從計算機(jī)視覺角度分析增強(qiáng)現(xiàn)實場景生成與可視化

王應(yīng)時

摘 要 增強(qiáng)現(xiàn)實場景生成與可視化是只在現(xiàn)有的真實場景之下，將計算機(jī)虛擬技術(shù)引入進(jìn)來，實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實場景的渲染。帶給人們一種比現(xiàn)實場景更加夢幻，比虛擬場景更加真實的視覺沖擊。通過利用計算機(jī)視覺角度對于現(xiàn)實場景進(jìn)行情景再現(xiàn)，進(jìn)而開發(fā)出一個增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，提高現(xiàn)實場景生成與可視化的水平。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實；虛擬技術(shù)；視覺沖擊

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0056-01

通過將計算機(jī)圖像分析、多媒體技術(shù)、現(xiàn)代人機(jī)交互技術(shù)、三維顯像以及虛擬技術(shù)等綜合起來，在現(xiàn)實場景中存在的信息的基礎(chǔ)上利用計算計技術(shù)將虛擬的場景融合起來，進(jìn)而形成豐富多彩的新場景。通過計算機(jī)虛擬技術(shù)，吸取現(xiàn)實場景的元素進(jìn)行增強(qiáng)技術(shù)的處理，提供虛擬的場景來與現(xiàn)實場景進(jìn)行疊加，進(jìn)而帶給人們?nèi)碌囊曇?，使人們感覺虛擬場景本身就是現(xiàn)實場景的一部分，國外的大型3D電影就是采用這種技術(shù)來增強(qiáng)觀眾的視覺沖擊力。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實場景生成與可視化的研究框架

在整個增強(qiáng)系統(tǒng)的研究框架中，首先要使用攝像機(jī)來對整個真實的場景進(jìn)行信息拍攝，對圖像信息中關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。然后對采集的圖形信息進(jìn)行灰度處理等的關(guān)鍵視頻圖像幀信息處理，以保證在整個系統(tǒng)處理過程中圖像處理特征點的提取和匹配滿足要求。為了營造一個真實的場景來保證準(zhǔn)確的圖像信息，我們要確定下來相機(jī)的真實位置，然后建立以相機(jī)位置為參考的處理坐標(biāo)系，保證二維圖像與三維圖像轉(zhuǎn)化過程中，數(shù)據(jù)信息不會丟失，從而在整個系統(tǒng)中特征點的真實空間坐標(biāo)不會發(fā)生變化，這也是保證所有圖像特征點投影矩陣的矩陣點信息完整的前提條件。

為了達(dá)到虛擬場景與現(xiàn)實場景的完美融合，我們要通過圖像特征點建立相關(guān)的虛擬模型，而且虛擬模型中的特征點要參照現(xiàn)實場景的特征點來進(jìn)行矩陣點位置的確定，在保證這些點的位置與現(xiàn)實場景的點是重合的之后，就可以確定虛擬攝像機(jī)的空間位置，就可以實現(xiàn)虛實攝像機(jī)的對準(zhǔn)，完成現(xiàn)實場景與可視化的增強(qiáng)，最終將融合后的新場景輸出顯示出來。

2 基于計算機(jī)視覺角度增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定

在對于攝像機(jī)進(jìn)行位置確定以及調(diào)整過程中，需要對于攝像機(jī)內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括對于攝相機(jī)鏡頭的位置，成像焦距、攝像機(jī)的主定位參考點、攝像機(jī)的空間調(diào)整范圍等相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定，因為這些無關(guān)因素對于攝像機(jī)的拍攝有著重要影響，因此需要進(jìn)行標(biāo)定。目前攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定用的最多的方法是Kruppa方程標(biāo)定法和MATLAB工具箱標(biāo)定法。

Kruppa方程標(biāo)定法是通過采取外部參照的方法來進(jìn)行標(biāo)定，通過將攝像機(jī)采集的圖像信息進(jìn)行比對進(jìn)而確定相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，這個方法通過分析不同圖像之間的對應(yīng)點關(guān)系，進(jìn)而得到關(guān)于DIAC的6個含有未知參數(shù)的Kruppa方程，通過解矩陣方程，就可以得到攝像機(jī)的內(nèi)參矩陣。

MATLAB工具箱標(biāo)定法是對于傳統(tǒng)標(biāo)定方法的改進(jìn)，是攝像機(jī)內(nèi)參矩陣標(biāo)定方法。采用預(yù)先標(biāo)定好的黑白棋格標(biāo)定板進(jìn)行內(nèi)參矩陣標(biāo)定，通過對圖片角點的檢測以及分析，通過處理這些系統(tǒng)自動提取的角點在系統(tǒng)中的空間位置，進(jìn)而確定攝像機(jī)內(nèi)參矩陣。

2.2 跟蹤定位技術(shù)

跟蹤定位技術(shù)是指在虛擬場景與現(xiàn)實場景融合的過程中，不斷使用定位技術(shù)來對相機(jī)的位置進(jìn)行不斷的監(jiān)控，然后改變虛擬相機(jī)的空間位置并不斷將這些信息反饋到真實的場景之中，進(jìn)而形成特定的空間位置信息。目前的跟蹤定位技術(shù)主要是硬件設(shè)備跟蹤定位技術(shù)和視覺感官跟蹤定位技術(shù)。

1）硬件設(shè)備跟蹤定位技術(shù)。

硬件設(shè)備跟蹤定位技術(shù)是通過利用硬件設(shè)備自身的功能，對于接收到的光、電、超聲波等信號進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到實時跟蹤定位。目前常用的硬件設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)主要有以下幾種：

①光學(xué)跟蹤定位系統(tǒng)。通過光學(xué)元件對于場景中分布的光源信號或者是圖像反射的光信號進(jìn)行接收，然后利用光學(xué)原理對于運動物體空間位置的信息進(jìn)行計算。如果在光信號較弱或者遮擋嚴(yán)重的時候，精確度不高。

②電磁波跟蹤定位系統(tǒng)。將發(fā)射的地磁波信號與感應(yīng)信號進(jìn)行電磁耦合，進(jìn)而確定運用物體的空間方位，如果在磁屏蔽較為嚴(yán)重的場景會受到很大的影響。

③機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)。通過機(jī)械設(shè)備自身的特性，通過齒輪嚙合傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲杠等機(jī)械結(jié)構(gòu)對于運動物體的空間位置進(jìn)行計算。這種方法監(jiān)控范圍較小，容易出現(xiàn)監(jiān)控失效。

④超聲波跟蹤定位系統(tǒng)。利用超聲波信號到達(dá)特定點的時間差或者相位差等進(jìn)行定位。如果在存在干擾源，噪聲較大、溫度波動較大以及空氣濕度較大的環(huán)境里，超聲波跟蹤定位系統(tǒng)就會因為超聲波的傳遞受阻而產(chǎn)生定位不精準(zhǔn)。

2）視覺感官跟蹤定位技術(shù)。

視覺感官跟蹤定位技術(shù)是通過攝像機(jī)拍攝的圖片，利用圖像之間存在的映 射關(guān)系，分析圖像信息來估計攝像機(jī)運動，最終實現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實場景的融合。其中可分為基于參照物的注冊和圖像比對注冊兩種方法。

①基于參照物的注冊。在需要處理的場景中將參照物標(biāo)出來，然后通過圖像處理提取出的標(biāo)記點 為攝像機(jī)的校準(zhǔn)提供更多信息，進(jìn)而實現(xiàn)對運動物體的實時監(jiān)控。這種方法在注冊 的過程中，它的穩(wěn)定性、可靠性和實時的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)能滿足應(yīng)用的需要。但是如果在標(biāo)志物受到限制的復(fù)雜條件下，這種每個場景都需要安放標(biāo)志物的做法是不能實現(xiàn)的，這也導(dǎo)致了標(biāo)記點的注冊困難。如果在山區(qū)條件下，由于光照、空氣濕度、地理環(huán)境等方面的限制，很難去設(shè)定相應(yīng)的參照物。

②圖像比對注冊。通過將現(xiàn)實環(huán)境中的運動物體的形狀、位置等信息進(jìn)行分析來去預(yù)估攝像機(jī)的運動。通過這種拾取特征點的方式實現(xiàn)對虛擬信息的跟蹤注冊。這個方法是通過分析計算的方式來進(jìn)行位置標(biāo)定的，因此不需要再特定的場景標(biāo)定參照物。然而當(dāng)需要對于多幅圖片進(jìn)行信息注冊時就需要更長的計算時間，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了注冊的困難程度。

3 結(jié)束語

利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)來增強(qiáng)現(xiàn)實場景生成與可視化，利用注冊定位技術(shù)對于虛擬對象與真實場景進(jìn)行精確的對接，進(jìn)而讓計算機(jī)通過對場景的圖像信息進(jìn)行識別以及處理預(yù)案，將三維信息轉(zhuǎn)化為計算機(jī)語言，進(jìn)而得到場景信息的所有信息資料。之后通過計算機(jī)處理以及輸出，對現(xiàn)有的真實場景添加虛擬對象，最終形成增強(qiáng)后立體顯示的三維圖像。

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