計(jì)算機(jī)視覺中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)匹

1=1摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本文描述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征及其應(yīng)用領(lǐng)域，并對相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；計(jì)算機(jī)視覺；三維注冊中圖分類號(hào)：tp242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1007-9599（2012）19-0000-021引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)被廣泛地研究和應(yīng)用，這些技術(shù)引導(dǎo)著人們進(jìn)入了一個(gè)信息數(shù)字化的虛擬時(shí)代。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmentedreality，ar)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是在通過計(jì)算機(jī)渲染生成虛擬的物體或文字信息模型的同時(shí)，對真實(shí)的場景進(jìn)行標(biāo)定，從而使虛擬的物體能夠被準(zhǔn)確地放置到真實(shí)的場景中，最終通過顯示設(shè)備顯示出來，使用戶處于虛擬和現(xiàn)實(shí)相融合的亦真亦幻的新環(huán)境中，無法清楚地分辨出真實(shí)和虛擬。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)了用戶的觀感及其與真實(shí)場景之間的交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要分支，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展過程中的產(chǎn)物。如圖1.1所示，該圖為milgram提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)系的一種分類學(xué)表示方法。由圖我們可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)所創(chuàng)建出來的是一種完全虛擬的三維世界，它與真實(shí)的世界相隔離。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是以現(xiàn)實(shí)場景為基礎(chǔ)，場景中的虛擬物體隨著真實(shí)物體的變化而變化，提供給用戶的是一種復(fù)合的視覺效果，就好像這些虛擬物體真實(shí)的存在于場景中。2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在20世紀(jì)90年代真正興起，其發(fā)展與20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的迅速發(fā)展密不可分。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅擁有虛擬現(xiàn)實(shí)的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又有其獨(dú)特的視覺增強(qiáng)功能，因此成為了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和知名大學(xué)的研究熱點(diǎn)，并廣泛的被應(yīng)用于教育、醫(yī)療、工業(yè)、娛樂、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。2.1教育增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)豐富了教育學(xué)習(xí)生活。傳統(tǒng)的書籍中只存在文字信息，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們可以透過書籍看見文字相關(guān)的動(dòng)態(tài)畫面或是影像，圖文并茂，極大的增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前的魔法書系統(tǒng)就是這一技術(shù)的很好運(yùn)用，用戶通過頭盔顯示器可以看到書中描述的場景，使讀者可以完全沉浸在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中，提高學(xué)習(xí)興趣和效率。2.2醫(yī)療增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)可視化手術(shù)或手術(shù)培訓(xùn)。準(zhǔn)確地定位真實(shí)場景是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要方面，在醫(yī)療中，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行手術(shù)定位，實(shí)時(shí)地收集病人體內(nèi)的3d影像，并將其與真實(shí)的人體相結(jié)合，使得醫(yī)生可以“透視”病人體內(nèi)，從而減少手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)對微創(chuàng)手術(shù)也有著深遠(yuǎn)的意義。手術(shù)培訓(xùn)方面，通過加入虛擬的提示注解，可以提醒醫(yī)生手術(shù)中的一些必要步驟，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。2.3工業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的另一個(gè)應(yīng)用是工業(yè)組裝和維修。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以顯示出各種設(shè)備零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、使用說明等，方便安裝和維修。顯示的內(nèi)容可以不僅僅是簡單的文字或圖片，更能直接渲染生成3d的圖形，并按步驟一步一步的顯示出來，方便操作。2.4娛樂電影、廣告、游戲、體育比賽轉(zhuǎn)播中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了廣泛的運(yùn)用。體育比賽中，能夠在直播現(xiàn)場實(shí)時(shí)地插入三維的圖形、動(dòng)畫、視頻等虛擬的比賽相關(guān)信息或廣告。日常生活中，出現(xiàn)一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)瀏覽器，它利用多種傳感器將日常需求通過實(shí)景與虛景結(jié)合后呈現(xiàn)在用戶面前，用戶可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)瀏覽器看到實(shí)景的文字介紹、三維模型等，并可以搜索定位。3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、三維注冊、實(shí)時(shí)交互三個(gè)特點(diǎn)。三個(gè)特點(diǎn)之間緊密聯(lián)系，要求在合成的場景中虛擬的物體能夠擁有真實(shí)的存在感和位置感。因此顯示技術(shù)、定位技術(shù)、虛實(shí)融合技術(shù)、用戶交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。3.1顯示技術(shù)理想的ar系統(tǒng)的顯示器具有體積小、移動(dòng)方便、圖像繪制清晰、交互自然等特點(diǎn)，但是目前仍不能制造出完成符合這些特點(diǎn)的顯示器。常用的顯示設(shè)備可以分為四類：普通液晶現(xiàn)實(shí)器；頭戴式顯示器；手持式顯示器；投影式顯示器。液晶顯示器是最為常見，也最容易得到的顯示設(shè)備。但是液晶顯示器體積較大，移動(dòng)不方便，限制了用戶的活動(dòng)范圍。頭戴式顯示器，佩戴于用戶的頭部，這種顯示器本身提供了一路或兩路攝像機(jī)，采用視頻合成技術(shù)，為用戶提供場景的顯示。但是頭戴式顯示器在戶外長時(shí)間佩戴很不舒服，因此也不能為用戶廣泛接受。手持式顯示器，較頭戴式顯示器稍有改進(jìn)，但是也限制了用戶手部的活動(dòng)。投影式顯示器能夠?qū)鼍巴队暗捷^大范圍的環(huán)境中，位置固定，適合于室內(nèi)的ar系統(tǒng)。3.2定位技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要將虛擬的物體準(zhǔn)確地放置到真實(shí)的場景中，因此定位技術(shù)顯得尤為重要。目前的定位技術(shù)主要分為兩種：一種是基于硬件的定位技術(shù)；一種是基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的定位技術(shù)。基于硬件的定位技術(shù)一般使用硬件設(shè)備定位，主要包括：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、測距儀、導(dǎo)航儀、機(jī)械裝置等?；谟?jì)算機(jī)視覺的定位技術(shù)一般是從真實(shí)場景中獲得一幅或多幅圖像，根據(jù)圖像中的信息，計(jì)算出攝像機(jī)和圖形中物體的相對信息，最終恢復(fù)出三維場景的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到定位的目的?；谟?jì)算機(jī)視覺的定位技術(shù)主要包括以下幾種：（1）單視圖法：在一幅圖像中找到六個(gè)以上特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，通過已知的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)和其成像坐標(biāo)進(jìn)行定位。（2）多視圖法：從多個(gè)角度拍攝場景，根據(jù)常用的角點(diǎn)檢測法，檢測多幅圖像的角點(diǎn)并進(jìn)行匹配，從而計(jì)算出真實(shí)場景中物體的景深，最終實(shí)現(xiàn)定位。（3）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的序列圖像：根據(jù)序列圖像估算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的各項(xiàng)參數(shù)。（4）模板匹配法：從多個(gè)視角出發(fā)尋找真實(shí)圖像中的物體作為模板數(shù)字化圖像，繼而將虛擬物體疊加到真實(shí)場景。3.3虛實(shí)融合技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的虛擬融合主要指虛擬物體在真實(shí)場景中的配準(zhǔn)，以及虛擬物體與真實(shí)場景的一致性。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，一致性是一個(gè)關(guān)鍵性問題。虛實(shí)融合的一致性包括動(dòng)態(tài)一致性和靜態(tài)一致性。其中，動(dòng)態(tài)一致性通常指場景的實(shí)時(shí)繪制，跟蹤過程中虛擬物體和真實(shí)場景的空間位置的一致性等；靜態(tài)一致性通常指虛擬物體與真實(shí)場景外觀的一致性變化等。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)很好的虛實(shí)融合效果，必須對拍攝真實(shí)場景的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，并與繪制虛擬物體的虛擬相機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配。攝像機(jī)標(biāo)定主要是對攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)的確定。目前，攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)已經(jīng)較為成熟，主要可以分為三類：傳統(tǒng)的標(biāo)定法，如張正友標(biāo)定法；自標(biāo)定法，如基于kruppa方程的自標(biāo)定法；基于主動(dòng)視覺的標(biāo)定法，如基于射影重建的標(biāo)定法。三類標(biāo)定法各有利弊，并沒有一種可以普遍適用，因此攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)仍是一個(gè)研究重點(diǎn)。3.4用戶交互技術(shù)人們總是向往能夠使用自然的方式和虛擬的物體交互，但這是十分困難的，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)跟蹤定位獲得的有關(guān)真實(shí)場景的信息對虛擬物體發(fā)出指令。目前，交互技術(shù)主要使用以下三種方式：（1）在場景中選擇一個(gè)或多個(gè)特征點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，這是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最基本的交互方式。（2）使用計(jì)算機(jī)識(shí)別出人或物體的姿態(tài)，進(jìn)而交互操作。（3）制作特殊工具，能夠通過按鍵等簡單方式觸發(fā)事件。4結(jié)束語本文總結(jié)了現(xiàn)階段增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并對其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，必將飛速發(fā)展，更多的融入到我們的生活中。參考文獻(xiàn)：紀(jì)慶革，潘志庚，李祥晨.虛擬現(xiàn)實(shí)在體育體育仿真中的應(yīng)用綜述[j].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003,15（11）：1333-1338.陳靖，王涌天，閆達(dá)遠(yuǎn).增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其應(yīng)用[j].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001，15：72-75.milgrampandkishinof.ataxonomyofmixedrealityvisualdispl