大场景增强现实环境下基于磁跟踪器的三维注册及立体显示研究

摘要

本文在传统车间布局设计的基础上引入增强现实技术，并针对车间大场景下布局的特点，着重对三维场景立体显示、三维注册技术、磁跟踪器系统的准确性三个关键技术问题进行研究。本文的研究内容包括了以下3个方面:
　　(1)车间布局场景下的三维立体显示技术。在Oculus Rift头戴式显示器的基础上设计了双摄像机立体视频透视式头盔显示装置。该装置把两个将摄像机拍到的图像经鱼眼效果处理后作为背景分别显示到Oculus Rift显示屏的左右两侧，为实现虚实融合的车间布局场景的三维立体显示奠定了基础，增强了用户在虚实融合的增强现实环境下的沉浸感。
　　(2)根据增强现实环境下车间布局系统布局范围的特点，研究了相应的注册算法。由于车间布局系统，最终是以真实的车间进行布局操作，因此布局的范围是大场景，通过比较各种跟踪注册方法（声学跟踪、视觉跟踪、磁跟踪、惯性跟踪、混合跟踪）后，本文选取了基于磁跟踪器的注册方式，并提出了基于磁跟踪的注册算法。为了验证该算法能满足大场景下的车间布局，本文先对参数结果进行预先设置，然后再通过实验的方式对参数结果进行校正。最终的实验证明，本文提出的基于磁跟踪器的注册算法，满足适合大场景增强现实环境下车间布局设计系统的要求。
　　(3)磁跟踪器系统的准确性问题。本文提出的基于磁跟踪器的注册算法，在进行车间布局时，虚拟模型会出现注册误差与抖动现象。针对此现象，通过对磁跟踪器设备的工作原理分析得知，磁跟踪器受硬件设备本身影响，在工作时会出现磁场衰减和数据跳变的情况。为了解决此问题，本文采用函数拟合的方法对跟踪器衰减的磁场进行校正处理;采用数字滤波对跳变的数据进行降噪处理。实验表明，经过上述处理后，在一定范围内磁跟踪器系统的准确性有了明显提高。
　　最后，本文建立了一个基于增强现实的硬件和软件系统平台，并通过运行实例验证了本文所提出的三维场景立体显示、三维注册技术、磁跟踪系统准确性研究在车间布局系统中的有效性与可行性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 论文选题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 三维立体显示技术

1．2．2 增强现实环境下注册技术

1．2．3 磁跟踪器的准确性研究

1．3 论文的主要研究内容

第二章 双目立体眼镜成像实现

2．1 双目立体眼镜成像原理

2．2 双目立体眼镜头盔的结构设计

2．2．1 头戴显示器的选择

2．2．2 双目立体眼镜的结构设计

2．3 图像的立体显示实现

2．3．1 Oculus Rift的立体渲染与投影参数设置

2．3．2 图像的鱼眼校正

2．4 实验结果

2．5 本章小结

第三章 基于磁跟踪器的三维注册

3．1 磁跟踪器的坐标系及其在三维注册中的坐标变换

3．1．1 磁跟踪器的坐标系

3．1．2 AR系统中的坐标系

3．1．3 AR系统中各坐标系的转换

3．2 基于磁跟踪器的一种参数预设校正算法推导

3．3 基于磁跟踪的三维注册实验结果

3．4 磁跟踪与ARToolKit注册的比较

3．4．1 注册精度的比较

3．4．2 不同环境光照的比较

3．4．3 有无金属干扰源的比较

3．4．4 稳定性的比较

3．5 本章小结

第四章 磁跟踪系统的精确性校正

4．1 磁跟踪系统原理与精确性分析

4．2 磁跟踪器磁场衰减的校正

4．2．1 磁跟踪器磁场衰减的分析

4．2．2 磁跟踪器磁场衰减的校正处理

4．2．3 实验结果

4．3 磁跟踪器抖动现象的滤波方法

4．3．1 磁跟踪器抖动现象的分析

4．3．2 磁跟踪器抖动现象的滤波处理

4．3．3 实验结果

4．4 本章小结

第五章 系统平台构建和运行实例

5．1 系统整体架构

5．2 系统运行环境设计

5．2．1 硬件平台设计

5．2．2 软件平台设计

5．3 车间布局系统的运行实例

5．4 本章小结

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

声明

致谢