增强现实视觉一致性研究

王凌云 邓世权

摘要：增强现实技术对嵌入的虚拟对象在几何、光照等视觉效果上有与真实对象保持一致的要求。增强现实视觉一致性以更实时、鲁棒以及自然化的方式为探索方向，是目前研究的关键以及主要难点。文中概述了增强现实技术框架、增强现实几何一致性和光照一致性，阐述了研究面临的挑战，最后做出了总结。

关键词： 增强现实; 视觉一致性; 几何一致性; 光照一致性

中图分类号：TP39      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）11-0185-02

增强现实技术是将虚拟对象与真实环境叠加，创造一个既有现实感，又有交互性的增强现实环境，从而显著增强虚实对象真实性的技术。得益于计算机视觉、光学、传感器等技术的快速发展以及计算能力的提高，增强现实技术应用于军事、工业、医疗、娱乐等领域之中，并取得重要进展[1]。

1 增强现实技术框架

增强现实技术基础框架通常由场景采集、三维注册、虚拟场景生成、虚实融合以及人机交互等多个模块组成，模块之间分工明确又紧密相连。如图1所示，场景采集模块负责对獲取的图像数据进行预处理。虚拟场景生成模块负责虚拟对象的建模工作，三维注册模块负责实时估计摄像机的位置和视角，以此计算出虚拟模型应放置的位置。虚实融合模块主要处理虚实物体之间的遮挡关系以及光照恢复，进而实现虚实对象的完美融合。人机交互模块负责获取用户操作行为信息，实现对虚拟对象的控制，最终通过显示器展示实际效果。

增强现实核心在于用户移动时，虚拟对象给予的反馈信息和真实世界一致，反馈信息表现在视觉、听觉、嗅觉、触觉以及味觉等。视觉信息是人感知环境信息的重要途径，心理学实验证明有80%的信息来自视觉，保证用户在增强现实环境中的空间感知和理解一致是增强现实视觉一致性[2]，这一直是一个不容忽略的技术难点，具体表现在几何一致性以及光照一致性两个方面。如今增强现实技术主要突出在对几何一致性进行解决，光照一致性问题因为真实场景混杂的光源信息以及研究方法的不统一，缺乏系统的技术解决方案。

2 几何一致性

增强现实几何一致性是指虚拟对象在位置、透视以及遮挡等几何关系上与真实场景保持一致[3]。几何一致性本身涉及面复杂庞大，支撑技术有场景几何重建、场景渲染和三维注册等技术，各项技术有机结合。增强现实几何一致性关键在于对摄像机的外部参数（摄像机空间位姿）和内部参数（摄像机焦距、畸变系数等）进行精确的计算和校准，以此为依据计算出虚拟对象加入真实场景中准确的位置、方位和大小。此外，借助场景深度图等几何数据实现虚拟对象与场景中的真实物体正确遮挡关系，不出现穿模现象也是几何一致性的重点之一。增强现实几何一致性从增强现实技术发展早期就一直是研究热点，相关研究直到如今依旧是相当活跃。

3 光照一致性

增强现实光照一致性是指虚拟物体上的光照效果（明暗、阴影、模糊以及高光等）与真实场景的光照情况保持一致[4]。在整个增强现实系统中，虚实对象处在正确光照匹配关系的环境下，有助于增强真实性，提高用户的视觉体验。如图2所示，针对真实场景，每一帧识别并跟踪真实物体，借助其几何结构、材质特性以及光照信息精确估计真实的光照环境，通过对虚拟对象添加光照效果，输出具有相同光照条件的虚实融合场景，其中研究核心是建立根据光学物理相关定律，采用计算机模拟真实世界光线照明过程的光照模型，主要分成局部光照模型和全局光照模型[5]。局部光照模型仅考虑光源对虚拟对象的照射影响，全局光照模型不仅考虑了光源，周围环境对象的反光以及透明特性对虚拟对象的影响也考虑其中。增强现实光照一致性是增强现实技术面临的挑战和亟待解决的问题。

4 结论

传统增强现实技术依赖于各种软硬件设备的辅助支持，使用场景十分有限，为更好实现和提升增强现实的显示效果，增强真实性和交互性，在更广阔的领域应用，越来越多的研究者意识到在增强现实视觉一致性的重要作用。随着计算机视觉技术的飞速发展，一些较成熟的计算机视觉技术和图形图像处理技术已经应用于视觉几何一致性，光照一致性的研究还存在研究方法通用性较小，客观评价体系不完善等诸多问题和挑战。

参考文献：

[1] 郭子兴，张晓林，高岩.基于双目视觉的增强现实系统设计与实现[J].电子设计工程，2018，26（23）：1-6.

[2] 罗亚波，陈定方，肖田元.增强现实环境中的视觉一致性问题研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003，27（4）：452-454，524.

[3] 王延可.增强现实几何一致性相关问题研究[D].济南：山东大学，2014.

[4] 滕慧举，陈一民，黄晨，等.增强现实中的光照一致性研究[J].计算机应用与软件，2014，31（12）：253-255，277.

[5] 刘万奎，刘越.用于增强现实的光照估计研究综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2016，28（2）：197-207.

【通联编辑：唐一东】