计算机视觉中的增强现实技术

计算机视觉中的增强现实技术匹

1=1摘要：增强现实技术作为计算机视觉研究领域的一个重要内容，是计算机图形学、虚拟现实技术相结合的产物。本文描述了增强现实技术的特征及其应用领域，并对相关基础技术进行了阐述。关键词：增强现实；计算机视觉；三维注册中图分类号：tp242文献标识码：a文章编号：1007-9599（2012）19-0000-021引言随着计算机技术的迅速发展，计算机视觉、虚拟现实技术、人工智能、计算机图形学等技术被广泛地研究和应用，这些技术引导着人们进入了一个信息数字化的虚拟时代。增强现实技术(augmentedreality，ar)作为虚拟现实技术和计算机图形学相结合的产物，它是在通过计算机渲染生成虚拟的物体或文字信息模型的同时，对真实的场景进行标定，从而使虚拟的物体能够被准确地放置到真实的场景中，最终通过显示设备显示出来，使用户处于虚拟和现实相融合的亦真亦幻的新环境中，无法清楚地分辨出真实和虚拟。增强现实技术增强了用户的观感及其与真实场景之间的交互。增强现实技术作为虚拟现实的一个重要分支，是虚拟现实技术发展过程中的产物。如图1.1所示，该图为milgram提出的增强现实和虚拟现实关系的一种分类学表示方法。由图我们可以看出，虚拟现实所创建出来的是一种完全虚拟的三维世界，它与真实的世界相隔离。而增强现实是以现实场景为基础，场景中的虚拟物体随着真实物体的变化而变化，提供给用户的是一种复合的视觉效果，就好像这些虚拟物体真实的存在于场景中。2增强现实技术的应用增强现实技术在20世纪90年代真正兴起，其发展与20世纪60年代计算机图形学的迅速发展密不可分。增强现实技术不仅拥有虚拟现实的各种优点，同时又有其独特的视觉增强功能，因此成为了国内外研究机构和知名大学的研究热点，并广泛的被应用于教育、医疗、工业、娱乐、军事等多个领域。2.1教育增强现实丰富了教育学习生活。传统的书籍中只存在文字信息，通过增强现实技术，我们可以透过书籍看见文字相关的动态画面或是影像，图文并茂，极大的增强了学生的学习兴趣。目前的魔法书系统就是这一技术的很好运用，用户通过头盔显示器可以看到书中描述的场景，使读者可以完全沉浸在虚实结合的环境中，提高学习兴趣和效率。2.2医疗增强现实技术可以帮助医生实现可视化手术或手术培训。准确地定位真实场景是增强现实技术的一个重要方面，在医疗中，运用增强现实技术可以进行手术定位，实时地收集病人体内的3d影像，并将其与真实的人体相结合，使得医生可以“透视”病人体内，从而减少手术的风险，该技术对微创手术也有着深远的意义。手术培训方面，通过加入虚拟的提示注解，可以提醒医生手术中的一些必要步骤，降低手术风险。2.3工业增强现实的另一个应用是工业组装和维修。通过增强现实技术可以显示出各种设备零件的内部结构图、使用说明等，方便安装和维修。显示的内容可以不仅仅是简单的文字或图片，更能直接渲染生成3d的图形，并按步骤一步一步的显示出来，方便操作。2.4娱乐电影、广告、游戏、体育比赛转播中，增强现实技术也得到了广泛的运用。体育比赛中，能够在直播现场实时地插入三维的图形、动画、视频等虚拟的比赛相关信息或广告。日常生活中，出现一种增强现实浏览器，它利用多种传感器将日常需求通过实景与虚景结合后呈现在用户面前，用户可以通过增强现实浏览器看到实景的文字介绍、三维模型等，并可以搜索定位。3增强现实相关技术增强现实系统具有虚实结合、三维注册、实时交互三个特点。三个特点之间紧密联系，要求在合成的场景中虚拟的物体能够拥有真实的存在感和位置感。因此显示技术、定位技术、虚实融合技术、用户交互技术是实现增强现实系统的基础支撑技术。3.1显示技术理想的ar系统的显示器具有体积小、移动方便、图像绘制清晰、交互自然等特点，但是目前仍不能制造出完成符合这些特点的显示器。常用的显示设备可以分为四类：普通液晶现实器；头戴式显示器；手持式显示器；投影式显示器。液晶显示器是最为常见，也最容易得到的显示设备。但是液晶显示器体积较大，移动不方便，限制了用户的活动范围。头戴式显示器，佩戴于用户的头部，这种显示器本身提供了一路或两路摄像机，采用视频合成技术，为用户提供场景的显示。但是头戴式显示器在户外长时间佩戴很不舒服，因此也不能为用户广泛接受。手持式显示器，较头戴式显示器稍有改进，但是也限制了用户手部的活动。投影式显示器能够将场景投影到较大范围的环境中，位置固定，适合于室内的ar系统。3.2定位技术增强现实系统需要将虚拟的物体准确地放置到真实的场景中，因此定位技术显得尤为重要。目前的定位技术主要分为两种：一种是基于硬件的定位技术；一种是基于计算机视觉技术的定位技术。基于硬件的定位技术一般使用硬件设备定位，主要包括：全球卫星定位系统、测距仪、导航仪、机械装置等。基于计算机视觉的定位技术一般是从真实场景中获得一幅或多幅图像，根据图像中的信息，计算出摄像机和图形中物体的相对信息，最终恢复出三维场景的结构，从而达到定位的目的。基于计算机视觉的定位技术主要包括以下几种：（1）单视图法：在一幅图像中找到六个以上特征点进行跟踪，通过已知的特征点的三维坐标和其成像坐标进行定位。（2）多视图法：从多个角度拍摄场景，根据常用的角点检测法，检测多幅图像的角点并进行匹配，从而计算出真实场景中物体的景深，最终实现定位。（3）运动目标的序列图像：根据序列图像估算运动目标的各项参数。（4）模板匹配法：从多个视角出发寻找真实图像中的物体作为模板数字化图像，继而将虚拟物体叠加到真实场景。3.3虚实融合技术增强现实技术中的虚拟融合主要指虚拟物体在真实场景中的配准，以及虚拟物体与真实场景的一致性。在增强现实系统的实现过程中，一致性是一个关键性问题。虚实融合的一致性包括动态一致性和静态一致性。其中，动态一致性通常指场景的实时绘制，跟踪过程中虚拟物体和真实场景的空间位置的一致性等；静态一致性通常指虚拟物体与真实场景外观的一致性变化等。另一方面，为了实现很好的虚实融合效果，必须对拍摄真实场景的相机进行标定，并与绘制虚拟物体的虚拟相机参数进行匹配。摄像机标定主要是对摄像机的内外参数的确定。目前，摄像机标定技术已经较为成熟，主要可以分为三类：传统的标定法，如张正友标定法；自标定法，如基于kruppa方程的自标定法；基于主动视觉的标定法，如基于射影重建的标定法。三类标定法各有利弊，并没有一种可以普遍适用，因此摄像机标定技术仍是一个研究重点。3.4用户交互技术人们总是向往能够使用自然的方式和虚拟的物体交互，但这是十分困难的，增强现实系统根据跟踪定位获得的有关真实场景的信息对虚拟物体发出指令。目前，交互技术主要使用以下三种方式：（1）在场景中选择一个或多个特征点作为标记点，这是增强现实系统中最基本的交互方式。（2）使用计算机识别出人或物体的姿态，进而交互操作。（3）制作特殊工具，能够通过按键等简单方式触发事件。4结束语本文总结了现阶段增强现实技术的应用领域，并对其涉及到的关键技术进行了阐述。增强现实技术作为一个多学科交叉的研究领域，必将飞速发展，更多的融入到我们的生活中。参考文献：纪庆革，潘志庚，李祥晨.虚拟现实在体育体育仿真中的应用综述[j].计算机辅助设计与图形学学报，2003,15（11）：1333-1338.陈靖，王涌天，闫达远.增强现实系统及其应用[j].计算机工程与应用，2001，15：72-75.milgrampandkishinof.ataxonomyofmixedrealityvisualdispl