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《武汉大学》 2018年
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基于场景理解的室内增强现实可视化研究

马威  
【摘要】:随着智能移动设备和地理信息系统(GIS)的普及,内容丰富有效且具有真实感的空间信息显示和表达逐渐成为研究的热点。传统的空间信息媒体,如二维地图,表达内容极为有限;三维地图数据量较大,无法很好的应用于移动平台移动;都难以满足用户对空间信息可视化的日渐增长的需求。增强现实(AR)技术突破了传统地理数据的表达方式,将地理空间数据以一种动感、逼真的方式呈现出来,使用户能够更好地理解和参与到现实世界中。虽然目前对室内AR可视化技术的研究已经颇具规模,但仍然存在着许多的问题和挑战。近年来,增强现实的相关技术研究主要集中在三维注册跟踪时对相机姿态的追踪和匹配,也已经取得了一定的成果,而在相机姿态获取后的虚实融合可视化方面却相对进步缓慢。事实上,基于特征点匹配的跟踪注册仅能获取当前摄像机与真实场景的相对位置关系,但缺乏对场景的认知能力,只能保证虚拟物体出现在相应的场景中,而无法体现物体的功能性与真实场景的几何逻辑关联。高质量的虚实融合可视化需要具备对真实场景的认知和识别的能力,从而提高室内AR可视化的合理性与逻辑性。另外,AR系统应该对已有空间数据和现实进行叠加,这就需要有基本的地图数据和几何信息作为支撑,将现实元素抽象化到可视化结果中,否则将无法体现系统的实用性。而一般的参考图像并没有几何信息和属性信息,仅用来与真实场景匹配计算相机的姿态,无法为AR系统提供有价值的空间信息。针对现有室内增强现实在融合可视化和室内空间信息表达不充分等问题,本文提出一种低成本、简单、高效的室内三维模型纹理注册与更新方法,并以此为基础探索和设计了基于模型纹理图片的室内增强现实可视化模型。纹理注册方法以智能手机平台为基础,结合室内场景图片理解技术,在不需要重建其几何结构的前提下快速的更新三维模型纹理。进而,通过将这些具有现势性的纹理图像特征与真实场景进行配准,获取精确的相机追踪姿态。最终,实现将三维几何模型中的几何信息,语义信息精确显示到增强现实系统当中,同时根据室内场景理解结果提高AR融合可视化的合理性与逻辑性,对于室内位置服务的使用和扩展具有重要意义。本文的主要研究内容及创新点归纳如下:(1)总结和归纳了目前增强现实可视化的各项关键技术,具体研究了基于计算机视觉的三维注册跟踪技术,并详细探讨了其中基于自然特征的三维注册方法及工作流程,深入分析并指出现有增强现实可视化所存在的问题,为后文的推进打下基础。(2)学习并总结了现有主流的室内三维布局提取技术。通过对结构化预测概念的深入研究,探讨了基于结构化预测的室内布局提取方法。分别详细阐述了基于几何信息和基于FCN的室内三维布局提取方法,并对其中的关键技术和步骤进行了提炼。最后通过实验对比分析了基于结构化预测的室内场景布局提取方案中FCN的粗略布局估计模块对传统方法的约束效果。(3)提出一种高效、低成本的室内三维模型纹理快速更新方法,该方法以手机拍摄的图片为数据源,无需重建室内三维模型的几何结构,也无需任何专业的测量设备,仅利用手机传感器获取拍摄图片的位姿参数,进而通过室内场景理解技术提取图片空间中的三维布局结构,最后与几何模型进行坐标点匹配解算纹理坐标,实现手机图片到三维几何模型的快速纹理映射及动态更新,有效提高室内三维场景表达的真实性。(4)针对传统基于自然特征点的三维注册方法在计算出相机与真实场景的位置关系后直接开始绘制虚拟物体,缺乏对真实场景的理解而无法顾及虚拟物在真实场景中的功能性和几何逻辑性的问题。本文结合室内场景理解技术,通过场景图像的认知结果与相机姿态的共同约束,精确限制虚拟物体在现实场景中的位置,有效提高了室内AR虚实融合可视化的合理性与逻辑性。(5)提出一种基于室内三维模型纹理的增强现实可视化方法,以具有高真实感和现势性的三维几何模型纹理为参考图像,通过特征匹配,实现相机姿态的追踪与虚实融合可视化。高真实感的纹理图像不仅能够与现实场景匹配计算相机姿态,且不同于一般参考图像,纹理图像与三维模型具有天然的几何关联性,通过这种关联性可以获取到场景的几何信息和空间属性,为AR可视化提供有效的空间信息。该方法无需预先在场景中设置人工标识或对参考图像做特殊处理,简化了 AR系统的预备工作。且能够在室内场景中发生变化时,结合手机图片的纹理快速更新方法,保证AR系统三维注册的鲁棒性。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41

【参考文献】
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