增強現(xiàn)實應用技術研究.pdf

1、增強現(xiàn)實技術致力于將計算機生成的信息同真實世界中的場景結合起來，它可以為醫(yī)療和工程用戶提供準確、高效的輔助操作界面，也能夠為教育或娛樂程序構造引人入勝的交互環(huán)境。隨著相關技術的進步，增強現(xiàn)實技術逐漸成為下一代人機接口的發(fā)展方向之一。它涉及到計算機科學中的諸多領域，早期的研究集中在提高定位精度的傳感器和視頻檢測的跟蹤定位技術上，以提高配準過程的準確性為主要目標。隨著研究的深入，提高增強現(xiàn)實應用系統(tǒng)顯示的質(zhì)量，提供快速開發(fā)的支持成為新的需求

2、。 當前主要存在兩種類型的開發(fā)庫對增強現(xiàn)實應用的開發(fā)提供支持，其一是提供底層增強現(xiàn)實功能的基本開發(fā)庫，另一種則是集成基本開發(fā)庫并提供復雜功能支持的開發(fā)框架。使用前者開發(fā)增強現(xiàn)實應用是一項極其復雜的工作；而對于后者大多處于實驗室應用階段，框架的設計都有結構復雜、依賴于特殊設備和難于掌握的缺點，并不能提供對真實感渲染和實時協(xié)作方面的有效支持。 本文沒有集中討論增強現(xiàn)實中最基本的跟蹤定位技術，而是針對增強現(xiàn)實應用系統(tǒng)開發(fā)的需要

3、，直接以基于定位標記的視頻檢測為基礎，從增強現(xiàn)實環(huán)境中的陰影生成方法和光線檢測算法入手，首先為虛擬物體與現(xiàn)實環(huán)境顯示的一致性提供手段。這兩種方法被集成在隨后提出以場景管理為核心的增強現(xiàn)實軟件框架ARSGF中。ARSGF被設計為由6個主要組件構成，為室內(nèi)增強現(xiàn)實應用的開發(fā)提供場景組織、真實感渲染、設備管理和協(xié)同工作等4個方面的支持。文中最后給出了3個利用ARSGF軟件框架開發(fā)的增強現(xiàn)實應用實例，用以詳細說明利用ARSGF的軟件體系結構設計

4、與實現(xiàn)AR室內(nèi)應用和桌面應用的過程。本文主要研究內(nèi)容包含以下幾點：1.虛擬物體和真實環(huán)境之間的陰影是體現(xiàn)增強現(xiàn)實環(huán)境一致性的重要指標之一。針對增強現(xiàn)實中的陰影繪制特點，本文首先利用改變經(jīng)典的陰影體的繪制次序生成中的相互間的陰影。同時在陰影體算法的基礎上，實現(xiàn)了真實物體和虛擬物體之間繪制軟陰影的方法。在處理復雜場景時，陰影體方法難以保證陰影繪制的效率。本文進一步利用改進的陰影映射方法生成真實環(huán)境和虛擬問題之間的陰影，能夠在盡量減少繪制質(zhì)量

5、降低的前提下保證生成生成陰影與場景復雜性無關性，減少陰影生成步驟對場景繪制效率的影響，并可以適應不同的虛擬場景內(nèi)容構造方式。 2.在光照一致性檢測研究中，本文主要討論了基于定位標記檢測真實場景光源的方法。通過檢測定位標記表面輻照度的變化和真實光源之間的關系建立模型，在相機坐標空間中用逐漸逼近的方法擬合真實場景中的光源的強度和方向。這一方法能夠直接利用定位標記提供場景信息降低系統(tǒng)配置的復雜性，并支持多個場景光源的檢測。在此基礎上本

6、文討論了利用相同的算法實現(xiàn)在全局坐標系下構造虛擬光源。 3.基于場景管理的增強現(xiàn)實開發(fā)框架方面，本文提出基于場景管理的增現(xiàn)實開發(fā)框架ARSGF。ARSGF是一個開放式的軟件框架，各個組件之間通過定義明確的抽象接口相互訪問，除提供滿足基本AR應用的功能模塊和交互工具之外，開發(fā)者可以在各個組件在其基礎上獨立擴展，而不需改變整個軟件框架的結構?？蚣芡ㄟ^圖形場景統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的圖形節(jié)點、設備和應用狀態(tài)信息?？蚣苤袨樵鰪姮F(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)定義

7、統(tǒng)一的抽象設備接口，在此基礎上能夠靈活地構造不同交互工具。協(xié)作組件通過獨立定義的場景狀態(tài)傳輸協(xié)議在多個用戶進程之間同步場景狀態(tài)，為多用戶協(xié)作應用的開發(fā)提供透明的支持。 本文的所有工作最后都集中于ARSGF軟件框架中，實現(xiàn)為一個開發(fā)庫。與現(xiàn)有研究相比，ARSGF的結構簡單、靈活，更加具有針對性。它集成了真實場景光線檢測功能和真實感渲染機制，同時提供方便的節(jié)點管理和協(xié)作功能。為室內(nèi)增強現(xiàn)實系統(tǒng)提供了統(tǒng)一軟件體系結構，可以減少開發(fā)過程