增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)致力于將計(jì)算機(jī)生成的信息同真實(shí)世界中的場景結(jié)合起來，它可以為醫(yī)療和工程用戶提供準(zhǔn)確、高效的輔助操作界面，也能夠?yàn)榻逃驃蕵烦绦驑?gòu)造引人入勝的交互環(huán)境。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為下一代人機(jī)接口的發(fā)展方向之一。它涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的諸多領(lǐng)域，早期的研究集中在提高定位精度的傳感器和視頻檢測的跟蹤定位技術(shù)上，以提高配準(zhǔn)過程的準(zhǔn)確性為主要目標(biāo)。隨著研究的深入，提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)顯示的質(zhì)量，提供快速開發(fā)的支持成為新的需求

2、。 當(dāng)前主要存在兩種類型的開發(fā)庫對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)提供支持，其一是提供底層增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的基本開發(fā)庫，另一種則是集成基本開發(fā)庫并提供復(fù)雜功能支持的開發(fā)框架。使用前者開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作；而對于后者大多處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，框架的設(shè)計(jì)都有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、依賴于特殊設(shè)備和難于掌握的缺點(diǎn)，并不能提供對真實(shí)感渲染和實(shí)時(shí)協(xié)作方面的有效支持。 本文沒有集中討論增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中最基本的跟蹤定位技術(shù)，而是針對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的需要

3、，直接以基于定位標(biāo)記的視頻檢測為基礎(chǔ)，從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的陰影生成方法和光線檢測算法入手，首先為虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境顯示的一致性提供手段。這兩種方法被集成在隨后提出以場景管理為核心的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件框架ARSGF中。ARSGF被設(shè)計(jì)為由6個(gè)主要組件構(gòu)成，為室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)提供場景組織、真實(shí)感渲染、設(shè)備管理和協(xié)同工作等4個(gè)方面的支持。文中最后給出了3個(gè)利用ARSGF軟件框架開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用實(shí)例，用以詳細(xì)說明利用ARSGF的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4、與實(shí)現(xiàn)AR室內(nèi)應(yīng)用和桌面應(yīng)用的過程。本文主要研究內(nèi)容包含以下幾點(diǎn)：1.虛擬物體和真實(shí)環(huán)境之間的陰影是體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境一致性的重要指標(biāo)之一。針對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的陰影繪制特點(diǎn)，本文首先利用改變經(jīng)典的陰影體的繪制次序生成中的相互間的陰影。同時(shí)在陰影體算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)物體和虛擬物體之間繪制軟陰影的方法。在處理復(fù)雜場景時(shí)，陰影體方法難以保證陰影繪制的效率。本文進(jìn)一步利用改進(jìn)的陰影映射方法生成真實(shí)環(huán)境和虛擬問題之間的陰影，能夠在盡量減少繪制質(zhì)量

5、降低的前提下保證生成生成陰影與場景復(fù)雜性無關(guān)性，減少陰影生成步驟對場景繪制效率的影響，并可以適應(yīng)不同的虛擬場景內(nèi)容構(gòu)造方式。 2.在光照一致性檢測研究中，本文主要討論了基于定位標(biāo)記檢測真實(shí)場景光源的方法。通過檢測定位標(biāo)記表面輻照度的變化和真實(shí)光源之間的關(guān)系建立模型，在相機(jī)坐標(biāo)空間中用逐漸逼近的方法擬合真實(shí)場景中的光源的強(qiáng)度和方向。這一方法能夠直接利用定位標(biāo)記提供場景信息降低系統(tǒng)配置的復(fù)雜性，并支持多個(gè)場景光源的檢測。在此基礎(chǔ)上本

6、文討論了利用相同的算法實(shí)現(xiàn)在全局坐標(biāo)系下構(gòu)造虛擬光源。 3.基于場景管理的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)框架方面，本文提出基于場景管理的增現(xiàn)實(shí)開發(fā)框架ARSGF。ARSGF是一個(gè)開放式的軟件框架，各個(gè)組件之間通過定義明確的抽象接口相互訪問，除提供滿足基本AR應(yīng)用的功能模塊和交互工具之外，開發(fā)者可以在各個(gè)組件在其基礎(chǔ)上獨(dú)立擴(kuò)展，而不需改變整個(gè)軟件框架的結(jié)構(gòu)?？蚣芡ㄟ^圖形場景統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的圖形節(jié)點(diǎn)、設(shè)備和應(yīng)用狀態(tài)信息?？蚣苤袨樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)定義

7、統(tǒng)一的抽象設(shè)備接口，在此基礎(chǔ)上能夠靈活地構(gòu)造不同交互工具。協(xié)作組件通過獨(dú)立定義的場景狀態(tài)傳輸協(xié)議在多個(gè)用戶進(jìn)程之間同步場景狀態(tài)，為多用戶協(xié)作應(yīng)用的開發(fā)提供透明的支持。 本文的所有工作最后都集中于ARSGF軟件框架中，實(shí)現(xiàn)為一個(gè)開發(fā)庫。與現(xiàn)有研究相比，ARSGF的結(jié)構(gòu)簡單、靈活，更加具有針對性。它集成了真實(shí)場景光線檢測功能和真實(shí)感渲染機(jī)制，同時(shí)提供方便的節(jié)點(diǎn)管理和協(xié)作功能。為室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了統(tǒng)一軟件體系結(jié)構(gòu)，可以減少開發(fā)過程