增强现实的系统结构与关键技术研究.docx

增强现实的系统结构与关键技术研究摘要：首先概要介绍了增强现实技术的概念、相关特性并总结了增强现实系统的总体结构概略介绍了各组成部分的功能以及对应的关键技术。然后在此基础上论述了关键技术中的显示技术和跟踪注册技术最后对增强现实的当前应用和未来趋势做出了概要总结。关键词：增强现实；跟踪注册；实时跟踪；虚实配准1引言增强现实技术AR（AugmentedReality）是在虚拟现实VR技术（VirtualReality）的基础上发展起来的典型的交叉学科具有十分广泛的研究和应用范围涉及到诸多技术领域如计算机图形和图像处理、人机界面交互设计、移动计算、计算机网络技术、信号处理技术、以及新型显示器和传感器的设计等。与传统虚拟现实技术所要达到的完全沉浸的效果不同AR将计算机生成的虚拟影像实时准确地叠加在实景对象上从而允许用户使用实景对象与虚拟的影像进行实时无缝交互。AR技术需具有3方面的特点：（1）真实与虚拟图像的结合（2）实时互动（3）根据实景物理对象对虚拟影像进行定位。由于增强现实具有将真实场景同虚拟物体加以融合并实现实时交互的特性能够增强用户对现实环境的理解和认知。本文首先讨论增强现实系统的总体架构在此基础上着重论述增强显示的关键技术即：显示技术、跟踪注册技术、相关方法及其各自的特性在本文的最后对增强现实应用和未来趋势概要地作出总结。2增加现实系统架构增强现实的整体系统通常由场景采集、跟踪注册、虚拟场景发生器、虚实合成、显示系统和人机交互界面等多个子系统构成如图1所示。增强现实系统中通过处理现实实景的图像建立起实景空间根据跟踪注册技术确定摄像机的姿态以及虚拟图像的空间定位虚拟图像与实景图像通过配准排列合成未虚实融合的增强现实环境这个环境再输入到显示系统呈现给用户最后用户通过交互设备与场景环境进行互动。其中让虚实准确结合的注册步骤非常关键和最后的显示输出端一起决定了用户对增强现实环境的最终感知效果3增强现实系统的显示技术增强现实系统的能够利用融合计算机视觉、显示技术、多传感器等技术对真实场景进行扩展和增强根据Eitoku提出的标准AR的显示装置的设计应该有4个准则：（1）虚拟信息与现实世界共存；（2）支持协同工作；（3）不给用户增加特殊仪器的负担用户；（4）支持显示自然的三维图像。主要集中在3种类型：透视式的头部佩戴显示器基于投影显示器和手持式显示器。3.1头部配戴显示设备透视式HMDS通过光学或视频技术使用户看到将虚拟物体与现实实景融合后的场景。这类显示器又可分为光学透视OST（OpticalSeeThrough）和视频透视VST（VideoSeeThrough）的HMD。用户通过OSTHMD可以直接看到现实实景与虚拟信息叠加融合后的场景。例如Google正式发布的眼镜项目“GoogleGlass”这款眼镜集智能手机、GPS、相机于一身所有的信息都能即时展现在眼前比以往的设计头盔式显示器更小更薄的头部佩戴装置。OSTHMD对真实环境几-乎无损显示。用户获得的信息比较可靠全面对真实环境与虚拟图像融合匹配的精确度要求较高。首先由摄像机摄取实景图像然后将生成的信息或虚拟影像图像叠加在摄像机视频上通过显示系统呈现给用户。VSTHMD的优点在于较好地处理诸如被遮挡场景、色彩强度等问题以保持真实场景与虚拟图像的一致性。3.2投影显示设备基于投影技术的显示不需要用户佩戴设备对用户的体验保持最低限度的侵扰。现有多种投影显示技术将图像信息直接投射到真实物体的表面通常是在固定的物体的表面。投影设备同时能够将图像投影到更大范围的环境中。投影显示设备更加适合室内增强现实环境生成图像的焦点不随用户视角的改变而改变。投影显示设备与固定的跟踪定位设备相配合将虚拟物体投影到真实世界中的相应位置。例如大众研究集团与大众服务学院联合开发的投影式增强现实系统可用于新车型的开发与技术创新的培训。3.3手持显示设备（HandHeldDevice）手持设备的增强现实应用不需要额外的设备和应用程序的能力对用户体验没有侵扰易于携带和高度移动自由度等优点广泛为社会所接受因此经常被用于在广告教育和培训吸引用户注意的重要设备。LayerApp是典型的智能手机上的增强现实应用程序之一。用户在指定的位置使用手机内置罗盘以确定镜头所指的方向在手机显示屏上即可显示出场景中的细节信息当用户平移其设备的摄像头左右屏幕上会填充不同的景点信息包括快速通道的可用性景点的描述等等。4增强现实系统的跟踪注册技术跟踪是指跟踪3D空间中的一点或