基于pc的ar目标跟踪系统的.研究与应用

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1、圭海天学疆±骚窕生学链豫文TIIEPOSTGRADUATETHESISOFSHANGHAIUNIVERSITY1．1闯题的提出第一章绪论AR技零是蘧饕虚掇魏实技拳突飞猛遴的发溪耱现实需要瑟窭凝酶一释将奏实世界和计算机产生的虚拟信息“无缝”集成的一种新技术。AR技术要借助显示技术、交互菝本、多霉孛健感技术署器诗算撬强形与多媒体按术将诗籍掇圭戏豹寝掇环境与使用者周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周圈真实环凌斡缝成部分。壤强联实鼓术是氆助计算捉爨形技术鞠可程化技拳产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，偌助爨示设

2、冬将虞拟对象与真实骂境融为一体，并呈现绘使用者一个感官效果真实的新环境。因此增强现实系统具有艨实结合、实时交互和三维注册的鞭特点。它呈现绘用户的应是威{!；l信息和真实擞界共存的景象f3l。用于AR技术需要的计算量非常大，戳前AR工作均怒在图形工作站上进行。但是由于系统的造价昂贵，从数十万美元到数百万美元不等，长期以来主机使用SGI的高校工作站、多通道图形系统，一般用户无法承受，大部分仍然停留在高校或者研究所的实验室中，无法大量地推广。近几年来，随着计辣机的性能和图彩翔速卡静强形渲染畿力的不断掇离，在离糙Pc梳主捶上计算梳瀚形加速卡就可以实现图形工作站的3D绘图性能，不仅

3、软硬件价格低廉盥兼容性好。今天，采用离穑专盈3D图形卡+AR终设靛分毒诗舞梳系统替代暴赛豹SGI王{睾菇已箴为一种较为普遍的、经济可行的AR系统实现模式阱3。本文中鼢AR系统是蘩于分布计算辍系统熬(强l。1)。簸图中可隧蠢蹬，AR系统由视嫩跟踪系统和合成显示系统两部份构成。其中，视觉跟踪系统要完成的任务是出从真实场景中实时遗检测遗瘸户亳氅点短爨窥援线方自，露合成显示系统的功能是绘制AR系统中的虚拟场景并根据视觉跟踪系统得到的用户视点位置和携线方自傣患合成势显示爽实和虚羧相续食豹场景信息。视觉跟踪系统台成显示系统

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8、l鹫德采集蓬缳袋纂l嚣澎绘瓣澎绘；图1．1本文中的增强现实系统淞一影翼结景～霹搪一渗L_

9、L上海犬学礤上班究皇学位埝空THEPOSTGRADUATETHESISOF8HANGHAIUNlVERSITY本文要解决的问题是刹用低成本的方案实现AR系统中的目标跟踪系统。丽且要求这个雕际跟繇系统有很好的实时性，能够满怒AR技术对跟踪系统实时性的要求。也要求这个视觉跟踪系统商良好的跟踪精度，实现AR系统中的真实物体与虚叛物体准确蘸配。1．2All中餐鬓标跟踪1．2．1嚣标跟踪技术璨跨粪实秘髂囊虚羧物搭之淄蠡毒雄确注蓊移鼗踩是构建AR系统静一个关键技术难题。当用户

10、移动其视点时，虚拟物体必须和用户看到的真实目标位溉和方岛跨准。它是靠系绞准确遗褥躲熏户援点校对于黪壤或者楚蓑定物体豹位鬟秘方向来保证的忙J。E良踪得到的视点姿悉定义了将3D图形向真实世界图像投影的虚拟摄像枫的姿态，所以跟踩精度妻接决定对准窝注鼹在援蹩上熬撩礁程度[6,7．81。磁性跟踪技术、声学跟踪技术、惯性跟踪技术和光学跟踪技术是AR系统常用的跟踪技术。总的来说，这些跟踪技术孛没有睹5糖能够宠全潢慰AR系绞缒要求。例如，机械式传感器不灵活，因为要求有固定联接，所以对工作空间的幅度有限制。磁力传感器信号容易受周围环境中其它磁场的干扰而发生畸变，其本身具有的延逡特性也可能影

11、响虚实图像的实时注册。光学跟踪技术利用摄像机获取图像，通过立体视觉计算确定目标位置，并通过观测多个参照点来确定目标的表瑟獾囱。邋丽予确对，j、静鸯效铡煮空间(一般不大于30平方米)。阔题是掇像视的测量距离限制和视线障禳}(遮挡)影响。Madritch帮Gervautzt91凝据AR翁应矮挝寤了基予标准硬件豹光学跟踪系统。他们的硬件系统幽两台附哲CCD摄像机的SiliconGraphicsIndy工作站和一些红：gbLED。在瘦弱中，{鑫察还傻爱Tsaili。l撵交豹一释标准标定柬楚鹫党线穿过透镜时带来的形变。Koller等人阻”测震擎令PALCCD摄像规，誉予疑始稼定戆方

12、法寒睡诗摄像机的位置，当用户与虚拟嗣标进行交互时能够使用碰撞检测方法。其中的标定包括慰摄像捉浆走参骢售计。必了售诗通鬻安装在墙上来产生三维摄像捉位鬟积方向纳人工地标的位鼹，他们使用了扩展卡尔曼滤波器。State等人112蟪豳了混台跟踪方式。他们犍基于视觉跟踩器稆磁性跟踪器综台起来利用磁性跟踪器的稳定性和光学跟踪器的准确性构建一个目标跟踪系统。由于他们的跟踪系统嚣要电缆连接，所以只熊应用在跟踪空间有限的情况下。Azuma等人H弼提出了一个混合度更加高的跟踪系统。系统主簧应用在室外的AR中。他们利用了三囊传感设备：Omnistar