海洋环境移动增强现实混合三维注册方法研究与应用

摘要

随着海洋经济的发展，海洋灾害、海洋生态、海洋环境等问题给海洋科学的研究提出了许多具有挑战性的课题，这些问题需迫切得到解决，然而受我国海洋实情的制约，广大海洋科研人员缺乏充足的海洋数据，许多的研究工作无法顺利开展。因此，要打破这种僵局，我国应该大力加强和完善海洋监测能力建设，发展先进的海洋监测新技术来大量获取第一手丰富的海洋数据，从根本上加强我国海洋科技的研究基础。 近海视频监测方式相对于传统监测方式具有成本低、适应性强、覆盖域广等优势，可及时了解近海动态变化的海况，但仅能显示肉眼能识别的基本海况，更为复杂的海洋信息需作后期处理；ROMS（Regional Ocean Model System）区域海洋模式作为一个新兴的海洋模式系统正被广泛应用于物理海洋、海洋地质、海洋声学等方面，其中物理海洋的应用可以预报海洋流场反映海洋流场基本要素，但其信息展示不如视频监测便捷、直观。因此，本文将移动视频监测方式与海洋流场预报信息相结合，利用当前流行的增强现实（Augmented Reality,简称AR）技术衍生出应用于海洋环境下的移动增强现实系统，直观、动态反映较为复杂的海况。 增强现实系统性能的优劣直接取决于三维注册的精度，三维注册作用是检测用户所处的位置和视线方向，计算机由位姿信息计算虚拟信息在实际三维空间中的位置，虚拟信息实时叠加在视频序列上，从而增强视觉体验。主流的三维注册方式分为两种：基于计算机视觉和基于传感器，基于计算机视觉注册方式的匹配精度较高、不需要借助其他的硬件传感器，但是图像匹配算法较复杂，系统延迟性高、鲁棒性弱等；基于传感器的三维注册方式具有跟踪速度快、鲁棒性好等特点，但该三维注册方式受传感器精度影响较大，使得跟踪注册的精度不高。因此，单一三维注册方式的增强现实技术无法应对现实环境的复杂性，在注册精度和实效性上都受到限制，实际场景的应用需要综合各种跟踪定位方式来实现，这种综合多种跟踪定位的方式称为混合三维注册。 为此，本文所做的主要工作为： 1、针对单一三维注册方式很难解决海洋环境AR系统中跟踪注册的问题，提出了融合智能手机AGPS、电子罗盘和加速度传感器测定视线方向的多传感器注册与基于海天线特征标识的视觉跟踪注册的混合注册方法，以海天线标识辅助校正传感器测量的姿态角以提高三维注册精度。 2、针对洋山港附近海域海面和天空对比度低的问题，本文提出了基于相位编组的Hough变换海天线提取算法来弥补单一Hough变换算法识别低对比度直线段能力弱的不足。 3、以真实海洋环境及海洋数值预报为例，提出了适应海洋动态环境的增强现实框架，利用Android实现了原型系统，并对混合注册方法进行了验证。 通过混合三维注册方式与单一传感器三维注册方式的精度对比分析以及系统运行时的数据传输效率测试，结果表明，此技术框架及混合三维注册方法有较强的可用性和实用性，在海洋动态环境的增强现实中具有广泛应用前景。

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第一章 引言

1.1 课题研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与创新点

1.4 论文的章节安排

第二章 增强现实中三维注册技术

2.1 三维注册技术概述

2.2 基于计算机视觉的三维注册

2.3 基于传感器的三维注册

2.4 本章小结

第三章 海洋环境混合三维注册关键技术

3.1 海天线提取方法分析和选取

3.2 基于海天线的手机姿态校正方法

3.3 本章小结

第四章 海洋环境移动增强现实系统设计与实现

4.1 系统总体架构

4.2 系统软硬件环境

4.3 系统工作流程

4.4子系统功能详细设计

4.5 本章小结

第五章 移动增强现实系统测试及性能评价

5.1 系统运行效果及测试结果

5.2 混合三维注册精度分析

5.3 数据传输效率测试

5.4 系统整体评价

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作总结

6.2 进一步研究工作的展望

参考文献

附录

致谢