紅外線數位浮水印結合擴增實境之創新影像顯示應用
王希俊 劉文心 陳怡惠
國立臺灣師範大學科技學院圖文傳播學系
摘 要
擴增實境 (Augmented Reality, AR) 隨著電腦科技與影像技術的發展逐漸 成熟,應用範圍也越來越廣,其結合人眼所見之真實世界外,並增添虛擬物件 以提供資訊與人機互動之介面,為影像顯示科技與數位內容的整合應用。但其 在軟、硬體介面上仍需要並不美觀的辨識用圖樣以利系統定位及將虛擬物件合 成於真實影像中,因此,本研究採用數位半色調的網點加密技術及色墨中碳黑 在紅外光下的光學特性,將傳統擴增實境所需之不美觀的辨識用圖樣予以隱 藏,使辨識用圖樣以更符合自然的方式融入人們的日常生活,在不需特殊輸出 設備或材料下增加圖文的使用空間,讓書本可符合傳統使用者閱讀習慣外,亦 可用擴增實境技術以顯示雙重知識內容的功能。
關鍵詞:數位半色調,紅外線浮水印,擴增實境。
INNOVATIVE IMAGE DISPLAY WITH THE INTEGRATION OF INFRARED DIGITAL WATERMARK AND AUGMENTED REALITY
Hsi-Chun Wang Wen-Hsin Liu Yi-Hui Chen
Department of Graphic Arts and Communications, College of Technology National Taiwan Normal University
Taipei, Taiwan 10610, R.O.C.
Key Words: halftoning, infrared watermarking, augmented reality.
ABSTRACT
With the rapid advances of computer technology, the application of augmented reality (AR) has been extended to various fields. In order to enhance human’s perception, augmented reality is used to blend real scenes and virtual objects. However, there are still some limits in the interfaces of AR systems, especially the visually-intrusive AR markers. In this study, we propose a design method based on the digital halftoning technique and the characteristics of carbon black under infrared (IR) detection. It provides AR system a novel solution for marker design which makes markers invisible to human eyes and visible under IR detection. By using this method, the content on paper is not only suitable for human reading, but also can be recognized by computers for later augmented 3-D virtual object display.
一、前 言
Ivan Sutherland
在 1968 年所製作的頭戴示影像顯示裝 置 成 為 虛 擬 實 境 (Virtual Reality, VR) 與 擴 增 實 境
(Augmented Reality, AR)
系統的研究先驅,而在其後數十 年間,由於電腦資訊科技的發達,電腦繪圖、追蹤技術以及可攜式電腦的進步及普及化,使得其應用領域愈來愈廣 泛。目前較為大眾所熟知的是虛擬實境 (Virtual Reality) 及其相關的應用,包括:遊戲娛樂、教育、藝術表現、博 物館展示、電子商務、醫學模擬、景觀模擬、科學視覺化、
軍事及航太、機器人等。然而虛擬實境發展得愈成熟,其 限制也逐漸顯現,其中和一般人視覺經驗較突兀者即為虛 擬物件與真實影像仍有相當差距,且無法和日常生活的實 際體驗相聯結,所以擴增實境 (Augmented Reality) 即因應 而運用日趨廣泛,其可在真實世界的場景加入增添的虛擬 物件,使人眼的感知與真實世界相連結,再額外加上內容 資訊以及即時的互動,使得使用者較易融入既有的環境中。
然而,擴增實境的硬體介面並不如預期般地接近我們 的生活,舉例來說,在擴增實境的應用中相當具代表性的 作品-美國華盛頓大學所發展的「魔法書」 (Magic Book)
[1]
,其可應用在娛樂以及教學上做為影像顯示內容的輔助 工具,運用擴增式實境提供閱讀者具體的視覺呈現與互 動,但是其供電腦辨識用圖樣 (marker) 卻會在一般的書籍 編排上產生突兀感,不符合長久以來人類閱讀的習慣。為 了使擴增實境的應用能更符合人類生活的介面及美觀功 能,本研究利用紅外線數位浮水印技術來改良擴增實境之 介面,此研究主要結合混合網點以及噴墨墨水的特性來製 作出可隱藏於人眼視覺中的紅外線數位浮水印。在完成了 紅外線浮水印的製作後,本研究將此技術與擴增實境結 合,原本在傳統擴增實境對人眼無額外意義以及不美觀的 定位辨識用圖樣,透過本技術隱藏於可視的圖文中,以節 省空間;再利用具紅外線功能的攝影機進行偵測並將所對 應之資訊呈現在電腦螢幕上,使得閱讀者不僅可以從平面 紙本的閱讀得到所需資訊,也可以藉由攝影機偵測讀取隱 藏在其中的辨識用圖樣,進而顯示立體物件及動畫效果。為使工程科技與人文藝術有更完整的結合,本研究將
「紅外線浮水印技術」及「擴增實境」與「數位內容」做 整合設計,利用紅外線浮水印技術製作出隱藏的擴增實境 辨識用圖樣之平面書籍,再透過攝影機擷取隱藏於書中的 定位標誌,以 3D 動畫呈現於螢幕上,讓現代科技打破傳 統實體書籍僅能呈現 2D 畫面的限制,使人文藝術內容為 創新影像顯示科技帶來更豐富且動人的意涵。
二、文獻回顧
1.
數位半色調技術在印刷的製程中,印刷機或是印表機僅能控制著墨與 否的兩階輸出,連續調影像必須透過半色調技術的方式來 模擬顯示。早期印刷技術利用網屏,以照相的類比方式對 影像進行過網來形成網點,但隨著電腦技術的進步,數位 化的印刷製程乃是利用電腦來運算半色調網點以模擬連續 調影像,達到圖像複製的目的。數位半色調演算法,即是 利用數位影像轉換成符合輸出設備特性的網點,使之包含
表一 常用之8 × 8的臨界值矩陣[2]
61 53 41 33 37 52 60 64 57 45 25 13 17 32 48 56 49 29 21 5 9 24 28 44 39 19 11 1 3 8 16 36 35 15 7 4 2 12 20 40 43 27 23 10 6 22 30 50 55 47 31 18 14 26 46 58 63 59 51 38 34 42 54 62
許多不同類型的大小或疏密網點,來顯示圖像濃淡的變 化;另因人眼具有低頻濾波器 (low-pass filter) 的特點,在 一定距離觀看半色調影像時,會產生對影像墨點的旋積
(convolution)
模糊效果[2, 3],使得人眼又看來像是連續調 的影像且不會察覺到網點的細微結構。目前已有多種數位半色調演算法,依演算方式及網點 呈現方式的不同,主要分為兩大類:點陣調色法 (ordered
dithering)
和誤差擴散法 (error diffusion),點陣調色法所形 成的網點稱為調幅網點或 AM (amplitude modulation) 網 點,其主要特色是網點的組成是大小不同但網點之間距相 同,而點陣調色法最常見的演算方式是將影像劃分成不重 疊的連續區塊,再以臨界值矩陣對影像區塊進行半色調處 理,其中臨界值矩陣排列的方式和大小可依實際輸出的條 件作調整,此處以點陣調色法中網屏角度 0 度且大小為 8 ×8
的臨界值矩陣 (表一) 為例作說明,此矩陣之大小表示網 點之尺寸,矩陣中數字會影響其著墨的順序,因此可藉以 控制過網後產生網點之大小以及排列方式,將一灰階影像(
圖 1(a)) 做數位過網,利用方程式 (1) 與臨界值矩陣可得 到兩階化的半色調影像[2]。1 (i, j) (m, n)
(i, j) when
0 (i, j) (m, n)
g' t
b
g' t
⎧ >
= ⎨⎪
⎪ <
⎩
(1)
其中,i, j 分別代表其像素所在位置之座標值,m, n 為 臨界值矩陣的尺寸,b(i, j) 為二階影像個別像素點 (在此 1 表示黑點,0 表示白點),g(i, j) 為灰階影像階調值,t(m, n) 為臨界值矩陣,而 g′(i, j) 為灰階影像調整後的階調值,其 定義如方程式(2)所示:
g
′(i, j) = m × n × (1 − g(i, j)/255)(2)
經上述處理後,可得到圖 1(b) 般之調幅網點影像。相 對於點陣調色法,另一類網點則是採用誤差擴散法[2]所形 成,亦稱調頻網點或 FM (frequency modulation) 網點,其 網點之特色是網點大小相同但距離不同,如圖 1(c)。FM 網 點之主要特徵為由相同大小網點構成,但點與點之間的距(a) (b) (c)
圖1 將灰階影像 (a) 用不同網點結構做數位過網的半色調影像:(b) AM網點 (c) FM 網點
離不同,也就是振幅固定而頻率改變,其所形成的半色調 影像是利用網點疏密來表現階調,所以在影像中亮部有較 佳之表現,暗部則因網點擴張 (dot gain) 造成階調容易喪 失。由於本研究設計之浮水印以達到視覺灰平衡的隱藏效 果為目的,因此在階調表現與網點分佈位置均要同時考 量,而 AM 網點可對於位置作較為精確的調控,本研究採 用 AM 及 FM 混合網點建構隱藏資訊的半色調影像。
2.
紅外線與色墨的光學特性光線是一種輻射電磁波,而人類的視覺僅感知波長
400 nm (
紫) 到 700 nm (紅) 的範圍,一般稱為「可見光」(visible)
區,低於 400 nm 為紫外光區,高於 700 nm 為紅 外光區。紅外線及紫外光線是人類無法以肉眼感知的區 域,但由於影像科技的發達,可利用各種特殊的感應器(sensor)
,將偵測範圍從「可見光」部份向兩端擴展,因此紅外線雖無法被肉眼所觀察,但可透過儀器擷取的特性也 在近年被廣泛應用,例如:夜視鏡、SARS 期間大量即時 偵測體溫之紅外線成像儀等。紅外線依其波長不同又分為 三種類,分別為:波長從 0.7~3 μm 的範圍為近紅外線區
(near-infrared region)
;波長從 3~30 μm 的範圍是中紅外線 區 (middle-infrared region);及波長從 30~1000 μm 的範圍 則是遠紅外線區 (far-infrared region)。當光波穿過介質時,會將部份能量傳遞給介質,且當光 波穿過介質時,它的振幅會逐步下降,如果只有極小部分能 量被吸收,則可稱此介質對於該種光波是透明的;反之,若 所有的能量都被吸收,便稱該介質為不透明。介質對光波的 吸收是有選擇性的,也就是它們吸收某些特定波長的光波,
印刷用的黑 (black, K) 墨含有碳黑,其在工業上常用來加強 色彩的黑度值 (blackness),於光譜中的紅外線區域表現較大 的被吸收率,相反的,Cyan (C,青),Magenta (M,洋紅),
Yellow (Y
,黃) 油墨並不吸收紅外線 [4]。由於噴墨印表機是依 Cyan、Magenta、Yellow、Black 四種印刷原色作列印 輸出,利用數位半色調過網計算後可在設定的位置進行著 墨,所以四色輸出即可模擬出網點的分佈,因碳黑吸收紅外 線區,而青、洋紅、黃色等色料在紅外線下則幾乎呈現透明 的特性,即可製作出具隱藏效果之紅外線浮水印,雖然市面
上有很多特製的紅外線油墨亦可達成以紅外線偵測隱藏訊 息之功能,但本研究基於節省材料成本、簡化製作流程及環 保考量,以 CMYK 四種油墨透過特殊的設計疊印,也能製 作具有隱藏資訊功能的數位浮水印。
3.
擴增實境運用隱藏式辨識用圖樣之現況探討 由於擴增實境的辨識用圖樣由人眼觀看並不美觀,近 年有多位學者提出改進的方法,大致可分為紅外線取像法 及數位浮水印運算法兩大類。2004 年曾有學者提出利用兩 台攝影機分別以紅外線及一般光源同時對同一畫面做影像 擷取並進行擴增實境運算[5],其中一台擷取真實環境畫面 來作擴增實境畫面背景,另一台用紅外線讀取以特殊油墨 製作之隱藏圖形,藉由這兩台攝影機同時作用,合成兩畫 面之功能來達到隱藏辨識用圖樣之擴增實境環境。但是需 要比原有的擴增實境裝置增加額外的攝影機,且其前置過 程也需要使用特殊油墨來製作此擴增實境的介面,此外,後端還須再透過電腦合成,才能達成此效果。在 2005 年又 有學者利用反射式的紅外線偵測裝置[6]來達成隱藏辨識 用圖樣之擴增實境系統,其使用可攜式電腦配合頭戴式顯 示器,上面配有附紅外線 LED 光源之攝影機,在該環境中 預先設置有反射條,電腦所接收到紅外線畫面後,會增添 訊息至頭戴式顯示器,但在肉眼觀察下和一般環境空間無 異。此法亦為一有效隱藏辨識用圖樣於真實環境中之解決 途徑,但是要有許多特殊的前置製作反射條材料來支援此 方法,為其使用上之缺點。在 2007 年有學者利用即時運算 數位浮水印方式,透過電腦取像及運算來解出圖片中所藏 之浮水印以啟動擴增實境運作[7],其流程為先製作數位浮 水印並藏入圖片中來作為擴增實境之介面,機器讀取時再透 過運算還原出隱藏的浮水印標誌 (此處為擴增實境辨識用 圖樣),因此可成功地在人眼視覺無法察覺的狀況下隱藏擴 增實境的辨識用圖樣。但此方法在運算時電腦需要做即時且 大量的複雜處理,因此對電腦硬體設備的要求較為嚴苛。
本研究則以前人研究成果為基礎,應用印刷網點加密 技術,在不需特殊材料及簡化製作流程為目標下,希能達 到隱藏擴增實境之辨識用圖樣,以得到符合人類閱讀習慣 的友善介面。
表二 本研究所使用的設備及工具 桌上型個人電腦
HP DeskJet 1280
噴墨印表機 設備紅外線 webcam
Matlab 2007a
程式語言軟體3D MAX
動畫製作軟體Poser 7
動畫製作軟體Maya
動畫製作軟體 工具VR4 MAX
擴增實境軟體三、研究方法與結果
1.
利用紅外線數位浮水印製作辨識用圖樣本研究以數位半色調技術製作實體影像浮水印,主要 是利用控制圖像區塊的網點微結構之方式來將紅外線浮水 印藏於可視的圖文中,當原稿在紅外光下觀察時,又可以 透過攝影機偵測到隱藏浮水印。在本研究中,使用程式語 言進行影像處理,並利用點陣調色法以網屏角度 0 度的臨 界值矩陣演算網點,經測試尋求與 FM 網點搭配得到最佳 的視覺灰平衡,此時 AM 及 FM 網點擴張效應已一同考 量。再將經測試和調整網點所得到最佳組合,可將辨識用 圖樣 (marker) 隱藏於欲整合之圖文內,利用紅外線攝影裝 置進行取像後,驗證是否能順利在擴增實境環境中運作。
本研究所使用的設備及工具如表二。所列之設備皆為 坊間可取得之桌上型電腦與週邊輸出及取像設備,網路攝 影機具紅外線偵測功能;事實上感測元件 CCD 及 CMOS 除在可見光取像外,都具有偵測部份紅外光區域的能力,
只是大多數攝影機刻意地以濾鏡遮擋其紅外光偵測能力。
含有碳黑的 K 色與設計 CMY 疊印套色的模擬黑色之 間,顏色的表現在理論上並不相等,但在網點較疏時,人 眼並不易察覺,透過此網點特性,在可見光源下可以看到 的圖像 (由 CMY 構成) 會在紅外線下消失,但由碳黑構成 的圖像便呈現出隱藏的浮水印圖案。本實驗在結合製作紅 外線數位浮水印及列印輸出時,利用 AM 網點的不同網線 數來將浮水印嵌入平網圖像內。而 AM 網點結構特性為網 線數越高則網點則越小;反之,網線數越低則網點越大。
但對於人眼視覺來說,只要在一定的距離下觀察時,均無 法分辨其差異,因此,以導表設計隱藏資訊之底紋便以 AM 網點構成。
本研究採用 HP DeskJet 1280 噴墨印表機以解析度
600 dpi
輸出,先做測試找出欲製作浮水印部分適合之臨界值矩陣大小 (如表三) 來進行黑色 (K) 部份之 AM 半色調 過網,其餘部分由印表機輸出青色、洋紅色、黃色 (C、M、
Y)
三色混合之中性灰構成,再利用導表求取人眼視覺差 異最小之搭配組合。將輸出之導表置於光學顯微鏡下觀 察,網點結構如圖 2 所示。其製作方式是應用混合網點,形成步驟如方程式 (3),以不同過網方式來處理同一張影
表三 本實驗浮水印AM過網之不同尺寸臨界值矩陣
7 8 9 10
6 1 2 11 5 4 3 12 16 15 14 13
(a) 4
× 421 22 23 24 25 26 20 7 8 9 10 27 19 6 1 2 11 28 18 5 4 3 12 29 17 16 15 14 13 30 36 35 34 33 32 31
(b) 6
× 643 44 45 46 47 48 49 50 42 21 22 23 24 25 26 51 41 20 7 8 9 10 27 52 40 19 6 1 2 11 28 53 39 18 5 4 3 12 29 54 38 17 16 15 14 13 30 55 37 36 35 34 33 32 31 56 64 63 62 61 60 59 58 57
(c) 8
× 8圖2 網點結構示意圖
像,可得 S1與 S2,也就是一個過網後以黑色 (K) 網點組 成,另一採用青色、洋紅色、黃色 (C、M、Y) 三色網點 混合構成,另透過一隱藏圖遮罩 M,以方程式 (3) 組合成 一張加密影像 SA,其製作示意圖如圖 3 所示。
在理想狀況下,浮水印之底紋濃度越低隱藏之效果 會越好,但使用 8 × 8 臨界值矩陣 (表三(c)) 過網後,由於 網線數過低,導致網點很難被人眼或是機器讀取到,反而 喪失隱藏浮水印的效果;相反地,使用 4 × 4 臨界值矩陣
(
表三(a)) 進行過網時雖然能提高線數,但是碳黑網點濃度 過高,造成底紋顏色過深而不適合作為浮水印底紋,經實S1 M
SA
S2 ~ M
圖3 混合網點浮水印示意圖
圖4 實驗導表輸出稿件
S
A(i, j) = S
1(i, j)
⋅ M(i, j) + S2(i, j)
⋅ ~M(i, j)(3)
驗後採用 3% K 濃度之碳黑網點 (使用表三(b) 的 6 × 6 臨 界值矩陣運算) 作為比較基準。在進行導表實驗的同時,由實驗得知臨界值矩陣的過網效果對於浮水印的形成會造 成影響,若網點分佈不良,輸出後產生錯網 (moiré),會造 成浮水印品質低劣;若網點位置分佈不佳,則會在浮水印 邊界產生不連續黑邊或白邊,導致隱藏效果不彰。因此本 研究採用叢聚式點陣調色法 (clustered ordered dithering) 以便控制浮水印中網點的分佈,以提高浮水印隱藏效果。
本實驗利用校正導表進行匹配實驗 (圖 4),選出在 K 為 3% 網點和一定範圍階調之中性灰 (灰階值 200-250) 作比較,找出視覺最接近灰平衡的組合。經過網點校正導 表比較後,灰階值 210-215 之間的中性灰與 3% K 濃度網 點在視覺上幾無差異,也最符合浮水印隱藏設計的需求。
2.
擴增實境結合數位內容設計擴增實境所需之辨識用圖樣在互動系統中扮演著關鍵 角色,因為此圖案 (如圖 5) 可供擴增實境作為影像追蹤、
辨識二維條碼般的內容以合成特定之虛擬物件、及偵測反算 攝影機取像角度與位置以合成符合透視感之三維物件。但此 圖案只對攝影機取像及電腦運算有意義,對人眼並無法提供 多餘的訊息,甚至是擴增實境系統中視覺最突兀的物件。
為了將辨識用圖樣隱藏,經前小節所求取之最佳 AM 及 FM 網點組合後,將設計好欲藏之紅外線數位浮水印嵌 入圖文中,並以印表機輸出,其成果範例在可見光下觀察
圖5 本研究使用之擴增實境辨識用圖樣
(a)
(b)
圖6 (a) 在可見光下觀看隱藏浮水印之圖文 (b) 在紅外
線光源下觀看,右下角之辨識用圖樣即顯現
結果如圖 6(a) 所示,而將其以紅外線視訊攝影機觀看,則 能清楚看到其中所隱藏之辨識用圖樣 (如圖 6(b))。
另在主題的選定上,本研究以 2004 年代表台灣參加 雅典奧運的射箭銅牌國手—袁叔琪的射箭英姿為設計的主 題,在經授權後,以相關資料及照片與在射箭場上射箭的 動作為設計重點,分為平面書籍及 3D 動畫兩部分進行設 計。在平面設計的部分,本研究將圖像文字編列成書冊,
敘述其個人資料與光榮戰績,以圖文並列的方式進行整體 編排設計,再透過混合網點技術,將擴增實境的辨識用圖 樣隱藏在可視的圖文之中,使其在正常光源下觀看為一般 傳統的實體書,如圖 6(a),而在紅外線底下觀察時,就可 清楚看見隱藏於書籍頁中右下角的辨識圖樣,如圖 6(b)。
(a)
(b)
圖7 不同角度顯示之3D模型
在動畫設計部分,首先利用 3D MAX 及 Poser7 建構 出 3D 模型,以 3D 的方式模擬射箭時的動作姿態 (圖 7),
以及從箭袋抽出箭至瞄準射出的模擬動畫過程,其後將 3D 模型以及動畫匯出至擴增實境的介面中,在擴增實境的介 面中,首先設定啟動擴增實境效果及定位用之辨識用圖 樣,使之和匯入之 3D 模型及動畫產生連結。在使用介面 部分,利用網路攝影機之感光元件可偵測到紅外線的特 性,在其上加裝一自製的簡易濾鏡將可見光過濾,即可使 網路攝影機改造為紅外線攝影機之用。將隱藏有紅外線浮 水印之書籍置於此擴增實境下運作,可以成功啟動擴增實 境之效果,讓使用者不僅可以在傳統實體書上看見精美的 圖文設計與所提供的資訊,擁有閱讀實體書時的舒適與享 受,也透過紅外線浮水印與擴增實境的結合,成功辨識並 執行物件追蹤及啟動擴增實境之動畫效果 (圖 8),讓實體 書內容躍出紙張表面,在電腦螢幕上呈現出 3D 的模擬動 畫,並透過轉動書本以多重角度來觀察 3D 物件,對所提 供之內容有更進一步了解。
四、結論與建議
本研究成功地將擴增實境之辨識用圖樣,以紅外線浮 水印的技術隱藏於符合人眼觀看習慣的圖文之中,並且透 過主題性選取,配合 3D 動畫和 2D 平面設計,藉由擴增實 境呈現出 3D 的立體影像,突破傳統實體書僅能呈現 2D 畫 面的限制,創造出一嶄新的閱讀介面,除增加與使用者的 互動,更進一步將改變人類閱讀的習慣。由於本研究所使 用的裝置技術不但製作門檻低,所用的材料都極方便取
(a)
(b)
圖8 運用紅外線數位浮水印啟動擴增實境
得,並且成本低廉、適合大量生產及推廣,亦可結合現有 的技術做整合,在未來的應用上都極具發展潛力;例如將 本裝置技術結合實體書本設計於擴增實境上,除可增添閱 讀樂趣,也為圖文表現增加一個新的應用平台[8];應用在 互動娛樂上,可使用可攜式電腦,配合無線網路之使用,
即可突破使用空間之限制[9],例如應用在博物館的地圖或 是解說導覽,可以使該說明文件能夠「躍然紙上」,讓使用 者的視覺在不受辨識圖樣打擾下,也能突破平面印刷圖像 限制,而以 3D 影像顯示方式看到不同角度的內容物件。
然而,紅外線浮水印使用上仍有些限制,尤其是在圖 像的全黑或全白區域中無法達到較佳的隱藏效果,未來可 以解決的方法是應用影像的前處理技術 (pre-process-
ing)
,將輸入影像的階調作適當的壓縮儘量避開全黑或全 白的階調產生,故本研究所提的紅外線浮水印技術將可應 用於大部份之書籍,同時亦可提供擴增實境的影像顯示功 能。參考文獻
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2009年 02 月 05 日 收稿 2009年 02 月 13 日 初審 2009年 03 月 18 日 複審 2009年 04 月 03 日 接受