增强现实注册跟踪技术的研究

孙可言+陈根+廖金巧

摘 要：随着计算机技术的不断发展，虚拟现实在各种领域得到了充分的使用，随着虚拟现实技术的发展，人们越来越期待能够与虚拟的世界进行交互，进而推动了增强现实技术的发展。增强现实技术是近年来一个研究的热点，广泛的应用于各行各业中。该文旨在研究和论述增强现实技术的核心技术注册跟踪技术。

关键词：虚拟现实 增强现实技术 注册跟踪技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（c）-0200-02

增強现实（Augmented Reality，AR）是一种借助于计算机图形技术和可视化技术，将虚拟信息应用到真实的世界，真实的环境和虚拟的物体时会融合在一起。AR技术综合了三维现实技术、交互技术、传感器技术、计算机视觉技术以及多媒体技术等等，它是一种崭新的虚实交互技术。

1 相关工作

目前国内外对这一崭新的虚实交互技术充满着好奇，不断有人投入到增强现实的研究中，随着计算机技术的发展，越来越多的增强现实产品也渐渐出现在人们的视野中。

比如，2014年4月谷歌公司发布的一款Project Glass增强现实眼镜；2015年1月22日，微软公司发布的一款全息眼镜——Microsoft HoloLens ；还有Magic Leap，Oculus Rift，三星gear等等。这些都是利用增强现实技术而开发的产品。

2016年，首届中国VR&AR峰会在四川成都召开，这也预示着增强现实技术在未来将广泛受到各行各业以及各类人士的关注，作为未来科技的风口，增强现实技术需要更多的人去研究和开发。

2 增强现实技术应用

增强现实技术一般在游戏和影视领域使用的比较广泛，但是随着人们对增强现实技术的不断研究与开发，其应用领域也越来越广发，在医学保健，房地产，工程和军事等方面都有所发展。

在游戏和影视方面，增强现实技术极大地提高增加了用户的体验感，在其他领域，增强现实的作用就不仅仅是增强用户体验感这么单一了。比如在油井勘探训练时，利用增强现实技术可以模拟场景，让训练者通过计算机模拟训练的场景，这样不仅保障了训练者的安全，同时也在不影响训练效果的情况下极大地降低了训练成本。

2.1 关键技术

增强现实是符合这个信息化计算机时代的产物，增强现实技术是一种由各种涉及计算机的技术共同发挥作用的运作体系技术，结合了计算机图形学、图形图像处理技术、计算机编程技术、计算机视觉系统等诸多学科的技术。同时也依赖于显示设备、图形加速设备、传感器、跟踪器、交互工具、大数据存储设备等硬件设备的发展。增强现实系统并不是一个单纯的虚拟的世界系统，它是一种将人为创造出来的虚拟的世界与现实中的世界结合起来，并且能够使真实的人与虚拟世界的对象进行交互的一种技术系统。在这种技术系统的作用下，真是的世界和虚拟的世界仿佛合二为一，在别人的眼睛里好像是共存于一个世界体系中，能够起到让用户仿佛身临其境的感觉，使用者很难分辨真是的世界和虚拟的世界，从而就增强使用者的用户体验。使用户能够有一种沉浸感，真实感。一个增强显示系统如果想要有一个很好的效果，不仅仅需要高端优质的硬件设备的支持，更加需要高精度的算法和完备的技术支撑，这些技术大致分为显示技术即呈现给用户的内容；注册跟踪技术即获取用户信息和数据的过程；虚实融合技术即使虚拟的世界与现实的世界结合的技术；用户与计算机交互技术也就是计算机对用户的行为进行的实时反馈的技术。该文将着重介绍最主要也是最核心的注册跟踪技术。

2.1.1 注册跟踪技术

注册跟踪技术是增强现实系统的核心技术，也是影响增强现实时效性和功能性的关键技术，同时该项技术的不成熟也在一定程度上阻碍着增强现实技术的发展与完善。因为，注册跟踪技术是一种能高效地快速地将虚拟的世界与现实的世界精确对齐的方法，可以很好地促进虚实场景的完美结合虚拟的世界有其自身的三维坐标，现实世界也有自己的三维坐标系，想要让虚拟的世界与现实的世界完美的结合起来，要做的第一步就是将两个不同的世界的坐标系统一起来，这就需要找到它们之间的转换关系。而找到虚拟世界和现实世界坐标系的转换关系的这一个过程就是注册（Registration）。

在增强现实系统中，用户在体验过程中，会不断变化自己的位置，其观察的角度也就会随之而发生变化。为了达到增强现实的效果，虚拟世界与现实世界坐标系之间的转换关系就要不断地根据用户的观察位置和角度来做出相应的实时的改变，那么确定用户观察的位置和角度并改变坐标系之间的转换关系的过程就叫跟踪（Tracking）。实现注册跟踪的方法主要有两类：基于硬件设备的方法和基于视频处理的方法，这篇文章主要介绍的是一种基于摄像机标定的注册跟踪技术。

计算机视觉中常用的坐标系是用右手准则来定义的，图1是三个不同层次的坐标系：世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系（图像像素坐标系和图像物理坐标系）。

世界坐标系（Xw，Yw，Zw）：就是现实世界的坐标系，是一种全局的坐标系，用户是在世界坐标系中做位置变动的，它是客观世界的绝对坐标。

摄像机坐标系（xoy）：以小孔摄像机模型的聚焦中心为原点，以摄像机光轴为oz 轴建立的三维直角坐标系。x，y 一般与图像物理坐标系的X，Y 平行。图像坐标系有下面两种：

图像物理坐标系：其原点为透镜光轴与成像平面的交点，X 与Y 轴分别平行于摄像机坐标系的x与y 轴，是平面直角坐标系，单位为毫米。

图像像素坐标系[计算机图像（帧存）坐标系]：固定在图像上的以像素为单位的平面直角坐标系，其原点位于图像左上角， Xf，Yf 平行于图像物理坐标系的X 和Y轴。对于数字图像，分别为行列方向。

3 结语

随着增强现实技术的发展，人们对增强现实的真实化体验的要求越来越高。这就要求增强现实的核心技术即注册跟踪技术的完善。注册跟踪技术的完善直接关系到虚拟世界的物体与现实世界物体的位置关系和阴影关系，是否可以达到预期的增强现实的效果。所以对于增强现实的研究离不开对注册跟踪技术的研究，当下比较流行的两类注册跟踪技术可以很好地达到增强现实的预期鲜果。但是，对于一些更深层次和更复杂的增强现实系统还需要更完善的注册跟踪技术的支撑。此文在介绍的RAC摄像机标定法能很好地实现注册跟踪但是在精确度和实时性上还需要进一步的研究与开发。

参考文献

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