虛擬現實中圖像增強現實AR的使用價值與技術研究

朵雯娟

摘 要： 現階段虛擬現實中圖像增強技術仍然存在一定的缺陷，對于其指標測量與評價方法也不夠完善，容易導致用戶在使用過程中出現眩暈以及沉浸感等問題。通過對AR技術的研究，結合AR光學性能對虛擬現實中圖像增強的參數指標進行測評，對AR設備的光學技術研究方法進行介紹。為了驗證設想的可行性，設計基于AR技術的虛擬光學實驗模型，并通過仿真實驗對其進行測評，實驗結果證實該仿真模型效果逼真，具有良好的實際使用價值。

關鍵詞： 虛擬現實； 圖像增強； AR技術； 光學性能； 實驗模型； 仿真實驗

中圖分類號： TN911.73?34； U665 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0075?04

Abstract： The image enhancement technology in virtual reality has a certain defect， and its index measurement and evaluation methods aren′t perfect enough， which is easy to cause the dizziness and immersion in the using process of users. The AR technology is researched， and the AR optical performance is combined to evaluate the parameter index of image enhancement in virtual reality. The optical technology research methods of AR device are introduced. A virtual optics experimental model based on AR technology is designed to verify the feasibility of the conceiving， and evaluated with simulation experiments. The experimental results confirm that the simulation model is effective， and has high practical application value.

Keywords： virtual reality； image enhancement； AR technology； optical performance； experimental model； simulation experiment

0 引 言

虛擬現實利用電腦設備對三維空間進行模擬，再利用頭戴設備提供給使用者感官反饋，為使用者提供身臨其境的感受，幫助使用者對模擬三維空間進行探索。而增強現實是電腦直接疊加或投射畫面的過程，虛擬現實中的圖像增強要避免給使用者帶來沉浸式的虛擬感受，不借助任何其他設備進行操作，在真實的場景下與畫面進行有效互動[1]。當前AR技術的涌現和發展也在很大程度上推動了相關技術的發展，使用AR設備的用戶規模逐漸擴大，并在醫療、教育、工程、娛樂等領域，以及在尖端技術的研發方面都得到了廣泛的應用，并展現出獨特優勢。但AR技術在分辨率、可視角度等方面難以滿足用戶體驗需求，導致相關產品的使用舒適度差異相對較大[2]。因此， 要積極完善AR技術應用于虛擬圖像的光學標準工作。

1 虛擬現實仿真系統模型設計

1.1 虛擬現實圖像增強方法流程

為達到最大程度場景仿真又方便控制運動的目標，對圖像跟蹤測試評估的虛擬仿真系統采取模擬目標和真實背景相結合的方法建立虛擬現實仿真系統模型，如圖1所示。

圖1中，首先對視圖主線架構進行設計，再使用仿真工具制造物體模型，將模型加入真實場景中以達到實現虛擬模型與真實場景相結合的目的[3]。將真實場景在監控器上輸出虛擬模型視頻，數據輸出后通過相關運算方法進行分析并顯示于窗口[4]。

雖然系統程序對圖像的識別功能千差萬別，但從本質上講，都是基于為用戶提供高效便捷服務信息進行的系統設計，因此在對程序進行設計的過程中，若某個對象能完成所需功能，這時只要通過調用已有對象的簡單操作就可以完成目標[5]。另外，還可以利用繼承方法通過已有對象派生出自己的對象，還可以根據需要增加所需特性和方法，產生功能更為強大的對象，也可以創建新對象，根據需要完善功能，這種方法為跟蹤識別方法[6]，如圖2所示。

實時跟蹤識別系統采用實時攝像機跟蹤算法，為實現基于虛擬現實的圖像增強方法，在系統設計中利用KLT算法進行跟蹤注冊、寬基線注冊校正，并建立對應關系，提高跟蹤定位的精度，克服基于模型抖動的問題[7]。

1.2 AR設備模型設計

AR技術通過為使用者提供更加豐富的互動方式強化使用者對真實環境的感官體驗[8]。不同于VR環境的完全虛擬畫面，AR環境中的圖像展示都是在真實圖像上進行運動的[9]。但如果AR技術不能完成有效結合真實世界背景和虛擬環境信息的效果，合成場景會阻礙認知功能，造成視覺干擾，出現在同一界面內顯示信息混亂，降低用戶體驗感，給使用者帶來壓力等問題。此外，如果系統操作方法相對過于復雜則會增加用戶精神負擔。因此通過AR技術實現虛擬現實圖像增強方法，完成真實場景設計的系統模型要簡潔、高效[10]。AR應用程序執行流程圖如圖3所示。

為打破傳統AR技術在人機互動方面上的局限，需對互動體驗空間進行拓展，利用傳統的圖像增強方法作為依據對增強方法進行交互設計[11]。為保障能夠自然切換交互空間，設置文檔模板動態系統創建如圖4所示。

根據圖4不難發現，在文檔模板動態系統結構中，框架、文檔和視圖是一體的。通過文檔模板來維護框架、文檔和視圖三者之間的關系是相輔相成的[12]。在該系統生成的虛擬現實三維環境中，使用者不僅能以第一人稱的視角在視覺范圍內部任意行動，還可以依據個人喜好對虛擬場景中的物體進行替換或調整，有助于提高用戶互動感受[13]。

2 圖像增強質量評價指標

隨著現代化技術的不斷發展，對虛擬圖像的光學性能測評技術也提出了更高的要求。根據對相關文件進行的調查可知，對AR設備的圖像增強基礎測評質量的評估除了要對圖像的亮度、對比度等常規的光學性能進行考察外，同時還要對圖像質量的近眼光學視場設計進行測評[14]。

由于AR設備的視場是經過光學成像后在預設位置看到的視場范圍，其大小受設備和光學系統限制。人眼形成雙目成像，其視場范圍系統如圖5所示。

如圖5所示，在對人眼視場進行測量時，需要對眼球進行模擬，建立眼球轉動掃視測量系統，在AR設備的預設視覺位置，對不同角度的圖像畫面進行采集以推斷出人眼單眼的瞬時視場，并通過圖像特征提取和拼接等技術得到人眼總視場和雙目疊加視場[15]。通過對視場進行準確的測量為對用戶產品提供指導。在測量過程中經常會出現畸變失真的情況，主要有枕形失真和桶形失真兩種形式。正常圖像及失真圖像分別如圖6～圖8所示。

在圖像出現畸變的情況下借助信號發生器進行視場測量，并通過AR設備對測量畫面進行顯示，再通過對畸變圖像中的特征位置進行提取推算出圖像的畸變度。

3 AR虛擬光學實驗的測評與優化

對基于AR技術進行的虛擬現實仿真系統模型進行測評，測評指標和方法參照前文。

選取兩幅模型中顯示的樣本圖像，并隨機產生1萬幅有噪點的仿射圖像作為訓練數據集。在此基礎上各自隨機挑選200幅留作參考數據集。在測試過程中對參數進行調節以此評估分類與跟蹤的性能。圖像識別率曲線對比結果如圖9所示。

通過圖9不難看出，在保持測試點數不變的情況下，圖像測試點的個數在200以內時，圖像中樣本的數量與測試點的數量對組建的計算性能產生直接影響并決定著設備的內存消耗量，其個數越小，二者性能差距就越大，所含測試點個數越少，識別率越高。

表1為圖像在相近識別率下測試信息數據結果統計表。

如表1中數據所示，對虛擬現實仿真系統模型所產生的圖像進行測量，其識別率都能達到90%左右，因此證實虛擬現實仿真系統模型可準確地對虛擬現實圖像進行增強。經過計算發現該模型在內存占用率上較傳統方法具有顯著優勢。

4 結 語

隨著AR技術的興起，虛擬圖像增強效果也得到了提升。經過實驗測量證實本文提出的虛擬現實仿真系統模型能夠有效完成虛擬現實圖像中圖像增強的理想目標，并具有內存占用較低的顯著優勢，符合虛擬圖像測試的國際標準，效果接近真實。因此，積極結合AR技術有助于提高虛擬圖像增強效果，具有良好的使用價值。

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