增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛實(shí)無縫融合相關(guān)問題研究.pdf

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種新拓展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵是將計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬物體同真實(shí)場景中的物體無逢融合，從而起到對(duì)真實(shí)世界信息補(bǔ)充和增強(qiáng)的作用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的諸多領(lǐng)域，早期的研究大多只是集中在三維注冊問題上，即以提高跟蹤、虛實(shí)配準(zhǔn)過程的準(zhǔn)確性為主要目標(biāo)。近年來，隨著研究的不斷深入，如何提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)畫面的視覺一致性、提供更加逼真柔和的虛實(shí)融合界面，成為新的研究熱

2、點(diǎn)。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無縫融合問題，即一致性融合問題，主要包括幾何一致性和光照一致性兩個(gè)方面。本文以提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)合成畫面的真實(shí)感為目的，分別從幾何一致性和光照一致性兩個(gè)方面展開研究，取得了如下研究成果： 1、提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的幾何一致性，首先表現(xiàn)為虛實(shí)場景能夠準(zhǔn)確對(duì)位，這就要求系統(tǒng)必須能夠以盡可能高的精度進(jìn)行跟蹤注冊。準(zhǔn)確的計(jì)算多坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、準(zhǔn)確的跟蹤頭盔視點(diǎn)的位姿，是跟蹤注冊中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。然而這兩個(gè)環(huán)節(jié)

3、中都無可避免的存在測量或計(jì)算上的誤差。為此，首先本文對(duì)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算問題進(jìn)行擾動(dòng)分析，并在此基礎(chǔ)上給出了一種初始測量數(shù)據(jù)選取的依據(jù)，使得計(jì)算誤差盡可能減??；其次針對(duì)磁力跟蹤器存在的非線性誤差，本文運(yùn)用優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行非線性誤差校正。 2、隨著系統(tǒng)的不斷改進(jìn)以及跟蹤需要，我們又增加了雙目視覺傳感器進(jìn)行跟蹤。對(duì)于系統(tǒng)中的兩套跟蹤設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)兩者的最佳協(xié)同工作模式，成為一個(gè)突出問題。對(duì)此，本文將模糊積分理論引入到該問

4、題的討論中，提出了基于模糊積分的信息融合算法：根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)定模糊密度、選擇評(píng)價(jià)因素、設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)，最后建立了適合本文系統(tǒng)的融合模型，給出了一個(gè)雙跟蹤模式的智能融合跟蹤系統(tǒng)，使整個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的跟蹤性能得到提高。 3、真實(shí)場景與虛擬物體之間的相互遮擋，能夠?yàn)橛脩舻目v深距離感提供感知線索，同時(shí)能夠豐富合成場景的三維層次效果、提高真實(shí)感。因此，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)遮擋是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)幾何一致性問題的另一重要內(nèi)容。目前國內(nèi)外解決該問題的主要思路，

5、是在要求對(duì)真實(shí)環(huán)境己知的前提下，對(duì)真實(shí)場景事先建模或制作模板。這就需要大量繁瑣的前期工作，而且真實(shí)環(huán)境的模型一旦建好，整個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境也隨即固定，因此系統(tǒng)的可移植性差，而且主要適用于解決剛體物等對(duì)象的遮擋問題。對(duì)此，本文提出了一種新的虛實(shí)遮擋實(shí)現(xiàn)算法，該算法避開了以往的慣用思路，而是基于Open InVentor的運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)EMO結(jié)點(diǎn)，并對(duì)虛擬場景進(jìn)行分層次建模，同時(shí)運(yùn)用復(fù)雜背景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取技術(shù)和Alpha通道技

6、術(shù)，來實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場景間的多層次相互遮擋。由于該算法不需要對(duì)真實(shí)環(huán)境事先建模，因此減少了大量的前期工作，而且提高了系統(tǒng)的通用性與可移植性。更重要的是，該算法對(duì)于非剛體物對(duì)象，也能很好的完成虛實(shí)間的相互遮擋。 4、在光照一致性方面，本文提出了基于三維立體標(biāo)志球的算法，對(duì)真實(shí)光照環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)檢測。雙標(biāo)志球均設(shè)計(jì)為具有近似理想的朗伯表面，通過標(biāo)志球表面的圖像亮度變化分析以及空間幾何原理，建立真實(shí)光照的自動(dòng)檢測模型，從而獲得真實(shí)環(huán)境的光照信