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基于标识的增强现实系统的研究

作　者: 盛君
导　师: 王毅刚
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 增强现实 标识 注册技术 人机交互 ARToolKit
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


增强现实(Augmented Reality,简称AR)是虚拟现实与真实环境相结合的产物,它利用已知的真实环境中的信息进行三维注册,然后将计算机生成的虚拟信息融合到真实的环境中,用显示设备将虚实融合后的效果显示出来,以达到加深用户对真实世界的认识的目的。增强现实技术拥有广泛的应用前景,而且目前已有相当多的用户拥有PC机以及网络摄像头,这已满足桌面AR系统的基本要求。而基于标识的跟踪技术注册精度较高,不需要复杂的硬件跟踪设备,同时标识物的获取极为容易。因此基于标识的AR系统研究就具备了一定的现实意义。本文的研究目标是实现一个基于标识的增强现实系统。根据基于标识的AR系统的特点,本文利用ARToolKit、OpenCV等开源软件库进行基于标识的增强现实系统的二次开发,使用ARToolKit标记作为本文实验的标记块,利用手指交互作为本文AR系统的交互手段。具体包括以下三方面的工作:1.通过对增强现实的概念、主要应用、研究现状的研究,总结了增强现实中的三个关键技术,分析了各种技术的优缺点。并且指出基于标识的跟踪注册技术具备标识识别率高,携带性强,系统实时性强,适合目前的AR应用开发。2.介绍了基于标识的跟踪注册技术的主要原理以及目前四种较为常用的AR标记系统。本文选择了ARToolKit作为基于标识增强现实系统的主要研究对象。介绍了ARToolKit开发库的特点、体系结构以及主要模块,并深入研究其注册模块,包括标记物的识别以及各个坐标系的矩阵转换。针对ARToolKit注册模块中的缺陷——容易产生位姿歧义(pose ambiguity)的现象,结合Gerald Schweighofer提出的位姿估计算法以及快速全局位姿估计算法,对ARToolKit注册模块进行了改进。实验结果表明,改进后的ARToolKit模块有效的降低了位姿歧义的现象,增强了注册的鲁棒性。3.开发了一款简单的基于标识的手指交互系统。使用ARToolKit标记作为该系统跟踪注册的标记块,并且利用ARToolKit开发库进行AR系统的二次开发,结合了水杉建模软件以及OpenGL实时图形渲染来实现虚拟物体的生成。系统利用ARToolKit改进算法进行虚实注册,并且采用了手指交互这一新型交互手段,通过对手指指尖的检测,在图像空间判断其是否落在虚拟菜单项的投影区域来控制虚拟物体的操作。该系统硬件设备简单,使用方便。实验结果表明,系统能有效地检测出手指指尖的位置,并且在光照适中的情况下三维注册效果良好,具备一定的实时性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-14
  1.1 研究的背景与意义  10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 论文的主要工作及章节安排  12-14
第2章 AR 基本理论及相关技术  14-33
  2.1 增强现实概述  14-20
    2.1.1 AR 与VR 的联系与区别  14-15
    2.1.2 增强现实应用  15-20
  2.2 增强现实系统组成结构  20-21
  2.3 增强现实中的关键技术  21-32
    2.3.1 显示技术  22-25
    2.3.2 跟踪注册技术  25-31
    2.3.3 交互技术  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章 基于标识的注册技术  33-43
  3.1 基于标识的注册技术原理  33-38
    3.1.1 基于标识的注册技术原理推导  33-35
    3.1.2 常用的AR 标识  35-38
  3.2 ARToolKit 的注册模块  38-40
    3.2.1 ARToolKit 工具介绍  38
    3.2.2 ARToolKit 注册模块  38-40
  3.3 ARToolKit 的注册模块改进  40-41
  3.4 实验结果  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 基于标识的手指交互系统  43-56
  4.1 系统整体设计  43-44
    4.1.1 系统开发工具  43
    4.1.2 系统运行环境  43
    4.1.3 系统模块及工作流程  43-44
  4.2 系统实现过程  44-52
    4.2.1 系统初始化及视频图像采集  45
    4.2.2 水杉模型的导入  45-46
    4.2.3 三维注册  46-47
    4.2.4 手指交互  47-52
    4.2.5 虚实融合  52
  4.3 系统实验结果与分析  52-55
    4.3.1 系统实验环境  52-53
    4.3.2 系统运行效果  53
    4.3.3 实验结果与分析  53-55
  4.4 本章小结  55-56
第5章 总结与展望  56-58
  5.1 研究内容总结  56-57
  5.2 未来工作展望  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-63
附录  63

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 计算机仿真
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