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ARToolKit增强现实实践文档

2016年08月31日 15:49:5022950

前言: 这是为山东大学“可视计算”暑期学校 “Programming Practices in Augmented Reality” AR编程实践写的参考教程。鉴于本人在Windows系统下工作,整个文档偏重描述Windows系统下的整个DIY流程。请至simpleARDIY Github下载相关代码和文档。

增强现实技术,是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成的新技术,它获取现实世界的数据(可以是图像、文字,地理位置等等),然后把计算机虚拟的数据与现实世界的数据叠加之后再呈现给用户。ARToolKit是一个开源增强现实(Augmented Reality, AR)软件库,用来快速构建增强现实应用。

ARToolkit安装配置

ARToolKit提供了多个平台下预编译的SDK,从官网下载页面获取安装文件。(愿意尝试的同学可以从ARToolKit Github下载源码,参考Building ARToolKit from Source自己编译ARToolKit。)

Windows

  • 运行ARToolKit安装文件,按照提示安装完毕
  • 增加ARTOOLKIT5_ROOT\bin到系统环境变量PATH

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第1张

 

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第2张

Linux / MAC OS X

  • 在终端命令行解压文件包
tar xzvf ARToolKit5-bin-*.tar.gz
  • 设置环境变量
// Example assumes ARToolKit is in ~/SDKs/
cd ~/SDKs/ARToolKit5/
./share/artoolkit5-setenv

验证安装

安装完毕后,运行ARTOOLKIT5_ROOT\bin目录下的示例程序,例如simpleLite.exe。

相机标定

ARToolKit软件库中默认使用的相机参数包含在相机参数文件camera_para.dat中,每次AR应用启动时读取参数文件camera_para.dat,此参数适用于多数应用,但是为了获得更好的精度,通常每个不同的相机需要单独标定。

ARToolKit软件库的相机标定工具calib_camera.exe位于ARTOOLKIT5_ROOT\bin目录,标定用的棋盘格文件ARTOOLKIT5_ROOT\doc\patterns\Calibration_chessboard_(A4).pdf需提前打印到A4纸,粘贴在卡片或者板子上(使其保持平整)。

标定步骤

  • Windows
calib_camera.exe
  • Linux / MAC OS X
./calib_camera
  • 此时,命令行终端会显示默认的参数设置。一般情况下,使用默认参数即可,若想修改参数,请输入帮助选项calib_camera --help查看帮助提示。
CHESSBOARD_CORNER_NUM_X = 7
CHESSBOARD_CORNER_NUM_Y = 5
CHESSBOARD_PATTERN_WIDTH = 30.000000
CALIB_IMAGE_NUM = 10
Video parameter:
Using default video config.
Image size (x,y) = (640,480)
  • 此时相机启动,用相机拍摄棋盘格,当相机拍摄到所有棋盘格内角点时,角点记号X呈红色,成功的标定画面如下图a;当相机找不到棋盘格的全部角点时,角点记号X呈绿色,如下图b,

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第3张

  • 当相机捕获的图像中内角点全部呈红色时,按下键盘空格键,捕获当前帧。为了取得更好的标定效果,相机应从多个不同角度拍摄棋盘格,

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第4张

  • 一旦所有的标定图像(默认10张)被获取,标定数据会输出到命令行终端并提示键入参数文件名

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第5张

  • 若标定数据良好,每张图片的标定误差应小于1像素,若误差超过2像素,应重新标定。 键入文件名,例如camera_para.dat,回车,保存相机参数。

使用相机参数

暂时将相机参数文件保存在某个地方,后面的应用会用到此参数文件。

标记的设计和训练

ARToolKit能够识别正方形标记(Square Marker)并在视频序列中对其进行跟踪,这是所谓的传统模板标记跟踪技术。标记往往是由用户创建或者打印出来的图案。ARToolKit软件库ARTOOLKIT5_ROOT\doc\patterns目录下提供了一些可以直接使用的预先设计好的标记,例如Hiro_pattern_with_border.pdf展示的Hiro标记,

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第6张

将这些标记文件打印出来,粘贴在卡片或者板子上(使其保持平整)。

设计新标记

除了直接ARToolKit软件库提供的标记,我们也可以设计自己喜欢的标记,但是定制标记必须满足以下要求:

  1. 必须是方形的;
  2. 必须有连续的边界颜色(通常是指全黑或者全白),且其周围的背景需为对比色(通常指边界颜色的相反颜色,比如全白或者全黑)。默认情况下,边界的宽度是标记长度的25%;
  3. 边界内部的标记图像不能满足旋转对称性(即不能有偶次序的旋转对称),边界内部的图像可以是白色、黑色或者其它颜色。

设计过程

可以通过编辑ARToolKit软件库提供的模板文件ARTOOLKIT5_ROOT\doc\patterns\Blank_pattern.png来创建新的标记。标记可以是任意大小的,在增强现实应用中使用标记的时,可以通过编辑配置文件指定标记相应的大小。

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第7张

自定义的标记如上图所示,标记内部50%的区域被认为是标记图像。标记图像可以是彩色的、黑底白画或者白底黑画,而且可以延伸到边界区域。需要注意的是,超过标记内部50%的标记图像会被ARToolKit所忽略;因此,不要让标记图像超出边界太多,否则当相机角度倾斜较大时ARToolKit识别不出该标记。

另外一种更简单的创建标记的方式可以参考Julian Looser’s web-based marker generator

训练新标记

一旦设计好新标记(上面的IRC标记,从这里下载),将其打印出来。接下来ARToolKit需要“训练”新标记以让其了解该标记的外形。训练过程的输出的一个图案文件,该文件包含了描述标记图像的数据。图案文件使得ARToolKit能够从场景中识别出想要跟踪的标记。例如,在ARToolKit软件库中可以找到Hiro标记的图案文件ARTOOLKIT5_ROOT\bin\Data\patt.hiro。

ARToolKit软件库的标记训练工具mk_patt.exe位于ARTOOLKIT5_ROOT\bin目录。

训练过程

  • 打开终端提示符/命令行提示符窗口,Linux或者OS X系统输入./mk_patt,windows系统输入mk_patt.exe,会看到类似如下的提示

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第8张

  • 输入相机标定过程中保存的相机参数文件路径,回车。此时,相机获取到视频画面,

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第9张

  • 将相机对准标记,使得标记在屏幕上显示为正方形,而且尽可能大。如果ARToolKit识别出了标记,它会在标记周围画上红色或者绿色的方框线。旋转标记使得方框红色的角位于标记的左上角,并单击左键确认。此时,标记训练完成,终端提示符/命令行提示符窗口会提示键入图案文件名,

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第10张

  • 输入你的图案文件的名字(通常以“patt.name”为命名),例如patt.irc,并回车保存。如果你不想保存该文件,直接按回车来启动视频重新训练,或者单击鼠标右键退出程序。一般在训练自定义标记时,需要指定一些参数。运行mk_patt --help,可以查看修改默认设置的帮助提示。

使用新标记

暂时将图案文件保存在某个地方,后面的应用会用到此参数文件。

simpleARDIY - First Sample

simpleARDIY 是一个简单的ARToolKit实践工程,代码和数据请从simpleARDIY Github下载。

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第11张

下面详细介绍DIY流程(Windows VS2013下):

  1. 将DATA目录下的camera_para.dat替换为上面相机标定过程中暂存的相机参数文件,将patt.irc替换为训练好的新标记的图案参数文件,同时修改simpleARDIY.cpp中相应参数文件的路径

    // You need to change these pathes to your own datastatic GLMmodel *gObj = NULL;static const float markerSize = 40.0f; // size of marker, in mm unit, change it for your markerstatic char glutGamemode[32]; static char cparam_name[] = "Data/camera_para.dat"; // camera parameters file, change it for your camerastatic char vconf[] = ""; // defaultstatic char patt_name[] = "Data/patt.irc"; // marker parameter file, change it for your markerstatic char obj_name[] = "Data/bunny.obj"; // model file which will showed on marker, change it for your model(obj format)
  2. 在VS2013中创建新工程
    • File -> New -> Project
    • Win32 Console Application
    • 工程命名为SimpleARDIY
    • OK, Empty Project
  3. 将下载的代码文件和数据拷贝到工程目录
  4. 配置项目属性(新建属性页方式,也可以选择你习惯的方式,只要能让工程找到ARToolkit的头文件和库文件)
    • Property Manager -> SimpleARDIY -> DebugWin32, 右键Add New Property Sheet,命名ARToolKit5_debug.props
    • 双击ARToolKit5_debug.props,编辑当前属性页,将ARToolKit5头文件目录ARTOOLKIT5_ROOT\include添加到Additional Include Directories
    • 将ARToolKit5的库文件目录ARTOOLKIT5_ROOT\lib\win32-i386添加到Additional Library Directories
    • Configuration Properties -> Linker -> input, 将Additional Dependencies设置为ARd.lib;ARICPd.lib;ARgsub_lited.lib;ARvideod.lib;
    • Property Manager -> SimpleARDIY -> ReleaseWin32, 右键Add New Property Sheet,命名ARToolKit5_release.props, 参考上面属性页编辑流程,有一点不同是Release下将Additional Dependencies设置为AR.lib;ARICP.lib;ARgsub_lite.lib;ARvideo.lib;
  5. 将GLM.h添加至head files, 将GLM.cpp和simpleARDIY.cpp添加至source files
  6. Build,OK
    • build过程中提示如果提示glut相关错误,说明系统未安装glut库。请至glut主页下载glutdlls37beta.zip。解压文件,将glut.h复制到VS安装目录下的VC\include\GL文件夹(若无GL文件夹,新建之),将glut.lib和glut32.lib复制到VS安装目录下的VC\lib文件夹, 将glut.dll和glut32.dll复制到Windows\System32和Windows\SysWOW64文件夹。
    • build过程中提示如果提示sprintf, strcpy, strcat相关错误,请右键工程 -> Properties -> Configuration Properties -> C/C++ -> Preprocessor -> Preprocessor Definitions,将宏_CRT_SECURE_NO_WARNINGS;添加到Preprocessor Definitions。

最后,将标记置于相机镜头下,运行效果如图

ARToolKit增强现实实践文档 资源教程 第12张

DIY – Open minds and Have Fun

以simpleARDIY工程为基础,发挥你的创意,构建你自己的增强现实应用。 See these demo videos:

Open minds and Have Fun :-)

Reference

[1] http://www.artoolkit.org/documentation/ 
[2] http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/ 
[3] https://github.com/artoolkit/artoolkit5

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