增强现实系统中的嵌入结构光技术研究

摘要

增强现实是一种利用计算机生成的辅助信息，对用户所处的真实场景进行补充和丰富的计算机系统，这种系统生成与用户所处的现实环境相关的图形、图像和声音等信息，并将这些信息所构成的虚拟世界与用户在现实环境中所感受到的真实世界，融合为一个虚拟与真实混合并存的世界。在上世纪90年代，增强现实作为虚拟现实的一个重要且新兴的分支，在军事、医疗、工业、日常生活与娱乐等领域中有着广阔的应用前景，逐步开始成为研究热点。 重建三维信息一直是计算机视觉的重要课题。随着科技的不断进步，工业界对于重建三维信息的速度和精确性有着越来越高的要求。结构光测量方法因为其使用简单、测量精确的优点而广泛应用于工业领域。然而在增强现实领域，特别是在基于投影的增强现实系统中，可见结构光会干扰用户的视觉享受。特别是在投影仪－摄像机系统处于动态的情况下，这个干扰会体现得尤为严重。针对可见结构光技术所带来的视觉干扰问题，本文研究嵌入结构光技术，并凭借嵌入结构光图案隐藏性的优势，来避免视觉干扰所带来的影响。 本文主要研究内容包括如下几方面：研究结构光技术三维测量技术的实现原理及结构光编码技术的分类；研究嵌入结构光技术的实现方法，并创新性地提供了一种基于图像内容自适应的嵌入结构光编解码技术。该技术利用补偿结构光图案的方法，不仅可以将任意的二值结构光图像嵌入到普通的原始投影图像中，并达到对用户视角隐藏结构光信息的效果；而且对比前人的方法，在保证结构光视觉不可见性的前提下，改进和提高结构光还原图像的精度。最后，本文还研究基于嵌入结构光技术的投影平面几何自动标定和增强现实场景交互技术等方面。总结本文的贡献，包括如下内容：第一，提出了一种改进的嵌入结构光算法，该算法提高了嵌入结构光的“隐藏性”和计算精度。第二，利用嵌入结构光图案“隐藏性”的特点，在增强现实系统中实现基于嵌入结构光的自动标定技术和基于嵌入结构光的场景三维扫描技术。