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增强现实系统虚实无缝融合相关问题研究

丰艳  
【摘要】: 增强现实技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的一项新技术,是对虚拟现实技术的一种新拓展。增强现实技术的关键是将计算机生成的三维虚拟物体同真实场景中的物体无逢融合,从而起到对真实世界信息补充和增强的作用。增强现实技术涉及到计算机科学中的诸多领域,早期的研究大多只是集中在三维注册问题上,即以提高跟踪、虚实配准过程的准确性为主要目标。近年来,随着研究的不断深入,如何提高增强现实系统画面的视觉一致性、提供更加逼真柔和的虚实融合界面,成为新的研究热点。 增强现实技术的无缝融合问题,即一致性融合问题,主要包括几何一致性和光照一致性两个方面。本文以提高增强现实系统合成画面的真实感为目的,分别从几何一致性和光照一致性两个方面展开研究,取得了如下研究成果: 1、提高增强现实系统的几何一致性,首先表现为虚实场景能够准确对位,这就要求系统必须能够以尽可能高的精度进行跟踪注册。准确的计算多坐标系之间的转换关系、准确的跟踪头盔视点的位姿,是跟踪注册中的两个重要环节。然而这两个环节中都无可避免的存在测量或计算上的误差。为此,首先本文对坐标系之间转换关系的计算问题进行扰动分析,并在此基础上给出了一种初始测量数据选取的依据,使得计算误差尽可能减小:其次针对磁力跟踪器存在的非线性误差,本文运用优化的神经网络对其进行非线性误差校正。 2、随着系统的不断改进以及跟踪需要,我们又增加了双目视觉传感器进行跟踪。对于系统中的两套跟踪设备,如何实现两者的最佳协同工作模式,成为一个突出问题。对此,本文将模糊积分理论引入到该问题的讨论中,提出了基于模糊积分的信息融合算法:根据系统的特点设定模糊密度、选择评价因素、设计指标函数,最后建立了适合本文系统的融合模型,给出了一个双跟踪模式的智能融合跟踪系统,使整个增强现实环境的跟踪性能得到提高。 3、真实场景与虚拟物体之间的相互遮挡,能够为用户的纵深距离感提供感知线索,同时能够丰富合成场景的三维层次效果、提高真实感。因此,实现虚实遮挡是增强现实系统几何一致性问题的另一重要内容。目前国内外解决该问题的主要思路,是在要求对真实环境已知的前提下,对真实场景事先建模或制作模板。这就需要大量繁琐的前期工作,而且真实环境的模型一旦建好,整个增强现实系统的应用环境也随即固定,因此系统的可移植性差,而且主要适用于解决刚体物等对象的遮挡问题。对此,本文提出了一种新的虚实遮挡实现算法,该算法避开了以往的惯用思路,而是基于open InVentor的运行机制,设计了动态EMO结点,并对虚拟场景进行分层次建模,同时运用复杂背景下的运动目标提取技术和Alpha通道技术,来实现虚实场景间的多层次相互遮挡。由于该算法不需要对真实环境事先建模,因此减少了大量的前期工作,而且提高了系统的通用性与可移植性。更重要的是,该算法对于非刚体物对象,也能很好的完成虚实间的相互遮挡。 4、在光照一致性方面,本文提出了基于三维立体标志球的算法,对真实光照环境进行自动检测。双标志球均设计为具有近似理想的朗伯表面,通过标志球表面的图像亮度变化分析以及空间几何原理,建立真实光照的自动检测模型,从而获得真实环境的光照信息;然后,根据检测出的真实光照信息对虚拟场景进行二次光照处理,使虚、实场景具有基本一致的亮度效果。该算法避开了目前一些方法中需要对真实场景事先建模,或者离线进行光照估计的模式,算法简便、快速,可以实时的完成虚实场景的一致性光照渲染。


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