基于模型的投影增强现实技术

摘要

创建一个栩栩如生的虚拟世界是计算机图形学和虚拟现实永恒的追求目标之一。近年来，基于增强现实的交互技术逐渐受到关注，应用一些已有的增强现实技术能够突破现有图形学技术所面临的人机交互效率瓶颈，更好的发挥真实感渲染等图形学技术在人机交互中的作用。增强现实技术利用图形学、计算机视觉等手段，通过投影仪摄像机系统对用户所处的真实环境进行补充。增强现实技术通过将计算机产生的虚拟信息嵌入到真实的场景里，使用户能够切身地体会到一个真实和虚拟并存的世界。在这样的环境中，人能够以最直接的方式和计算机进行沟通，极大地改善人机交互效率。本文的主要目标是研究基于模型的空间增强现实技术，包括三维物体网格模型的获取、三维建模的加速、模型的后期处理、虚实模型注册、多投影增强校准和重光照渲染。这些基础技术的研究对于推进投影增强现实的应用具有重要意义。本文的主要工作包括以下部分：首先，本文完整地阐述了空间增强现实技术所涉及的基础问题，提出了空间增强现实流水线概念。通过采用基于模型的投影增强现实技术，本文完整地实施了空间增强现实，并通过设计桌面空间增强现实应用实例，说明了投影增强现实技术在改善人机交互接口上所具有的潜力。其次，本文对基于结构光的建模技术进行了阐述，并对其进行了加速，通过使用硬件同步的摄像机和投影仪协同工作，提升了建模速度。第三，本文对结构光建出的模型进行了后期处理，包括：模型简化和多角度的部分模型拼接。这样的后期处理可以保证模型在后期阶段不会带来问题。第四，本文实现了虚拟和真实场景物体的注册技术，通过标定阶段获取的投影仪内外参可以计算投影参数从而保证虚拟真实场景的正确注册。第五，本文提出了一种重叠区域的羽化算法来解决多投影环境下空间增强现实的光度不一致性问题。通过羽化衰减重叠区域的投影像素值取得了较好结果。最后，本文使用了基于球面谐波的重光照技术对现实物体进行增强，并设计实验展示了重光照在空间增强现实中的实际效果。通过以上的这些部分研究，本文充分展示和说明了空间增强现实在改善人机交互领域所具有的巨大潜力。

目录

摘要

ABSTRACT

表格目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 增强现实技术

1.1.2 空间增强现实

1.2 研究目的和主要工作

1.2.1 本文研究目的

1.2.2 本文主要工作

1.3 本文的组织结构

第二章 建模技术

2.1 概述

2.2 摄像机标定

2.3 投影仪标定

2.4 三维模型的获取

2.5 硬件加速

2.6 实验结果与分析

2.6.1 内外参标定结果与分析

2.6.2 建模结果分析

2.7 本章小结

第三章 模型的后期处理

3.1 概述

3.2 模型简化

3.3 部分模型拼接

3.4 实验结果分析

3.4.1 模型简化结果与分析

3.4.2 模型拼接结果

3.5 本章小结

第四章 虚实场景的注册技术

4.1 概述

4.2 渲染参数计算

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 空间增强现实校准技术

5.1 概述

5.2 光度一致性

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

第六章 真实材质采集与重光照渲染

6.1 概述

6.2 球面谐波重光照渲染技术

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 总结

7.1 本文工作

7.2 工作展望

7.3 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

攻读硕士学位期间参加完成的项目