面向增强现实头盔显示器开发与立体显示技术研究

【摘要】：增强现实技术(Augmented Reality, AR)是一种把计算机所生成的二维或三维信息叠加到真实环境中,让用户感觉这些计算机所生成的虚拟物体或者数字信息是真实环境中不可缺少的一部分,以此增强用户对真实环境的认知能力。增强现实的提出,为机械制造和设备维修、娱乐和教育、军事领域、医疗诊断与培训等多方面提供了新概念、新思路。 双目头戴式头盔显示器凭借其能产生较好的虚实融合效果、易于携带、可以应用于多人参与交互的增强现实系统中等优点被广泛应用于增强现实系统中。但目前商用双目头盔显示器价格比较高且双目摄像头的光学中心与人的双眼瞳孔距离不匹配会产生三棱镜效应。为此,本文设计一款双目可调式头盔显示器能有效的解决上述问题。具体工作如下： (1)本文使用一种基于虚拟相机的位置的立体图像对生成方法得到虚拟模型的立体显示。根据立体视觉原理建立数学模型得到左右眼的透视投影变换矩阵P和模式取景变换矩阵M。然后在真实场景视频中的相应位置绘制虚拟模型,循环往复地对虚拟模型进行渲染即可得到具有立体视觉的虚拟模型。 (2)设计了一款双目可调式头盔显示器。头盔显示器上的两个摄像头与固定在步进电机上的丝杆相连接。当微型步进电机进行正或反转时,丝杆可使左右路两个观察摄像头之间的距离扩大或缩小,以此来适应人的双眼瞳距。同时,头盔显示器上的2个摄像头可以左右转动15。,当用户体验增强现实系统时,其可视范围也将增大。 (3)对以单片机为核心的控制系统进行硬件设计。其中包括：MAX232电路设计、晶振电路设计、看门狗复位电路设计、限位开关电路设计、开关电源电路设计和步进电机驱动器驱动电路设计。 (4)单片机驱动模块和PC机驱动模块程序设计。单片机驱动模块包含：主程序初始化、中断设置和主控制程序。PC机模块对主控制程序和串口通信程序设计。 (5)面向自主研制的头盔显示器开发了一个基于增强现实的三国人物立体魔法书系统。用户通过头盔显示器观察魔法书可以看到具有立体视觉的三国人物立体模型,立体效果比较好。对多用户进行多次实验,得到头盔显示器上两个摄像头的距离以及视域角是影响用户使用头盔显示器立体显示的关键因素。以每个用户在获得最佳虚实融合立体场景时的参数值进行表格绘制,此表对新用户的使用具有较好的参考意义,可以节省大量的调试时间。