一种基于视觉跟踪的增强现实系统的构建与实现
AR技术实践与应用学习手册
AR技术实践与应用学习手册第1章 AR技术概述 (3)1.1 增强现实技术基础 (3)1.1.1 显示技术 (4)1.1.2 传感器技术 (4)1.1.3 计算机视觉技术 (4)1.1.4 交互技术 (4)1.2 AR技术的发展历程与趋势 (4)1.2.1 发展历程 (4)1.2.2 发展趋势 (5)1.3 增强现实技术的应用领域 (5)1.3.1 教育与培训 (5)1.3.2 医疗与健康 (5)1.3.3 娱乐与游戏 (5)1.3.4 购物与零售 (5)1.3.5 交通与导航 (5)1.3.6 工业设计与制造 (6)1.3.7 文化与旅游 (6)1.3.8 安全与救援 (6)第2章 AR硬件设备与平台选择 (6)2.1 AR硬件设备概述 (6)2.2 AR眼镜与头戴式设备 (6)2.2.1 AR眼镜 (6)2.2.2 头戴式设备 (6)2.3 AR手机与平板电脑 (7)2.3.1 AR手机 (7)2.3.2 平板电脑 (7)2.4 常见AR开发平台介绍 (7)第3章 AR软件开发基础 (8)3.1 AR软件开发工具与环境 (8)3.1.1 开发工具概述 (8)3.1.2 开发环境搭建 (8)3.2 AR软件架构与设计 (8)3.2.1 软件架构 (8)3.2.2 设计模式 (8)3.3 基本图形与3D模型渲染 (9)3.3.1 基本图形渲染 (9)3.3.2 3D模型渲染 (9)3.4 交互设计在AR应用中的实践 (9)3.4.1 手势识别 (9)3.4.2 增强现实界面设计 (9)3.4.3 语音交互 (9)第4章增强现实内容创作 (10)4.1 3D建模与动画制作 (10)4.1.1 3D建模 (10)4.1.2 动画制作 (10)4.2 基于图像的增强现实内容创作 (10)4.2.1 图像识别与追踪 (10)4.2.2 虚拟元素融合 (11)4.3 增强现实音效制作与合成 (11)4.3.1 音效制作 (11)4.3.2 音效合成 (11)4.4 交互式故事线与剧情设计 (11)4.4.1 交互式故事线 (11)4.4.2 剧情设计 (12)第5章实践项目：AR教育应用 (12)5.1 AR教育应用概述 (12)5.2 教育场景下的AR内容设计 (12)5.3 AR教育应用的交互与体验优化 (13)5.4 案例分析：AR教育应用实践 (13)第6章实践项目：AR游戏开发 (13)6.1 AR游戏概述与类型 (13)6.1.1 AR游戏定义 (13)6.1.2 AR游戏类型 (13)6.2 AR游戏设计原则与技巧 (14)6.2.1 设计原则 (14)6.2.2 设计技巧 (14)6.3 游戏引擎在AR游戏开发中的应用 (14)6.3.1 Unity引擎 (14)6.3.2 Unreal Engine (14)6.4 案例分析：AR游戏开发实践 (15)6.4.1 游戏概述 (15)6.4.2 开发流程 (15)第7章实践项目：AR零售与营销 (15)7.1 AR零售与营销应用概述 (15)7.2 AR试衣与虚拟试妆技术 (15)7.2.1 AR试衣技术原理与实现 (15)7.2.2 虚拟试妆技术原理与实现 (16)7.2.3 应用案例 (16)7.3 基于AR的智能导购与推荐 (16)7.3.1 AR智能导购技术原理与实现 (16)7.3.2 基于AR的推荐算法 (16)7.3.3 应用案例 (16)7.4 案例分析：AR零售与营销实践 (16)7.4.1 案例一：某服装品牌AR试衣应用 (16)7.4.2 案例二：某化妆品品牌虚拟试妆应用 (16)7.4.3 案例三：某购物中心AR智能导购与推荐应用 (16)第8章实践项目：AR文化旅游 (17)8.1 AR文化旅游概述 (17)8.2 基于AR的历史文化复原 (17)8.3 AR景区导览与互动体验 (17)8.4 案例分析：AR文化旅游实践 (17)第9章实践项目：AR工业与制造业 (18)9.1 AR工业与制造业应用概述 (18)9.2 AR辅助设计与生产 (18)9.3 设备维护与故障排除的AR应用 (18)9.4 案例分析：AR工业与制造业实践 (19)第10章 AR技术未来发展展望 (19)10.1 当前AR技术面临的挑战与问题 (19)10.1.1 硬件设备限制 (19)10.1.2 软件开发与内容创新 (19)10.1.3 用户体验与交互设计 (19)10.1.4 数据安全与隐私保护 (19)10.2 未来AR技术的发展趋势 (20)10.2.1 硬件设备功能提升 (20)10.2.2 软件开发与内容创新 (20)10.2.3 人工智能技术的融合 (20)10.2.4 跨行业应用与融合 (20)10.3 基于的AR技术应用 (20)10.3.1 智能识别 (20)10.3.2 智能交互 (20)10.3.3 智能内容 (20)10.4 跨行业融合与创新实践展望 (20)10.4.1 教育领域 (20)10.4.2 医疗领域 (21)10.4.3 娱乐领域 (21)10.4.4 工业制造 (21)10.4.5 智能交通 (21)第1章 AR技术概述1.1 增强现实技术基础增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是一种将虚拟信息与现实世界融合的技术。
虚拟现实与增强现实技术比较
虚拟现实与增强现实技术比较虚拟现实（Virtual Reality，VR）与增强现实（Augmented Reality，AR）是目前技术领域中备受关注的两个概念。
虽然它们都涉及到数字技术与人类感知之间的交互，但它们在实现原理、应用场景和用户体验上存在一些显著的差异。
本文将对虚拟现实和增强现实进行比较，并详细介绍它们的实现原理、应用场景、技术挑战以及前景展望。
一、实现原理：1. 虚拟现实：虚拟现实技术通过使用专门的设备（如头盔、手套、体感器等）将用户完全隔离于真实环境，并通过电脑图形技术创建一个与真实环境类似的虚拟场景。
2. 增强现实：增强现实技术则是通过添加虚拟元素到真实世界中，将现实世界与虚拟世界进行融合。
通常使用智能手机、平板电脑或者AR眼镜等设备来实现。
二、应用场景：1. 虚拟现实：- 游戏与娱乐：虚拟现实可提供身临其境的游戏体验，玩家可以在虚拟世界中进行互动。
- 教育与培训：虚拟现实可以模拟各种场景，如危险环境、手术操作等，为学生提供更实际的学习体验。
- 视觉艺术与设计：艺术家可以使用虚拟现实技术创作出令人惊叹的虚拟作品。
2. 增强现实：- 商业与零售：增强现实可以为商家提供更丰富的购物体验，让顾客通过AR 技术在现实场景中试穿衣物或佩戴配饰。
- 教育与培训：增强现实可以将虚拟元素融合到教学中，使学生更深入地理解知识。
- 医疗保健：医生可以通过AR技术在手术过程中获得更准确的信息，提高手术成功率。
三、技术挑战：1. 虚拟现实：- 显示技术：低分辨率、延迟和眩晕问题仍是虚拟现实面临的挑战。
- 交互体验：如何与虚拟世界进行真实且自然的交互仍然需要进一步研究和发展。
- 系统成本：虚拟现实设备的价格较高，限制了其普及程度。
2. 增强现实：- 真实感觉：如何将虚拟元素与真实世界完美融合，使用户感到虚拟与现实无缝衔接仍然是一个挑战。
- 技术设备：现有设备如AR眼镜在舒适性、视觉效果等方面还有待改进。
SLAM_介绍以及浅析
SLAM_介绍以及浅析SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是一种通过传感器信息实时建立地图并同时定位的技术。
传统的定位与建图方法需要使用预先构建好的地图，或者依赖于GPS等全球定位系统进行定位。
而SLAM 技术则能够实现无需预先知识的建图和定位，通过实时处理传感器信息来实现地图建立和定位。
SLAM技术广泛应用于自主机器人、增强现实、虚拟现实、无人驾驶等领域。
在自主机器人中，SLAM技术可以使机器人在未知环境中实现自主导航和任务执行；在增强现实和虚拟现实中，SLAM技术能够将虚拟物体精确地放置到真实环境中；在无人驾驶中，SLAM技术可以帮助车辆实现精确定位和环境感知。
SLAM技术的核心任务包括建图和定位。
建图是指通过传感器信息实时地构建地图，包括确定环境的几何结构、特征点和物体；定位是指利用传感器信息将机器人或者用户准确地定位在地图上。
传感器信息主要包括视觉信息（摄像头）、激光雷达信息、惯性测量单元（IMU）信息、里程计信息等。
通过融合这些传感器的信息，SLAM技术能够实现高精度的地图构建和定位。
SLAM技术的基本思想是通过维护一个状态估计来实现建图和定位。
状态估计包括机器人或者用户的位置、地图和传感器误差等。
地图可以表示为基于特征点的地图或者基于网格的地图。
定位的精度依赖于对传感器误差的建模和状态估计的优化。
SLAM技术的关键问题在于传感器数据的关联和误差建模。
传感器数据的关联是指将多个传感器数据进行匹配和关联，以实现特征点的跟踪和地图的构建。
误差建模是指对传感器的误差进行建模，以准确地估计状态和地图。
SLAM技术中常用的误差建模方法包括卡尔曼滤波、粒子滤波和最大似然估计等。
SLAM技术的发展离不开硬件技术的进步。
随着激光雷达、摄像头和IMU等传感器的不断发展，SLAM技术的精度和稳定性得以提升。
同时，计算机算力的提升和高效算法的开发也为SLAM技术的应用提供了良好基础。
aruco原理
aruco原理Aruco是一种基于二维码的视觉标记系统，可以被用于机器人导航、增强现实、自动驾驶等领域。
本文将介绍Aruco的原理、特点、应用以及实现过程。
一、Aruco的原理Aruco的原理是基于二维码的视觉标记系统，用于在图像上寻找和识别二维码。
Aruco的特点是可以在不同的角度和距离下识别标记，并且可以同时识别多个标记。
Aruco的基本原理是通过相机捕获图像，然后识别图像中的二维码，最终确定相机的位置和姿态。
Aruco标记的形状是正方形，边缘上有黑白相间的条纹，其中黑白相间的条纹是二进制编码。
Aruco标记的编码方式是基于汉明码的，通过汉明码可以实现错误检测和纠正。
Aruco标记的编码方式可以根据需要进行修改和扩展，以适应不同的应用场景。
Aruco的工作原理是先将图像进行预处理，然后检测图像中的角点，最终确定标记的位置和姿态。
Aruco的预处理包括灰度化、二值化、去噪、边缘检测等步骤。
Aruco的角点检测采用的是Harris角点检测算法，通过对图像中的角点进行匹配，可以确定标记的位置和姿态。
二、Aruco的特点Aruco的特点主要有以下几个方面：1. 可以在不同角度和距离下识别标记。
Aruco标记的编码方式和角点检测算法可以实现对标记的快速和准确的识别，即使在不同角度和距离下也可以实现标记的识别。
2. 可以同时识别多个标记。
Aruco标记的编码方式和角点检测算法可以实现对多个标记的同时识别，可以实现对多个物体的定位和跟踪。
3. 可以根据需要进行修改和扩展。
Aruco标记的编码方式可以根据需要进行修改和扩展，以适应不同的应用场景。
4. 适用于机器人导航、增强现实、自动驾驶等领域。
Aruco可以实现对物体的定位和跟踪，可以应用于机器人导航、增强现实、自动驾驶等领域。
三、Aruco的应用Aruco的应用主要集中在机器人导航、增强现实、自动驾驶等领域。
1. 机器人导航。
Aruco可以实现对机器人的定位和跟踪，可以应用于机器人导航和路径规划。
ar卡原理
ar卡原理AR卡原理。
AR（增强现实）技术是一种将虚拟信息叠加到现实世界中的技术，它可以通过手机、平板电脑、AR眼镜等设备呈现出虚拟的三维图像、视频、音频等信息。
AR技术的应用范围非常广泛，涉及教育、娱乐、医疗、工业等多个领域。
而AR卡作为AR技术的一种载体，其原理和制作方法备受关注。
AR卡原理主要包括图像识别、跟踪技术和虚拟信息叠加三个方面。
首先，图像识别是AR卡原理的核心之一。
AR卡通过识别特定的图像或标志来触发虚拟信息的呈现。
在AR技术中，图像识别通常采用计算机视觉技术，通过算法识别图像中的特征点、边缘、颜色等信息，从而确定图像的身份和位置。
这种技术使得AR卡可以与特定的图像进行互动，实现虚拟信息与真实世界的融合。
其次，跟踪技术也是AR卡原理的重要组成部分。
AR卡需要实时跟踪用户的视角和位置，以确保虚拟信息能够与真实世界保持一致。
为了实现这一点，AR卡通常会采用传感器技术，如陀螺仪、加速度计、磁力计等，来获取用户的姿态和位置信息。
同时，AR卡还会利用计算机视觉技术对周围环境进行识别和分析，从而实现虚拟信息的精准定位和跟踪。
最后，虚拟信息叠加是AR卡原理的关键环节。
一旦AR卡识别了特定的图像并跟踪了用户的位置，就可以将虚拟信息叠加到用户的视野中。
这需要AR卡具备强大的计算和图形处理能力，以确保虚拟信息的实时呈现和交互。
同时，AR卡还需要具备良好的用户界面设计，以便用户能够方便地与虚拟信息进行互动和操作。
总的来说，AR卡原理涉及图像识别、跟踪技术和虚拟信息叠加三个方面，它通过识别特定的图像、实时跟踪用户的位置和姿态，以及将虚拟信息叠加到用户的视野中，实现了虚拟信息与真实世界的融合。
随着AR技术的不断发展和普及，AR卡原理也将不断得到完善和优化，为人们带来更加丰富、生动的增强现实体验。
cave技术原理
cave技术原理Cave技术原理概述：Cave技术是一种用于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用的先进技术。
它通过在封闭的空间中投影图像，以及通过跟踪用户的头部和身体姿势来实现用户与虚拟环境的互动。
Cave技术的主要原理包括立体投影、追踪系统和交互设备等。
一、立体投影：Cave技术的核心是立体投影。
在Cave系统中，通常会在封闭的房间内的三个或更多的墙面上安装多个投影仪。
这些投影仪能够同时投影不同的图像，通过合理的布局可以实现全方位的视觉效果。
投影仪的分辨率和亮度对于Cave系统的图像质量至关重要，高分辨率和高亮度的投影仪能够提供更真实、更清晰的虚拟环境。
二、追踪系统：除了立体投影，Cave技术还需要追踪用户的头部和身体姿势，以便实现用户与虚拟环境的互动。
通常采用的追踪系统包括光学追踪和惯性追踪两种。
光学追踪系统通过在用户佩戴的头戴式显示器上安装红外发射器和接收器，利用红外光的反射和接收来实现对用户头部姿势的追踪。
惯性追踪系统则是通过在用户身上佩戴传感器，使用加速度计和陀螺仪等传感器来监测用户的身体姿势。
追踪系统的准确性和实时性对于Cave系统的互动效果至关重要，高精度的追踪系统能够使用户在虚拟环境中更加自然地移动和互动。
三、交互设备：除了追踪用户的头部和身体姿势，Cave技术还需要提供交互设备，使用户能够在虚拟环境中进行操作。
常见的交互设备包括手柄、手套、触控屏幕等。
这些交互设备能够通过无线或有线方式与Cave 系统进行连接，用户可以通过交互设备来选择、操控虚拟环境中的对象或进行其他操作。
交互设备的设计和功能对于Cave系统的用户体验至关重要，易用性和多样性的交互设备能够提升用户对虚拟环境的掌控感和参与感。
四、软件支持：除了硬件设备，Cave技术还需要支持的软件来实现虚拟环境的构建和互动效果的实现。
软件可以包括虚拟环境建模工具、渲染引擎和交互设计工具等。
虚拟环境建模工具可以帮助用户创建虚拟环境的模型和场景，渲染引擎可以实现虚拟环境的图像渲染和光影效果，交互设计工具可以帮助用户设计虚拟环境的交互方式和操作流程。
增强现实技术的分类
增强现实技术的分类一、引言增强现实（Augmented Reality，简称AR）是一种可以将虚拟信息叠加到真实世界中的技术，通过电脑图像、声音、视频等资源，将现实世界场景与虚拟信息进行结合。
AR技术可以改变人们与现实世界互动的方式，为人们提供更加直观、丰富的体验。
在不同领域中，AR技术有着不同的应用和分类。
本文将就增强现实技术的分类展开探讨。
二、AR技术的分类2.1 基于显示设备的分类根据AR技术应用的显示设备，可以将AR技术分为以下几类：2.1.1 头戴式AR设备头戴式AR设备是一种将虚拟信息呈现在佩戴者眼前的设备，如谷歌眼镜、微软的HoloLens等。
这种设备通过透明显示技术，将虚拟信息投影到佩戴者的视野中，实现现实世界与虚拟信息的混合。
2.1.2 手持式AR设备手持式AR设备是一种通过移动设备（如智能手机、平板电脑）来实现AR体验的设备。
用户通过移动设备上的摄像头观察现实世界，同时通过屏幕上的虚拟信息与现实世界进行交互。
2.1.3 投影式AR设备投影式AR设备是一种将虚拟信息通过投影技术投射到现实场景中的设备。
用户可以直接在现实世界中观察到虚拟信息的投影，与其进行交互。
2.2 基于应用领域的分类根据AR技术应用的领域，可以将AR技术分为以下几类：2.2.1 娱乐与游戏AR技术在娱乐与游戏领域有着广泛的应用。
例如，Pokemon Go这款风靡全球的手机游戏就是一种基于AR技术的游戏，玩家可以通过手机屏幕捕捉和与虚拟怪兽互动。
2.2.2 教育与培训AR技术在教育与培训领域也有着重要的应用。
通过AR技术，学生可以通过虚拟模型和场景进行实践操作，提高学习效果。
例如，AR技术可以将人体的不同器官投影到教室中，学生可以更加直观地了解人体结构。
2.2.3 医疗与健康AR技术在医疗与健康领域也有着广泛的应用。
通过AR技术，医生可以在手术过程中准确地指导操作，提高手术的安全性和效果。
同时，AR技术还可以用于康复训练，帮助患者更好地进行康复治疗。
虚拟现实与增强现实
虚拟现实与增强现实一、虚拟现实（VR）1.1 虚拟现实的定义虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机模拟生成的三维环境，让用户能够身临其境地体验。
它利用计算机技术、传感器技术和显示技术，将用户带入一个虚拟的世界中，让用户感受到视觉、听觉和触觉上的沉浸感。
1.2 虚拟现实的关键技术虚拟现实的实现依赖于多个关键技术的发展，包括：- 3D建模与渲染：创建逼真的三维场景和物体。
- 传感器技术：捕捉用户的动作和位置，以实现实时的交互。
- 显示技术：通过头戴式显示器（HMD）或大屏幕展示虚拟环境。
- 声音处理：提供立体声效果，增强沉浸感。
1.3 虚拟现实的应用领域虚拟现实技术已经广泛应用于多个领域，包括但不限于：- 游戏娱乐：提供沉浸式的游戏体验。
- 教育培训：模拟真实场景进行技能训练和教育。
- 医疗健康：用于手术模拟、心理治疗等。
- 房地产：虚拟房屋参观，提高销售效率。
二、增强现实（AR）2.1 增强现实的定义增强现实（Augmented Reality，简称AR）是一种将虚拟信息叠加在现实世界中的技术。
它通过摄像头捕捉现实场景，并在屏幕上添加虚拟图像、文字等信息，使用户能够同时看到现实世界和虚拟信息。
2.2 增强现实的关键技术增强现实的实现同样依赖于多个关键技术的发展，包括：- 图像识别：识别现实世界中的物体和场景。
- 跟踪与定位：确定虚拟信息的准确位置和角度。
- 显示技术：通过移动设备或智能眼镜展示增强后的场景。
- 交互技术：允许用户与虚拟信息进行互动。
2.3 增强现实的应用领域增强现实技术也已经在多个领域得到应用，包括但不限于：- 零售购物：提供商品信息和虚拟试穿功能。
- 旅游导览：在景点提供历史背景和详细信息。
- 工业制造：辅助设备维修和操作培训。
- 社交媒体：增加趣味性和互动性的内容分享。
三、虚拟现实与增强现实的比较虚拟现实与增强现实虽然都是将虚拟世界与现实世界相结合的技术，但它们在实现方式和应用上有所不同。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
智能工程一种基于视觉跟踪的增强现实系统的构建与实现马志艳,陈幼平,袁楚明,周祖德(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074)Design and Implementation of a Vision -based Augmented Reality SystemMA Zh-i yan,C HEN You -ping,YUAN Chu -ming,ZHOU Zu -de(Scho ol of M echanical Science and Engineer ing ,H uazhong U niversity o f Science and T echno lo gy ,W uhan 430074,China)摘要:以一种典型的基于视觉跟踪增强现实系统为对象,从硬件平台构建以及软件实现方法来探讨该系统的实现方案,主要以硬件模块的性能和价格,软件实现的实时性和精度2个方面的平衡为指导原则,实现了增强现实的实验平台原型系统.关键词:增强现实;硬件平台;ART oolKit 中图分类号:T P391.9文献标识码:A文章编号:1001-2257(2007)06-0055-03收稿日期:2006-12-12基金项目:国家÷八六三"计划资助项目(2001AA423230);湖北省国际科技合作重点项目(2005CA002);湖北省自然科学基金(2003ABA002)Abstract:T he realization scheme o f a ty pical vision -based aug mented sy stem is discussed fr omthe v iew o f hardw ar e platform desig n and so ftw are implementation.Considering the balance betw een the perfo rmance and price of the hardw are and the balance betw een the rea-l time and precision of the softw ar e,this paper r ealized the augmented reality ex periment platfor m prototype sy stem.Fo r the similar resear ch,it has certain reference signif-i cance.Key words:aug mented reality ;hardware plat -form ;ARToo lKit0 引言增强现实(AR)技术[1]不仅具有与虚拟现实技术相类似的应用领域,而且更显著的突出其对于真实环境的增强优势,在医疗研究、解剖训练、车间布局、装配与维护、军事训练、工程协同设计和机器人等领域具有比虚拟现实更加明显的优势.在进行增强现实研究过程中,如何搭建一个系统平台,是首先需要完成的工作.1 硬件平台的搭建目前,AR 系统大部分关键硬件都是在VR 硬件设备基础上研制而成的,有的设备既可以用于AR,也可以用于VR,如数据手套,跟踪系统等.另一些VR 设备则需要经过改装,才能应用于AR,如视频式头盔显示器(H M D).在VR 中,H MD 完全隔断了用户与真实环境之间的联系,强调的是÷沉浸感";而在AR 中,用户需要实时接收到真实的环境信息,所以需要在H M D 上加装2个摄像头来采集实景图像.为了达到比较好的实验效果,需要综合考虑各硬件设备的性能参数,使其能较好匹配,并预留扩展功能.基于此,增强现实硬件平台组成可分为如下几部分:a.计算机系统是实验的核心硬件组成部分,主要完成的工作有视频图像数据的输入、处理与识别,根据图像信息获取相机跟踪参数,绘制虚拟场景,完成虚实场景的合成,并将合成信息输出到显示系统.从实时性和注册精度角度来看,系统对计算机的CPU 、内存和显卡的要求较高.目前,由于计算机制造技术的飞速发展,高配置的PC 机基本就能完成上述工作.b.视频输入系统在增强现实系统中需要具备快速的单通道(单目系统)或双通道(双目立体视觉)视频图像采集,支持自动变焦功能,同时要有较高的分辨率、帧率和信噪比,以保证采集图像的实时性和清晰度.在本实验系统中,由于软件部分是基于AR -To olKit 开发的系统,所以暂时采用单摄像头输入.#55#1机械与电子22007(6)我们选用了台湾敏通公司型号为MT V-53X10H的彩色单板CCD摄像机[2].采集的视频数据经图像采集卡输入到计算机.为后续实验对硬件的进一步要求,选用了北京大恒公司的DH-Q P300图像采集卡[3].c.跟踪系统在增强现实中占有非常重要的地位,它直接影响虚拟对象的定位精度.采用硬件跟踪方式的优点是跟踪实时,不足之处就是测量精度可能不足、或者体积庞大、价格昂贵,容易受到干扰等.为克服这些问题,一些研究人员提出采用混合跟踪系统,采用不同的跟踪设备、取长补短,共同完成增强现实系统的注册任务.另一种实现方式是基于视觉的跟踪方法.该方法不需要额外的硬件设备,跟踪精度高,能够最小化系统注册误差,但也有一些缺点,如实时性不及硬件跟踪设备,图像处理与识别工作量大、受环境光照影响较大,近年来,随着计算机视觉学科的飞速发展,克服这些问题逐渐成为可能.基于此,我们采用了基于视觉的跟踪方法来完成系统注册工作.d.在增强现实显示技术方面,采用美国5DT公司的H M D800-26型头盔显示器[4].使用视频透视式头盔显示器有如下优点:由于真实场景的分辨率降低到了摄像机或显示系统所能提供的水平,可以适当降低对于注册精度的要求;系统呈现给用户的场景不论是真实的还是虚拟的,都是完全受系统控制的,所以图像虚实结合较好,有更强烈的沉浸感;方便用户利用数字图像处理的方式从图像中获取对摄像机的跟踪信息,而不需要另外的跟踪设备.e.在人机交互方面,采用美国5DT公司的5DT Glo ve5Ultra型数据手套[5],5触点数据手套主要是测量手指的弯曲(每个手指1个测量点),手套本身不含磁部分,其通信是靠光纤与控制盒相连,再通过串口输入到计算机.该资料手套虽然传感器较少,但基本可以满足实验要求,相比较美国Immersio n 公司的CyberGlov e型数据手套,价格仅为其1/20,是比较经济实用的一种选择.将上述各组成模块集成起来构成增强现实系统,通过内置式图像采集卡,将摄像头获得的模拟视频信号输入到计算机.数据手套通过它的控制器使用串行通讯方式与计算机相连.合成的视频图像由计算机输出到用户佩戴的头盔显示器[6].最后,完成的增强现实硬件集成平台如图1所示.图1增强现实系统硬件平台原理2基于ART oolKit的增强现实系统系统软件采用基于ART oolKit开发包来实现, ARToo lKit是基于视觉跟踪注册的AR工具包,其跟踪注册流程如图2所示[7].在真实环境中,预先图2基于AR T oo IKit的增强现实系统软件流程在实场景关键位置处放置好一些ART oolKit附带的矩形标识,这些标识是视觉跟踪定位的基准.摄像头采集到含有这些标识物的真实场景并输入计算机后,经过对图像进行处理,系统就会在图像中寻找标识.通过数学计算,得出摄像头相对于标识的位置和方向,并通过计算机绘制虚拟对象.然后,将标识和预存标识库中的模板信息匹配,获得该标识的ID,通过包含相机方位的变换将虚拟对象和该ID的标识对齐.最后,根据计算得出的摄像头的位置和方向,就可以得出虚拟相机的姿态和方向.由于虚拟相机坐标系和真实摄像机的坐标系相同,所以只要将三维虚拟模型在实场景输入图像中选择适当的位置,渲染后输出,就能够使得虚拟信息和真实世界进行融合,达到了增强现实的目的.ARToo lKit分别提供了基于微软的Vision SDK和Dir ectX中的Dir ectShow模块的2种视频采集方案.这2种采集方法都是在Window s环境下运行的.由于Vision SDK是基于共享内存技术来假定整幅图像都存在于内存中,所以不能支持特大数据量的图片,同时由于占用了很大一部分内存,对系统的实时性有很大影响.#56#1机械与电子22007(6)DirectSho w 是微软Window s 平台上的流式媒体体系结构,与其它Dir ectX 技术集成于一体,能自动感觉及使用视频和音频硬件加速,同时也支持没有硬件加速的系统.由于COM 的二进制特性,使得基于COM 技术基础之上的DirectShow 能够有很高的运行效率,能够很好地保证增强现实系统的实时性要求.另外,COM 的可扩展性使得用Direct -Show 采集图像的增强现实系统在以后的开发中有更好的可扩展性,能够向网络功能等其它方面扩展.基于上述缘由,实验中采集图像选用的是Direct -Show 编程方法来实现.使用DirectShow 方式进行编程实现增强现实系统时,可将所有主程序与视频硬件之间的操作封装到类ARFrameGrabber 中.在其中提供对视频硬件的检测、连接与初始化,视频图像的抓取、控制和信息获取等接口.使用ARTo olKit 编程实现AR 系统,主要工作如图3所示.图3 软件实现流程a.初始化.调用Init 函数来完成2件事,一是装载标识库范本,并初始化视频相机参数;二是调用ARFrameGrabber J Init()函数构造COM 接口直接,初始化视频设备.b.获取视频图像.调用ARFrameGrabber J Gr abFr am e()获取视频图像数据.c.标识检测.直接调用ART oolKit 中的接口函数arDetectM arker()检测标识,并回馈出相机相对标识的位置和方向.d.矩阵变换.根据得到的相机方位参数,来调用ART oolKit 中的arGetT ransM at ()等接口函数,以得到变换矩阵.e.绘制虚拟对象.在基于M FC 的SDI 应用程序的视类中添加绘制虚拟场景的函数Draw Scene (),并在OnDraw ()中调用.将绘制的虚拟场景按照计算得到的变换矩阵添加到真实视频图像中,并与标识对齐.f.关闭视频.调用Cleanup()函数关闭视频.按照上面所述搭建起来的硬件平台和软件编程方法,可以进行简单的AR 实验,如图4所示,在实验环境中人为地放置ART oolKit 附带的角形标识,经视频采集系统输入到计算机系统后,按照上面的图4 视频实景以及A R 系统运行效果软件流程来进行标识检测,若识别成功,则根据此标识计算出来的位置信息,将用户绘制的虚拟场景经过相应的位置变换后显示在标识位置.3 结束语在搭建硬件平台时,性能和价格是一对矛盾,有的性能稍有提升,价格就成倍上扬,主要是因为这一领域相关设备都是处于试研制阶段,在满足实验条件的情况下,性价比是考虑的首选因素.在软件编程方面,采集得来的视频图像的处理速度和精度也是一对矛盾,对图像处理的实时性和定位精度都是实验的指标参数,偏颇一方,容易造成输出合成视频图像的不连续或者虚拟场景闪烁不定.在进行AR 实验时,如何平衡这2个矛盾,是工作的关键.参考文献:[1] Azuma R T .A survey o f aug mented reality [J].Pres -ence:T eleper atio ns and V irt ual Env iro nments,1997,6(4):355-385.[2] 台湾敏通公司M T V -53X10H 的彩色单板CCD 摄像机[EB/O L]./pr oduct/cam -era/htm/htm/M T V -53X10H.htm,2006-08-24.[3] 北京大恒公司DH -Q P300图像采集卡[EB/O L ].ht -tp://w ww.daheng -imag e.co m/prd_car d_qp300.htm,2006-08-24.[4] 美国5DT 公司H M D 800-26型头盔显示器[EB/O L ].http://w w w.wildcat.co /shujushoutao/5DT-H M D800series.htm,2006-08-24.[5] 美国5DT 公司5DT G lo ve 5U lt ra 型数据手套[EB/OL ].htt p://ww w.wildcat.co /shujushoutao/5DT -g lo ve5-M ri.htm,2006-08-24.[6] 陈 靖.视频增强现实系统及其核心技术的研究[D ].北京:北京理工大学,2002.[7] Hiroshima Kat o,et al.A RT oo lK it manual[M ].V er sion2.70.H uman Int erface T echnolo gy L abor ator y,U n-i v ersity of Washing ton,2000.作者简介:马志艳 (1976-),男,湖北武汉人,博士研究生,研究方向为增强现实、虚拟仿真.#57#1机械与电子22007(6)。