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增强现实中视觉反馈关键技术研究

严玉若  
【摘要】:增强现实(Augmented Reality,AR)借助现代显示技术、人机交互技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟物体、虚拟场景或系统提示信息叠加到真实世界场景中,与用户周围的现实环境融为一体,从而使用户从感官效果上感到生成的虚拟信息是其周围真实环境的一部分。增强现实中包含的关键技术主要有跟踪注册、虚实融合、光照技术、显示技术和交互技术等,这些技术主要是为了保证虚拟信息能够准确地叠加在真实世界中,提高增强现实系统的真实感和沉浸感。本文结合增强现实的定义,对其三维注册、虚实结合和实时交互等三个关键技术做了相应的研究。从系统角度出发,主要是对基于自然特征的三维注册、AR系统虚实融合一致性以及基于三维模型的实时交互技术这三个方面进行深入的研究。本文主要工作及创新点如下:1.提出了一种基于非线性尺度空间的无标记注册方法。当相机与注册物体发生相对位移,产生运动模糊情况时,已有的一些注册算法会导致注册失败。针对这个问题,本文算法在模糊图像上同样可以准确找到特征点,完成注册。本文通过基于压缩感知的跟踪算法对场景中的注册目标进行跟踪,缩小特征检测的范围;继而采用KAZE算法来提取注册目标上的特征点;最后,通过主成分分析法(PCA)生成低维度特征描述子,提高系统运行速度。根据每一帧图像中的特征描述子与模式描述子进行匹配,结合仿射重投影技术,求出每一帧的单应性矩阵,并对每一帧图像所对应的真实场景进行三维注册,从而有效地实现了跟踪注册。2.提出了一种基于视频透视AR系统的虚实融合运动一致性模拟方法。为了满足真实环境与虚拟物体的虚实无缝融合,让虚拟物体产生与真实物体同样的模糊效果,本文首先在进行运动模糊参数估计上,将Radon变换和Canny算子结合,计算出真实运动物体的运动方向与运动尺度,即获得了点扩散函数。然后,结合点扩散函数对虚拟物体进行模糊渲染,使得虚拟物体与真实场景有同样的模糊效果。渲染过程采用Open GL累加缓存器,通过多次渲染,加权累加,以呈现模糊的效果。本文提出的方法在运动模糊模拟上有效地提高了虚实融合的一致性,加强了用户的沉浸感。3.提出了增强现实中基于三维虚拟模型的虚实交互技术。首先,用Direct3D技术在AR系统中导入.x模型文件,这种模型包含网格蒙皮信息、骨骼层次信息以及动画信息,通过骨骼层次操纵整个网格模型,可生成蒙皮动画。接着,通过Kinect摄像头捕捉用户动作,对用户动作进行骨骼追踪。Kinect可以跟踪20个关节点,用以实时反馈用户肢体动作。最后,将Kinect中的骨骼追踪与.x模型的骨骼控制相对应,完成用户对模型的实时交互控制。本文提出的方法使用户在交互过程中有了更自然的交互体验,并为AR系统中的三维动画制作提供了新的方法。本文围绕增强现实中的视觉反馈技术,进行了运动环境下的无标记注册、基于无标记注册的虚实融合一致性以及基于三维模型的虚实交互三方面的研究。实验结果表明,通过本文研究设计的增强现实系统在注册、融合与交互三个方面都有着创新性与有效性,对增强现实的发展和应用有着一定的借鉴作用。


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