网络卡顿现象的SMIL、AJAX技术。
关键词：增强现实 ARToolKit AJAX
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0164-02
随着教育事业的发展，人们对于知识的需求度提高，人们已经不满足于在课堂中学习，远程教育以其无地域性、没有时间限制等优势，迅速发展成为一种新的教学模式。目前远程教学存在以下几个问题：一是课件制作过程比较复杂，画面效果不太好；二是频繁的交互使得远程课件制作平台服务器的负担较重，响应较慢。
增强现实作为虚拟现实的一个分支，是近年来一个研究热点，它将虚拟图形环境和现实环境结合，提供了更加丰富的表现效果，在医学到军事等多个领域得到了广泛应用。因此，考虑将增强现实技术应用于远程多媒体课件制作中，以提供更加丰富的课件表现形式。增强现实系统的开发涉及显示技术、跟踪注册技术、界面与可视化技术和相机标定技术等关键技术，其中，跟踪注册技术负责计算真实世界相对观察者的位置和姿态，将虚拟场景与真实世界更加自然地进行融合（即三维注册）。多媒体课件制作依二次开发工具ARToolKit为基础。
为了解决第二个问题，考虑应用AJAX技术与SMIL技术，这两种技术在多媒体web应用中被广泛使用，AJAX技术减轻服务端的处理负担，SMIL语言为多媒体开发提供了更大的便利。
1 ARToolKit、AJAX、SMIL介绍
1.1 ARToolKit简介
ARTootKil是一套用于开发增强现实系统的二次开发包，它基于c语言，采用基于标识的三维注册方法，增强现实系统开发的关键是计算观察者视点相对于已知标识的位置和姿态，ARToolKit采用计算机视觉技术来解决这个难点，它能够支持基于视觉或视频的增强现实应用，具有实时、精确的优势。ARToolKit提供一套开源的函数库，为开发人员提供了很大的便利。
ARToolKit的工作流程如下，首先，对采集到的视频流进行二值化处理，然后，对标识轮廓进行提取和识别；之后，ARToolKit利用标识区域的变形来计算摄像机相对于已知标识的位置和姿态，最后，根据得到的变换矩阵实现虚实之间的注册。据此，远程多媒体课件制作平台可以首先对视频进行现实场景与虚拟场景的融合，然后发布到网站上。
1.2 AJAX技术与SMIL语言
AJAX（Asynchronous JavaScrit and XML）是现有的多种技術的综合，包括JavaScript、DOM、XML、XMLHttpRequest、HTML、CSS等等。与传统的Click-refresh不同，Ajax技术在客户端与服务器端之间添加中间处理程序，它的工作流程为：用户提交请求，中间处理程序先进行初步处理，返回一部分结果给客户端，（若有需要）中间程序再向服务器传送处理结果，服务器端的负载和网络带宽都得到减轻。
在客户端，AJAX技术通常通过JavaScript程序处理客户端的请求，通过XMLHttpRequest处理程序进行异步的数据查询和检索操作。AJAX技术通过部分更新的方式缩短了响应时间，给用户更好的体验，因此在web应用程序中得到了广泛应用。
SMIL是一种专注于多媒体操纵的语言，相比于HTML，SMIL更加方便处理多媒体素材，如声音素材、视频文件和图片文字，对多媒体素材的位置设计、播放方式、播放时间的设置简单易行。因此，相较于HTML/XHTML而言，SMIL更加适用于远程多媒体课件制作平台的搭建。
2 基于ARToolKit的增强现实系统开发
使用ARToolKit工具包进行增强现实系统开发，首先需要进行摄像头定标、模板制作与训练两项工作。
2.1 摄像机定标
ARToolKit有世界坐标系和摄像机坐标系两种坐标系，它采用基于标识的虚实注册方法，将三维注册问题转换为求解标识坐标系与摄像机坐标系之间的变换矩阵，其变换关系如式（1）。
摄像机定标即确定摄像头内部的几个几何参数，主要包括：焦距、像面中心、像素的水平和垂直间距△，△、倾斜率等。这些内部参数将在系统运行时用于计算三维变换矩阵，因此它们的准确与否将影响系统的精度。ARTooIKit提供了用于摄像头定标的程序，可以方便地获得摄像头的内部参数。
2.2 模板制作与训练
ARToolKit采用基于标识的注册方法，系统根据标识（分配给标识不同的ID）返回的ID来选择要叠加的虚拟场景。因此，在开发之前，必须制作标识，并且进行训练。
ARTooIKit默认的标识是一个正方形，通常带有黑框，开发人员根据自己的不同需求向正方形的白色区域中添加图形，就可以获得不同的标识，如图1所示。在制作标识时，需要注意应该使不同的标识有较大的差异，以提高系统识别的精确度。
通常标识使用之前，需要训练系统对标识的识别，系统将根据不同的标识生成相应的模板文件。ARToolKit提供一个函数arSavePatt来完成标识的训练工作。
2.3 开发流程
利用ARTooIKit进行系统开发必须经过如下几个步骤。
（1）初始化摄像机，读取摄像机参数和标准模板库。
（2）获取一帧图像。
（3）标识识别。
（4）视点与目标标识之间转换矩阵的计算。
（5）根据转换矩阵叠加虚拟场景。
（6）关闭视频流。
其中第二步到第五步是一个循环过程，直到程序结束。第一步和第六步只在系统初始化和退出时执行。 3 AJAX的实现
2005年以后AJAX技术在Google得到了大规模的成功运用，由于AJAX众多的优点，越来越多的软件厂商开始对AJAX进行研发和提供支持。作为.Net平台的开发者，微软推出了AJAX程序开发环境Atlas，并且集成到Visual Studio中，以为AJAX开发提供支持。Atlas框架能够方便地进行结构化操作，为构建GUI用户界面接口提供了良好的支持，并且扩展性较好，使用Atlas框架能够方便地进行开发。
远程多媒体课件制作平台的开发可以使用微软发布的AJAX2.0包，该包提供了良好的AJAX控件支持。JavaScript代码与AJAX技术相结合，能够方便地实现异步交换和页面局部更新的功能。在本远程课件制作平台的实现当中，使用AJAX在服务器与客户端之间实现页面局部更新等功能，需要解決两个问题：一是在客户端实现部分功能，通过JavaScript代码实现所需功能，在客户请求后，首先提交给JavaScript程序处理；二是与服务器的连接，通过JavaScript向服务器提交请求。
4 SMIL和动态导航树的构建
动态导航树像书籍的目录，应用在远程多媒体课件制作平台中，便是课件的信息的组合，将章节、资源标题等组织成树状结构。为了一致，多媒体课件制作平台这部分的资源也组织成为树形结构进行管理。
动态导航树的结构如图2所示，树形结构中的每一个节点关联一个SMIL文件，使用动态导航树，用户可以组织自己的多媒体课件。用户通过对节点进行增加、删除和移动来获得个性化的课件，用户提出请求后，由AJAX技术进行处理，然后提交给服务器。
5 结语
本远程多媒体课件制作平台的开发主要采用了ARToolKit增强现实系统开发工具、AJAX技术和SMIL技术，提供了内容更加丰富、表达能力更强的课件形式，同时提高了平台的响应速度，使用SMIL提供了一种通用的导航树的创建形式。
相较传统的课件制作平台，本系统具有效率高、内容丰富的优势，具有一定的价值和意义。
参考文献
[1] 张晓敏，王振勇.基于流媒体技术的多媒体课件的研究与设计[J].计算机应用研究，2003，17（1）：34-38.
[2] 钟慧娟，刘肖琳，吴晓莉.增强现实系统及其关键技术研究[J].计算机仿真，2008，25（1）：252-255.
[3] 任波，管涛，李利军，等.基于ARToolKit的增强现实系统开发与应用[J].计算机系统应用，2006，15（1）：81-84.
[4] 宋伟，崔军岩，邱保志.远程多媒体课件制作平台关键技术研究[J].河南师范大学学报（自然版），2010，38（4）：148-150.
关键词：增强现实 ARToolKit AJAX
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0164-02
随着教育事业的发展，人们对于知识的需求度提高，人们已经不满足于在课堂中学习，远程教育以其无地域性、没有时间限制等优势，迅速发展成为一种新的教学模式。目前远程教学存在以下几个问题：一是课件制作过程比较复杂，画面效果不太好；二是频繁的交互使得远程课件制作平台服务器的负担较重，响应较慢。
增强现实作为虚拟现实的一个分支，是近年来一个研究热点，它将虚拟图形环境和现实环境结合，提供了更加丰富的表现效果，在医学到军事等多个领域得到了广泛应用。因此，考虑将增强现实技术应用于远程多媒体课件制作中，以提供更加丰富的课件表现形式。增强现实系统的开发涉及显示技术、跟踪注册技术、界面与可视化技术和相机标定技术等关键技术，其中，跟踪注册技术负责计算真实世界相对观察者的位置和姿态，将虚拟场景与真实世界更加自然地进行融合（即三维注册）。多媒体课件制作依二次开发工具ARToolKit为基础。
为了解决第二个问题，考虑应用AJAX技术与SMIL技术，这两种技术在多媒体web应用中被广泛使用，AJAX技术减轻服务端的处理负担，SMIL语言为多媒体开发提供了更大的便利。
1 ARToolKit、AJAX、SMIL介绍
1.1 ARToolKit简介
ARTootKil是一套用于开发增强现实系统的二次开发包，它基于c语言，采用基于标识的三维注册方法，增强现实系统开发的关键是计算观察者视点相对于已知标识的位置和姿态，ARToolKit采用计算机视觉技术来解决这个难点，它能够支持基于视觉或视频的增强现实应用，具有实时、精确的优势。ARToolKit提供一套开源的函数库，为开发人员提供了很大的便利。
ARToolKit的工作流程如下，首先，对采集到的视频流进行二值化处理，然后，对标识轮廓进行提取和识别；之后，ARToolKit利用标识区域的变形来计算摄像机相对于已知标识的位置和姿态，最后，根据得到的变换矩阵实现虚实之间的注册。据此，远程多媒体课件制作平台可以首先对视频进行现实场景与虚拟场景的融合，然后发布到网站上。
1.2 AJAX技术与SMIL语言
AJAX（Asynchronous JavaScrit and XML）是现有的多种技術的综合，包括JavaScript、DOM、XML、XMLHttpRequest、HTML、CSS等等。与传统的Click-refresh不同，Ajax技术在客户端与服务器端之间添加中间处理程序，它的工作流程为：用户提交请求，中间处理程序先进行初步处理，返回一部分结果给客户端，（若有需要）中间程序再向服务器传送处理结果，服务器端的负载和网络带宽都得到减轻。
在客户端，AJAX技术通常通过JavaScript程序处理客户端的请求，通过XMLHttpRequest处理程序进行异步的数据查询和检索操作。AJAX技术通过部分更新的方式缩短了响应时间，给用户更好的体验，因此在web应用程序中得到了广泛应用。
SMIL是一种专注于多媒体操纵的语言，相比于HTML，SMIL更加方便处理多媒体素材，如声音素材、视频文件和图片文字，对多媒体素材的位置设计、播放方式、播放时间的设置简单易行。因此，相较于HTML/XHTML而言，SMIL更加适用于远程多媒体课件制作平台的搭建。
2 基于ARToolKit的增强现实系统开发
使用ARToolKit工具包进行增强现实系统开发，首先需要进行摄像头定标、模板制作与训练两项工作。
2.1 摄像机定标
ARToolKit有世界坐标系和摄像机坐标系两种坐标系，它采用基于标识的虚实注册方法，将三维注册问题转换为求解标识坐标系与摄像机坐标系之间的变换矩阵，其变换关系如式（1）。
摄像机定标即确定摄像头内部的几个几何参数，主要包括：焦距、像面中心、像素的水平和垂直间距△，△、倾斜率等。这些内部参数将在系统运行时用于计算三维变换矩阵，因此它们的准确与否将影响系统的精度。ARTooIKit提供了用于摄像头定标的程序，可以方便地获得摄像头的内部参数。
2.2 模板制作与训练
ARToolKit采用基于标识的注册方法，系统根据标识（分配给标识不同的ID）返回的ID来选择要叠加的虚拟场景。因此，在开发之前，必须制作标识，并且进行训练。
ARTooIKit默认的标识是一个正方形，通常带有黑框，开发人员根据自己的不同需求向正方形的白色区域中添加图形，就可以获得不同的标识，如图1所示。在制作标识时，需要注意应该使不同的标识有较大的差异，以提高系统识别的精确度。
通常标识使用之前，需要训练系统对标识的识别，系统将根据不同的标识生成相应的模板文件。ARToolKit提供一个函数arSavePatt来完成标识的训练工作。
2.3 开发流程
利用ARTooIKit进行系统开发必须经过如下几个步骤。
（1）初始化摄像机，读取摄像机参数和标准模板库。
（2）获取一帧图像。
（3）标识识别。
（4）视点与目标标识之间转换矩阵的计算。
（5）根据转换矩阵叠加虚拟场景。
（6）关闭视频流。
其中第二步到第五步是一个循环过程，直到程序结束。第一步和第六步只在系统初始化和退出时执行。 3 AJAX的实现
2005年以后AJAX技术在Google得到了大规模的成功运用，由于AJAX众多的优点，越来越多的软件厂商开始对AJAX进行研发和提供支持。作为.Net平台的开发者，微软推出了AJAX程序开发环境Atlas，并且集成到Visual Studio中，以为AJAX开发提供支持。Atlas框架能够方便地进行结构化操作，为构建GUI用户界面接口提供了良好的支持，并且扩展性较好，使用Atlas框架能够方便地进行开发。
远程多媒体课件制作平台的开发可以使用微软发布的AJAX2.0包，该包提供了良好的AJAX控件支持。JavaScript代码与AJAX技术相结合，能够方便地实现异步交换和页面局部更新的功能。在本远程课件制作平台的实现当中，使用AJAX在服务器与客户端之间实现页面局部更新等功能，需要解決两个问题：一是在客户端实现部分功能，通过JavaScript代码实现所需功能，在客户请求后，首先提交给JavaScript程序处理；二是与服务器的连接，通过JavaScript向服务器提交请求。
4 SMIL和动态导航树的构建
动态导航树像书籍的目录，应用在远程多媒体课件制作平台中，便是课件的信息的组合，将章节、资源标题等组织成树状结构。为了一致，多媒体课件制作平台这部分的资源也组织成为树形结构进行管理。
动态导航树的结构如图2所示，树形结构中的每一个节点关联一个SMIL文件，使用动态导航树，用户可以组织自己的多媒体课件。用户通过对节点进行增加、删除和移动来获得个性化的课件，用户提出请求后，由AJAX技术进行处理，然后提交给服务器。
5 结语
本远程多媒体课件制作平台的开发主要采用了ARToolKit增强现实系统开发工具、AJAX技术和SMIL技术，提供了内容更加丰富、表达能力更强的课件形式，同时提高了平台的响应速度，使用SMIL提供了一种通用的导航树的创建形式。
相较传统的课件制作平台，本系统具有效率高、内容丰富的优势，具有一定的价值和意义。
参考文献
[1] 张晓敏，王振勇.基于流媒体技术的多媒体课件的研究与设计[J].计算机应用研究，2003，17（1）：34-38.
[2] 钟慧娟，刘肖琳，吴晓莉.增强现实系统及其关键技术研究[J].计算机仿真，2008，25（1）：252-255.
[3] 任波，管涛，李利军，等.基于ARToolKit的增强现实系统开发与应用[J].计算机系统应用，2006，15（1）：81-84.
[4] 宋伟，崔军岩，邱保志.远程多媒体课件制作平台关键技术研究[J].河南师范大学学报（自然版），2010，38（4）：148-150.