計算機視覺中的增強現實技術匹

1=1摘要：增強現實技術作為計算機視覺研究領域的一個重要內容，是計算機圖形學、虛擬現實技術相結合的產物。本文描述了增強現實技術的特征及其應用領域，并對相關基礎技術進行了闡述。關鍵詞：增強現實；計算機視覺；三維注冊中圖分類號：tp242文獻標識碼：a文章編號：1007-9599（2012）19-0000-021引言隨著計算機技術的迅速發展，計算機視覺、虛擬現實技術、人工智能、計算機圖形學等技術被廣泛地研究和應用，這些技術引導著人們進入了一個信息數字化的虛擬時代。增強現實技術(augmentedreality，ar)作為虛擬現實技術和計算機圖形學相結合的產物，它是在通過計算機渲染生成虛擬的物體或文字信息模型的同時，對真實的場景進行標定，從而使虛擬的物體能夠被準確地放置到真實的場景中，最終通過顯示設備顯示出來，使用戶處于虛擬和現實相融合的亦真亦幻的新環境中，無法清楚地分辨出真實和虛擬。增強現實技術增強了用戶的觀感及其與真實場景之間的交互。增強現實技術作為虛擬現實的一個重要分支，是虛擬現實技術發展過程中的產物。如圖1.1所示，該圖為milgram提出的增強現實和虛擬現實關系的一種分類學表示方法。由圖我們可以看出，虛擬現實所創建出來的是一種完全虛擬的三維世界，它與真實的世界相隔離。而增強現實是以現實場景為基礎，場景中的虛擬物體隨著真實物體的變化而變化，提供給用戶的是一種復合的視覺效果，就好像這些虛擬物體真實的存在于場景中。2增強現實技術的應用增強現實技術在20世紀90年代真正興起，其發展與20世紀60年代計算機圖形學的迅速發展密不可分。增強現實技術不僅擁有虛擬現實的各種優點，同時又有其獨特的視覺增強功能，因此成為了國內外研究機構和知名大學的研究熱點，并廣泛的被應用于教育、醫療、工業、娛樂、軍事等多個領域。2.1教育增強現實豐富了教育學習生活。傳統的書籍中只存在文字信息，通過增強現實技術，我們可以透過書籍看見文字相關的動態畫面或是影像，圖文并茂，極大的增強了學生的學習興趣。目前的魔法書系統就是這一技術的很好運用，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結合的環境中，提高學習興趣和效率。2.2醫療增強現實技術可以幫助醫生實現可視化手術或手術培訓。準確地定位真實場景是增強現實技術的一個重要方面，在醫療中，運用增強現實技術可以進行手術定位，實時地收集病人體內的3d影像，并將其與真實的人體相結合，使得醫生可以“透視”病人體內，從而減少手術的風險，該技術對微創手術也有著深遠的意義。手術培訓方面，通過加入虛擬的提示注解，可以提醒醫生手術中的一些必要步驟，降低手術風險。2.3工業增強現實的另一個應用是工業組裝和維修。通過增強現實技術可以顯示出各種設備零件的內部結構圖、使用說明等，方便安裝和維修。顯示的內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、體育比賽轉播中，增強現實技術也得到了廣泛的運用。體育比賽中，能夠在直播現場實時地插入三維的圖形、動畫、視頻等虛擬的比賽相關信息或廣告。日常生活中，出現一種增強現實瀏覽器，它利用多種傳感器將日常需求通過實景與虛景結合后呈現在用戶面前，用戶可以通過增強現實瀏覽器看到實景的文字介紹、三維模型等，并可以搜索定位。3增強現實相關技術增強現實系統具有虛實結合、三維注冊、實時交互三個特點。三個特點之間緊密聯系，要求在合成的場景中虛擬的物體能夠擁有真實的存在感和位置感。因此顯示技術、定位技術、虛實融合技術、用戶交互技術是實現增強現實系統的基礎支撐技術。3.1顯示技術理想的ar系統的顯示器具有體積小、移動方便、圖像繪制清晰、交互自然等特點，但是目前仍不能制造出完成符合這些特點的顯示器。常用的顯示設備可以分為四類：普通液晶現實器；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備。但是液晶顯示器體積較大，移動不方便，限制了用戶的活動范圍。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，采用視頻合成技術，為用戶提供場景的顯示。但是頭戴式顯示器在戶外長時間佩戴很不舒服，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，但是也限制了用戶手部的活動。投影式顯示器能夠將場景投影到較大范圍的環境中，位置固定，適合于室內的ar系統。3.2定位技術增強現實系統需要將虛擬的物體準確地放置到真實的場景中，因此定位技術顯得尤為重要。目前的定位技術主要分為兩種：一種是基于硬件的定位技術；一種是基于計算機視覺技術的定位技術。基于硬件的定位技術一般使用硬件設備定位，主要包括：全球衛星定位系統、測距儀、導航儀、機械裝置等。基于計算機視覺的定位技術一般是從真實場景中獲得一幅或多幅圖像，根據圖像中的信息，計算出攝像機和圖形中物體的相對信息，最終恢復出三維場景的結構，從而達到定位的目的。基于計算機視覺的定位技術主要包括以下幾種：（1）單視圖法：在一幅圖像中找到六個以上特征點進行跟蹤，通過已知的特征點的三維坐標和其成像坐標進行定位。（2）多視圖法：從多個角度拍攝場景，根據常用的角點檢測法，檢測多幅圖像的角點并進行匹配，從而計算出真實場景中物體的景深，最終實現定位。（3）運動目標的序列圖像：根據序列圖像估算運動目標的各項參數。（4）模板匹配法：從多個視角出發尋找真實圖像中的物體作為模板數字化圖像，繼而將虛擬物體疊加到真實場景。3.3虛實融合技術增強現實技術中的虛擬融合主要指虛擬物體在真實場景中的配準，以及虛擬物體與真實場景的一致性。在增強現實系統的實現過程中，一致性是一個關鍵性問題。虛實融合的一致性包括動態一致性和靜態一致性。其中，動態一致性通常指場景的實時繪制，跟蹤過程中虛擬物體和真實場景的空間位置的一致性等；靜態一致性通常指虛擬物體與真實場景外觀的一致性變化等。另一方面，為了實現很好的虛實融合效果，必須對拍攝真實場景的相機進行標定，并與繪制虛擬物體的虛擬相機參數進行匹配。攝像機標定主要是對攝像機的內外參數的確定。目前，攝像機標定技術已經較為成熟，主要可以分為三類：傳統的標定法，如張正友標定法；自標定法，如基于kruppa方程的自標定法；基于主動視覺的標定法，如基于射影重建的標定法。三類標定法各有利弊，并沒有一種可以普遍適用，因此攝像機標定技術仍是一個研究重點。3.4用戶交互技術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，增強現實系統根據跟蹤定位獲得的有關真實場景的信息對虛擬物體發出指令。目前，交互技術主要使用以下三種方式：（1）在場景中選擇一個或多個特征點作為標記點，這是增強現實系統中最基本的交互方式。（2）使用計算機識別出人或物體的姿態，進而交互操作。（3）制作特殊工具，能夠通過按鍵等簡單方式觸發事件。4結束語本文總結了現階段增強現實技術的應用領域，并對其涉及到的關鍵技術進行了闡述。增強現實技術作為一個多學科交叉的研究領域，必將飛速發展，更多的融入到我們的生活中。參考文獻：紀慶革，潘志庚，李祥晨.虛擬現實在體育體育仿真中的應用綜述[j].計算機輔助設計與圖形學學報，2003,15（11）：1333-1338.陳靖，王涌天，閆達遠.增強現實系統及其應用[j].計算機工程與應用，2001，15：72-75.milgrampandkishinof.ataxonomyofmixedrealityvisualdispl