增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)注冊(cè)跟蹤技術(shù)的研究

孫可言+陳根+廖金巧

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在各種領(lǐng)域得到了充分的使用，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越期待能夠與虛擬的世界進(jìn)行交互，進(jìn)而推動(dòng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)一個(gè)研究的熱點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中。該文旨在研究和論述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心技術(shù)注冊(cè)跟蹤技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 注冊(cè)跟蹤技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（c）-0200-02

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一種借助于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)的世界，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體時(shí)會(huì)融合在一起。AR技術(shù)綜合了三維現(xiàn)實(shí)技術(shù)、交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)以及多媒體技術(shù)等等，它是一種嶄新的虛實(shí)交互技術(shù)。

1 相關(guān)工作

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這一嶄新的虛實(shí)交互技術(shù)充滿著好奇，不斷有人投入到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品也漸漸出現(xiàn)在人們的視野中。

比如，2014年4月谷歌公司發(fā)布的一款Project Glass增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡；2015年1月22日，微軟公司發(fā)布的一款全息眼鏡——Microsoft HoloLens ；還有Magic Leap，Oculus Rift，三星gear等等。這些都是利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)而開發(fā)的產(chǎn)品。

2016年，首屆中國(guó)VR&AR峰會(huì)在四川成都召開，這也預(yù)示著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)將廣泛受到各行各業(yè)以及各類人士的關(guān)注，作為未來(lái)科技的風(fēng)口，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要更多的人去研究和開發(fā)。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)一般在游戲和影視領(lǐng)域使用的比較廣泛，但是隨著人們對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷研究與開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣發(fā)，在醫(yī)學(xué)保健，房地產(chǎn)，工程和軍事等方面都有所發(fā)展。

在游戲和影視方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)極大地提高增加了用戶的體驗(yàn)感，在其他領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的作用就不僅僅是增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感這么單一了。比如在油井勘探訓(xùn)練時(shí)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬場(chǎng)景，讓訓(xùn)練者通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練的場(chǎng)景，這樣不僅保障了訓(xùn)練者的安全，同時(shí)也在不影響訓(xùn)練效果的情況下極大地降低了訓(xùn)練成本。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是符合這個(gè)信息化計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種由各種涉及計(jì)算機(jī)的技術(shù)共同發(fā)揮作用的運(yùn)作體系技術(shù)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖形圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等諸多學(xué)科的技術(shù)。同時(shí)也依賴于顯示設(shè)備、圖形加速設(shè)備、傳感器、跟蹤器、交互工具、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等硬件設(shè)備的發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并不是一個(gè)單純的虛擬的世界系統(tǒng)，它是一種將人為創(chuàng)造出來(lái)的虛擬的世界與現(xiàn)實(shí)中的世界結(jié)合起來(lái)，并且能夠使真實(shí)的人與虛擬世界的對(duì)象進(jìn)行交互的一種技術(shù)系統(tǒng)。在這種技術(shù)系統(tǒng)的作用下，真是的世界和虛擬的世界仿佛合二為一，在別人的眼睛里好像是共存于一個(gè)世界體系中，能夠起到讓用戶仿佛身臨其境的感覺(jué)，使用者很難分辨真是的世界和虛擬的世界，從而就增強(qiáng)使用者的用戶體驗(yàn)。使用戶能夠有一種沉浸感，真實(shí)感。一個(gè)增強(qiáng)顯示系統(tǒng)如果想要有一個(gè)很好的效果，不僅僅需要高端優(yōu)質(zhì)的硬件設(shè)備的支持，更加需要高精度的算法和完備的技術(shù)支撐，這些技術(shù)大致分為顯示技術(shù)即呈現(xiàn)給用戶的內(nèi)容；注冊(cè)跟蹤技術(shù)即獲取用戶信息和數(shù)據(jù)的過(guò)程；虛實(shí)融合技術(shù)即使虛擬的世界與現(xiàn)實(shí)的世界結(jié)合的技術(shù)；用戶與計(jì)算機(jī)交互技術(shù)也就是計(jì)算機(jī)對(duì)用戶的行為進(jìn)行的實(shí)時(shí)反饋的技術(shù)。該文將著重介紹最主要也是最核心的注冊(cè)跟蹤技術(shù)。

2.1.1 注冊(cè)跟蹤技術(shù)

注冊(cè)跟蹤技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)時(shí)效性和功能性的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)的不成熟也在一定程度上阻礙著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與完善。因?yàn)?，注?cè)跟蹤技術(shù)是一種能高效地快速地將虛擬的世界與現(xiàn)實(shí)的世界精確對(duì)齊的方法，可以很好地促進(jìn)虛實(shí)場(chǎng)景的完美結(jié)合虛擬的世界有其自身的三維坐標(biāo)，現(xiàn)實(shí)世界也有自己的三維坐標(biāo)系，想要讓虛擬的世界與現(xiàn)實(shí)的世界完美的結(jié)合起來(lái)，要做的第一步就是將兩個(gè)不同的世界的坐標(biāo)系統(tǒng)一起來(lái)，這就需要找到它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。而找到虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系的這一個(gè)過(guò)程就是注冊(cè)（Registration）。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶在體驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)不斷變化自己的位置，其觀察的角度也就會(huì)隨之而發(fā)生變化。為了達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果，虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系就要不斷地根據(jù)用戶的觀察位置和角度來(lái)做出相應(yīng)的實(shí)時(shí)的改變，那么確定用戶觀察的位置和角度并改變坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的過(guò)程就叫跟蹤（Tracking）。實(shí)現(xiàn)注冊(cè)跟蹤的方法主要有兩類：基于硬件設(shè)備的方法和基于視頻處理的方法，這篇文章主要介紹的是一種基于攝像機(jī)標(biāo)定的注冊(cè)跟蹤技術(shù)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)中常用的坐標(biāo)系是用右手準(zhǔn)則來(lái)定義的，圖1是三個(gè)不同層次的坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系（圖像像素坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系）。

世界坐標(biāo)系（Xw，Yw，Zw）：就是現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)系，是一種全局的坐標(biāo)系，用戶是在世界坐標(biāo)系中做位置變動(dòng)的，它是客觀世界的絕對(duì)坐標(biāo)。

攝像機(jī)坐標(biāo)系（xoy）：以小孔攝像機(jī)模型的聚焦中心為原點(diǎn)，以攝像機(jī)光軸為oz 軸建立的三維直角坐標(biāo)系。x，y 一般與圖像物理坐標(biāo)系的X，Y 平行。圖像坐標(biāo)系有下面兩種：

圖像物理坐標(biāo)系：其原點(diǎn)為透鏡光軸與成像平面的交點(diǎn)，X 與Y 軸分別平行于攝像機(jī)坐標(biāo)系的x與y 軸，是平面直角坐標(biāo)系，單位為毫米。

圖像像素坐標(biāo)系[計(jì)算機(jī)圖像（幀存）坐標(biāo)系]：固定在圖像上的以像素為單位的平面直角坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于圖像左上角， Xf，Yf 平行于圖像物理坐標(biāo)系的X 和Y軸。對(duì)于數(shù)字圖像，分別為行列方向。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的真實(shí)化體驗(yàn)的要求越來(lái)越高。這就要求增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)即注冊(cè)跟蹤技術(shù)的完善。注冊(cè)跟蹤技術(shù)的完善直接關(guān)系到虛擬世界的物體與現(xiàn)實(shí)世界物體的位置關(guān)系和陰影關(guān)系，是否可以達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。所以對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究離不開對(duì)注冊(cè)跟蹤技術(shù)的研究，當(dāng)下比較流行的兩類注冊(cè)跟蹤技術(shù)可以很好地達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的預(yù)期鮮果。但是，對(duì)于一些更深層次和更復(fù)雜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還需要更完善的注冊(cè)跟蹤技術(shù)的支撐。此文在介紹的RAC攝像機(jī)標(biāo)定法能很好地實(shí)現(xiàn)注冊(cè)跟蹤但是在精確度和實(shí)時(shí)性上還需要進(jìn)一步的研究與開發(fā)。

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