增强现实技术的应用

论文总字数：20111字

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2技术简介 1

1.3国内外研究情况 4

1.4 本文研究内容 5

第二章 增强现实中关键技术点的研究进展 6

2.1显示技术 6

2.2 跟踪注册技术 6

2.3人机交互技术 11

第三章 应用设计 12

3.1设计目标 12

3.2设计流程 12

3.3 基于标识的增强现实应用设计 12

3.4基于非标识的增强现实应用设计 13

第四章 程序运行及调试 21

4.1模块一运行效果 21

4.2模块二运行效果 22

4.3模块三运行效果 22

4.4 调试与分析 22

第五章 总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

参考文献： 25

致谢 27

第一章绪论

1.1研究目的及意义

增强现实（Augmented Reality, AR）是在虚拟现实基础上结合了传感器技术、机器视觉、图像处理的人机交互技术^[1]。增强现实通过将计算机生成的与现实相关的虚拟对象“放置”到真实环境中，从而达到对现实世界的“增强”的目的^[2]，使得用户在与真实环境中的虚拟物体交互变得更加具真实感触。其中移动增强现实更具发展潜力，移动增强现实则是在增强现实基础上，使用了移动设备^[3]。与传统增强现实技术相比，其移动性使得它不受空间固定位置的限制。随着移动设备的硬软件技术越发成熟，移动增强现实技术也得到了突飞猛进的发展。而由于移动设备特别是智能手机与平板电脑本身除了有相对性能已经较强的CPU以外，移动设备本身配备的摄像头，IMU惯性传感器，GPS等传感器也进一步提升了移动增强现实的可行性。增强现实也不局限在个人计算机或是商用工作站上应用，越来越多的增强现实应用也在逐渐移植至移动设备上。与个人电脑相比，移动终端体积小，重量轻，便携性好，这些优点使得移动增强现实有了更为广阔的平台。而随着这些科技的进步与移动增强现实技术本身的优势，移动增强现实将会是未来发展的主流趋势。

对于AR这项新型科学技术目前已经渗透到社会上的各个领域，产生巨大效应。各国专家普遍认同该项技术拥有更美好的前景，因此发展增强现实技术意义重大。

1.2技术简介

（1）技术原理

在AR画面显示中的现实场景里出现的虚拟物体，是靠硬件设备，如电脑或手机摄像头捕捉到的现实画面，被实时的当作显示背景呈现在一个面片上。AR技术的关键在于设备可以通过对外部世界重要因素的感知理解来达到对自身的空间位置定位。在自身定位得到满足下，与虚拟出来的物体才可能更好地虚实结合进而满足用户的真实感。而设备定位通常共包括三个阶段，图像摄定、图像处理和实时更新虚拟内容。在设备定位过程中最为关键的步骤是图像的处理，在完成处理图像这一步骤后，可以得到相机的外参(Extrinsic，即相机坐标系与世界坐标系的变换关系)，然后应用到预览画面的叠加层(如OpenGL或3D引擎环境)，更新虚拟内容的位置，就完成了整个一帧的处理过程。接着将这个过程不断重复，确保设备移动后，虚拟内容始终在正确的位置上呈现。作为核心的图像处理过程，又包括一些子过程。例如相机内参标定、预览帧特征提取、匹配、相机外参标定等过程。

图1-1 主流程图

最后AR显示中的虚拟影像（如3d模型）出现在背景画面的前方，由AR组件中的摄像头进行拍摄识别标识图片，就可以把虚拟影像与现实画面结合在一起，经计算机进行处理并通过一定的角度及位置关系，形成一个相对真实的画面。

（2）各领域应用

目前增强现实技术在许多的领域都有着广泛的运用，例如军事武器、可视化数据模型、虚拟训练、娱乐休闲等领域。并且得益于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特点，使之在医疗研究与解剖训练、精密仪器维修和制造等领域，具有比其他技术更明显的优势。现在增强现实技术已经逐渐进入人们的视野，在医疗、军事、教育、工业、广告、旅游、游戏等领域发挥着越来与重要的作用。随着技术的不断发展、硬件设备不断变得廉价、视频显示质量的不断提高以及软件功能日益强大，AR的应用势必不断增长，AR技术在不久的将来，必将给众多领域带来革命性的变化。例如：

游戏领域：

技术的不断发展推动游戏产业的变革，而同时玩家对于游戏制作水平的要求也不断提升。增强现实游戏可以让全球不同玩家同时进入同一个场景，用虚拟替身的形式进行游戏操作，大大增强玩家对于游戏的参与感和真实感。在国内越来越多人想选择饲养宠物来缓解孤独，但是成本以及居住条件等现实因素使之不被允许，在今年ios平台上推出了一款AR养成游戏《Meow ARCat》完美的解决了这个问题，如图1-2，玩家不需要为宠物花费太多的金钱和成本就能享受到宠物给人带来的陪伴和安全感。这款游戏可以模拟人在真实环境下与宠物猫之间的互动，包括给宠物命名，穿衣服，喂食物等。并且是在移动设备上就可以实现，使玩家随时随地就可以体会到饲养宠物带来的快乐。

图1-2《Meow ARCat》

医疗领域：

美国伊利诺大学的Xun Luo等人提出了一个适用于脑卒中手部康复的增强现实训练环境^[5]。如图所示，该系统的硬件由计算机，头戴式显示器，摄像头，两套集成在手套上的辅助装置，力反馈摇杆以及位置追踪器构成。该系统主要能够训练脑卒中患者手的抓取和释放运动功能。系统提供两种训练模式，一种是用健康的手臂去驱动患肢，手套中的电缆能够使用其本身固有弹性拉伸手指；另一种是用肌电信号来驱动手掌侧的气囊，气囊推动手指伸展。佩戴辅助装置后，在抓取物体时，辅助装置会产生一定的力反馈，使得患者能够感受到抓取真实的物体的感觉。如图1-3所示：

图1-3 手部康复训练图

军事领域：

科技是影响战争输赢的关键因素之一，先进的技术装备也是打赢战争的保证。最为出名的美国海军陆战队拥有世界上最好的单兵作战装备，其中就包括AR军用头盔。如图1-4，这是一款辅助士兵作战的工具，它可以为士兵提供各种作战需要信息，比如识别敌方装备进而帮助士兵评估敌军实力，做好充足战前准备。我国的军事发展同样也离不开AR技术，近期空军发布了一张飞行员戴着AR头盔驾驶歼20巡航南海的照片，如图1-5由摄像头或传感器采集必要信息，经过处理后将画面呈现在面罩上，为飞行员提供更广阔的视角信息，同时飞机的各项参数也可以成像在眼前，方便飞行员了解飞机状态。

图1-4 军用头盔 图1-5 歼20头盔

（3）增强现实应用开发工具

1.OpenCV图像处理库

OpenCV全称为开源计算机视觉库，可与现在最为常用的windows操作系统完美兼容。在对图像识别，人脸识别，图片追踪等问题上OpenCV都具有不可替代的作用。其设计目的是高效率的应用在实时的系统环境中，尤其是应用在增强现实这种要求实时性很高的程序的开发设计。在本文中OpenCV主要进行的是对标识物的图像识别。

2.EasyAR软件包

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