基于手持设备的增强现实技术研究与应用

增强现实(Augmented Reality,简称AR)技术将计算机生成的信息同真实世界的场景进行融合,在三维空间中实现二者位置的“对齐”,并且具有实时交互的特点。AR在军事、医疗、教育、文化以及娱乐等领域具有广泛的应用前景。随着移动技术的发展和普及,具有体积小、携带方便、功耗低等特点的手持设备(智能手机、PDA等)已经成为AR系统良好的实现平台。因此,研究基于手持设备的增强现实技术具有重要的理论意义和实用价值。 跟踪注册是AR的关键技术之一。本文以Symbian OS智能手机作为AR系统的实现平台,研究手持设备上的基于视觉标记的跟踪注册技术,通过预先在场景中设置标记,计算手机内置摄像头相对于标记的姿态(位置和方向),将虚拟物体准确地注册到标记上,达到虚实融合的目的。论文的创新成果有: 1、研究快速标记角点检测算法。标记的角点检测是标记识别以及摄像头姿态计算的首要步骤。论文研究了目前常用的标记角点检测算法,分析它们的算法性能,提出了一种利用区域生长检测标记角点的方法,实验表明与目前常用的标记角点检测算法相比,本文方法具有快速准确的特点,适合计算性能较低的手持设备。 2、解决因手持设备随用户手部无意识抖动引起跟踪注册实时性降低的问题。使用AR系统的平台设备时,当用户手部存在抖动情况时,摄像头姿态改变较小,若仍采用逐帧检测跟踪法,对计算性能较低的手持设备而言,则会降低跟踪注册的实时性。本文建立的基于窗口的摄像机姿态估计方法,解决了因手持设备抖动降低跟踪注册实时性的问题。本文通过大量的实验表明,通过设置大小合适的窗口,可以明显提高跟踪注册的实时性能。 3、研究手持设备上三维模型的绘制。设计实现三维模型数据解析器,将通用建模软件设计的三维模型转换成适合于手持设备渲染的模型数据格式,实现了三维模型的复用,提高了AR系统的开发效率。 4、设计实现了Symbian OS智能手机上的AR游戏——Bear Hitting。基于本文的研究成果,设计实现了智能手机Nokia 6120c上的AR游戏。由于键盘操作会引起手机的抖动,本文的方法可显著地提高游戏的实时响应速率。