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增强现实人机交互系统的研究

高净业  
【摘要】:增强现实(Augmented Reality,简称AR)是由虚拟现实(Virtual Reality,VR)发展而延伸出来的新的研究领域,它是一种将计算机生成的虚拟对象叠加到真实世界中从而构造出虚实结合效果的技术。它对真实环境中的信息进行三维注册,然后将计算机生成的虚拟信息叠加到真实的环境中,再通过显示设备将虚实融合后的效果显示出来,通过增强或补充人眼所看到的东西,加深用户对现实世界的认识能力。增强现实技术在医学、机械制造、军事、教育和商业等领域都有广泛的应用前景,它不仅提供了一种更容易实现的虚拟现实的方法,更代表了下一代人机界面的发展趋势。当前PC机和普通摄像头在现实生活中已经非常普及,而这些设备已经基本能够满足桌面AR系统的硬件要求,人们可以利用这些简单设备来做一些应用。基于标识的跟踪技术注册精度高并且标识物的获取极为容易,无需佩戴头盔等复杂的硬件跟踪设备。因此设计一个基于标识的增强现实人机交互系统就具备了现实意义。 本文的研究目标是实现一个基于标识的增强现实人机交互系统。利用ARToolKit开源软件库进行基于标识的增强现实交互系统的开发,使用ARToolKit标记作为本文实验的标记块,对ARToolkit工具进行分析并在此基础上对其交互操作方面进行了拓展,使用户可以通过手势和人脸等进行一些交互操作。具体包含以下三个方面的工作: 1.论文分析介绍了增强现实技术发展中三个重要的关键技术:显示技术、跟踪注册技术以及人机交互技术并阐述了增强现实的主要应用。在对这三项关键技术各自的重要内容介绍的同时,对它们的优缺点进行了比较和分析。 2.对基于标识的跟踪注册技术运用的数学原理进行推导,并且选用了最为常用的AR工具ARToolKit工具作为研究对象,对其组成模块做了介绍,仔细分析了其注册模块的实现过程。然后着重对模板的识别与跟踪进行分析和研究,详细描述了图像阈值分割、连通域分析、基于直线拟合的四边形选取、区域标准化和模板识别等几个模块的设计思想,并给出实验的结果。 3.论文设计并实现了一个拓展的AR人机交互系统,主要应用了人脸及手势的识别算法Adaboost算法及在opencv下生成分类器的方法,同时给出了人脸及手势检测的结果及实验统计数据。最后,将基于人脸及手势的增强现实系统的结果进行了展示,很好的说明了本文所使用的人机交互方式是有效的。


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