增强现实系统中跟踪注册与虚实物体遮挡及景深问题研究

摘要

增强现实技术是将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实世界场景中，增强用户对现实世界的感知。增强现实技术的关键技术有跟踪注册技术、光照技术、显示技术等等，早期的研究大多集中在跟踪注册问题上，近年来，随着研究的不断深入，研究工作逐渐扩展到其他方面，如何通过改善场景中的光照、遮挡、景深等效果，提高增强现实系统画面的视觉一致性、使最终用户看到的虚实融合场景更加逼真柔和，成为新的研究热点。 本文以提高增强现实系统融合场景的真实感为目的，分别从虚实注册精度的提高、虚实遮挡和景深三个方面进行了深入的研究和讨论。本文的主要工作集中在： 1、要提高增强现实系统中虚实注册的精度，准确的计算系统中多个坐标系之间的转换关系、准确的跟踪用户视点的位置，是跟踪注册中的两个重要环节。然而跟踪系统本身的缺点导致在这两个环节中都无可避免地存在测量或计算上的误差。为此，本文提出了一种自适应空间网格线性插值法对磁力跟踪器进行校正。 2、实现虚实物体之间的相互遮挡，能丰富合成场景的三维层次效果、能使用户获得对场景在纵深距离上的感知，提高用户沉浸感。对于光学透视式增强现实系统，目前国内外解决该问题的主要思路之一是对真实场景事先建模。但在以前的研究工作中这种方法只能用于静态的真实场景，本文从项目的需求出发，利用磁力跟踪和数据手套等设备，使这种方法可以用于有实时人机交互的动态场景，拓宽了此方法的适用范围。 3、在景深方面，本文首先推导了景深的公式，分析了影响景深的因素，然后，在OpenGL中创建一个具有聚焦和光圈调节功能的理想相机模型，并用其替换默认情况下的针孔相机模型，设计了一个简单的颜色分布函数模拟了弥散圆的生成，从而实现了景深效果。 实验结果表明，通过使用本文的提出的方法，AR系统中的跟踪注册精度、虚实遮挡和景深效果有较大的改善，融合场景更加真实自然，增强了用户的沉浸感。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究背景与课题来源

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国外研究概况

1.2.2 国内研究概况

1.3 课题研究的意义

1.4 论文的主要工作

1.5 论文的组织安排

第二章 增强现实系统结构与组成

2.1系统概述

2.2 系统的硬件结构

2.2.1整体构架

2.2.2跟踪设备

2.2.3头盔

2.2.4数据手套

2.3 系统的软件结构

2.3.1磁力跟踪注册模块

2.3.2交互模块

2.3.3虚拟场景生成模块

2.3.4显示模块

2.4 开发环境及所用技术简介

2.4.1 OpenGL简介

2.4.2 Quest3D简介

2.5本章小结

第三章 增强现实系统中的跟踪注册技术

3.1 AR系统中磁力跟踪注册的原理

3.2 基于坐标变换法的跟踪注册精度提高

3.3 基于自适应空间网格线性插值法的跟踪注册精度提高

3.3.1 空间网格线性插值法的思想

3.3.2空间网格线性插值法的实现步骤

3.3.3空间网格划分的改进--自适应空间网格

3.4 实验以及结果分析

3.5本章小结

第四章 增强现实系统中的虚实遮挡技术

4.1 光学透视式AR系统中的遮挡技术

4.2 真实物体遮挡虚拟物体的算法研究

4.3 真实物体遮挡虚拟物体的实现

4.3.1真实场景中物体的建模及导入

4.3.2真实物体模型的位姿信息获取

4.3.3真实物体遮挡虚拟物体

4.4试验及结果分析

4.5本章小结

第五章 增强现实系统中的景深技术

5.1景深详解

5.1.1景深的概念

5.1.2景深公式的确立

5.1.3影响景深的主要因素

5.1.4增强现实系统中的景深效果

5.2 光学透视式AR系统中景深效果的实现

5.2.1 OpenGL环境下实现景深效果的原理

5.2.2 OpenGL环境下实现景深效果的具体过程

5.3 实验及结果分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致 谢