增強現實注冊跟蹤技術的研究

孫可言+陳根+廖金巧

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實在各種領域得到了充分的使用，隨著虛擬現實技術的發展，人們越來越期待能夠與虛擬的世界進行交互，進而推動了增強現實技術的發展。增強現實技術是近年來一個研究的熱點，廣泛的應用于各行各業中。該文旨在研究和論述增強現實技術的核心技術注冊跟蹤技術。

關鍵詞：虛擬現實 增強現實技術 注冊跟蹤技術

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0200-02

增強現實（Augmented Reality，AR）是一種借助于計算機圖形技術和可視化技術，將虛擬信息應用到真實的世界，真實的環境和虛擬的物體時會融合在一起。AR技術綜合了三維現實技術、交互技術、傳感器技術、計算機視覺技術以及多媒體技術等等，它是一種嶄新的虛實交互技術。

1 相關工作

目前國內外對這一嶄新的虛實交互技術充滿著好奇，不斷有人投入到增強現實的研究中，隨著計算機技術的發展，越來越多的增強現實產品也漸漸出現在人們的視野中。

比如，2014年4月谷歌公司發布的一款Project Glass增強現實眼鏡；2015年1月22日，微軟公司發布的一款全息眼鏡——Microsoft HoloLens ；還有Magic Leap，Oculus Rift，三星gear等等。這些都是利用增強現實技術而開發的產品。

2016年，首屆中國VR&AR峰會在四川成都召開，這也預示著增強現實技術在未來將廣泛受到各行各業以及各類人士的關注，作為未來科技的風口，增強現實技術需要更多的人去研究和開發。

2 增強現實技術應用

增強現實技術一般在游戲和影視領域使用的比較廣泛，但是隨著人們對增強現實技術的不斷研究與開發，其應用領域也越來越廣發，在醫學保健，房地產，工程和軍事等方面都有所發展。

在游戲和影視方面，增強現實技術極大地提高增加了用戶的體驗感，在其他領域，增強現實的作用就不僅僅是增強用戶體驗感這么單一了。比如在油井勘探訓練時，利用增強現實技術可以模擬場景，讓訓練者通過計算機模擬訓練的場景，這樣不僅保障了訓練者的安全，同時也在不影響訓練效果的情況下極大地降低了訓練成本。

2.1 關鍵技術

增強現實是符合這個信息化計算機時代的產物，增強現實技術是一種由各種涉及計算機的技術共同發揮作用的運作體系技術，結合了計算機圖形學、圖形圖像處理技術、計算機編程技術、計算機視覺系統等諸多學科的技術。同時也依賴于顯示設備、圖形加速設備、傳感器、跟蹤器、交互工具、大數據存儲設備等硬件設備的發展。增強現實系統并不是一個單純的虛擬的世界系統，它是一種將人為創造出來的虛擬的世界與現實中的世界結合起來，并且能夠使真實的人與虛擬世界的對象進行交互的一種技術系統。在這種技術系統的作用下，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世界體系中，能夠起到讓用戶仿佛身臨其境的感覺，使用者很難分辨真是的世界和虛擬的世界，從而就增強使用者的用戶體驗。使用戶能夠有一種沉浸感，真實感。一個增強顯示系統如果想要有一個很好的效果，不僅僅需要高端優質的硬件設備的支持，更加需要高精度的算法和完備的技術支撐，這些技術大致分為顯示技術即呈現給用戶的內容；注冊跟蹤技術即獲取用戶信息和數據的過程；虛實融合技術即使虛擬的世界與現實的世界結合的技術；用戶與計算機交互技術也就是計算機對用戶的行為進行的實時反饋的技術。該文將著重介紹最主要也是最核心的注冊跟蹤技術。

2.1.1 注冊跟蹤技術

注冊跟蹤技術是增強現實系統的核心技術，也是影響增強現實時效性和功能性的關鍵技術，同時該項技術的不成熟也在一定程度上阻礙著增強現實技術的發展與完善。因為，注冊跟蹤技術是一種能高效地快速地將虛擬的世界與現實的世界精確對齊的方法，可以很好地促進虛實場景的完美結合虛擬的世界有其自身的三維坐標，現實世界也有自己的三維坐標系，想要讓虛擬的世界與現實的世界完美的結合起來，要做的第一步就是將兩個不同的世界的坐標系統一起來，這就需要找到它們之間的轉換關系。而找到虛擬世界和現實世界坐標系的轉換關系的這一個過程就是注冊（Registration）。

在增強現實系統中，用戶在體驗過程中，會不斷變化自己的位置，其觀察的角度也就會隨之而發生變化。為了達到增強現實的效果，虛擬世界與現實世界坐標系之間的轉換關系就要不斷地根據用戶的觀察位置和角度來做出相應的實時的改變，那么確定用戶觀察的位置和角度并改變坐標系之間的轉換關系的過程就叫跟蹤（Tracking）。實現注冊跟蹤的方法主要有兩類：基于硬件設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標定的注冊跟蹤技術。

計算機視覺中常用的坐標系是用右手準則來定義的，圖1是三個不同層次的坐標系：世界坐標系、攝像機坐標系和圖像坐標系（圖像像素坐標系和圖像物理坐標系）。

世界坐標系（Xw，Yw，Zw）：就是現實世界的坐標系，是一種全局的坐標系，用戶是在世界坐標系中做位置變動的，它是客觀世界的絕對坐標。

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

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

圖像像素坐標系[計算機圖像（幀存）坐標系]：固定在圖像上的以像素為單位的平面直角坐標系，其原點位于圖像左上角， Xf，Yf 平行于圖像物理坐標系的X 和Y軸。對于數字圖像，分別為行列方向。

3 結語

隨著增強現實技術的發展，人們對增強現實的真實化體驗的要求越來越高。這就要求增強現實的核心技術即注冊跟蹤技術的完善。注冊跟蹤技術的完善直接關系到虛擬世界的物體與現實世界物體的位置關系和陰影關系，是否可以達到預期的增強現實的效果。所以對于增強現實的研究離不開對注冊跟蹤技術的研究，當下比較流行的兩類注冊跟蹤技術可以很好地達到增強現實的預期鮮果。但是，對于一些更深層次和更復雜的增強現實系統還需要更完善的注冊跟蹤技術的支撐。此文在介紹的RAC攝像機標定法能很好地實現注冊跟蹤但是在精確度和實時性上還需要進一步的研究與開發。

參考文獻

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