增强现实应用技术研究

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1、浙江大学博士学位论文增强现实应用技术研究姓名：姚远申请学位级别：博士专业：计算机科学与技术指导教师：朱淼良20060401浙江大学博士学位论文摘要增强现实技术致力于将计算机生成的信息同真实世界中的场景结合起来，它可以为医疗和工程用户提供准确、高效的辅助操作界面，也能够为教育或娱乐程序构造引人入胜的交互环境．随着相关技术的进步．增强现实技术逐渐成为下一代人机接口的发展方向之一。它涉及到计算机科学中的诸多领域，早期的研究集中在提高定位精度的传感器和视频检溅的跟踪定位技术上，以提高配准过程的准确性为主要目标．随着研究的深入，提高增强现实应用系统显示的

2、质量，提供快速开发的支持成为新的需求。当前主要存在两种类壅的开发库对增强现实应用的开发提供支持，其一是提供底层增强现实功能的基本开发库，另一种则是集成基本开发库并提供复杂功能支持的开发框架．使用前者开发增强现实应用是一项极其复杂的工作；而对予后者大多处予实验室应用阶段，框架的设计都有结构复杂、依赖于特殊设备和难予掌擐的缺点，并不能提供对真实感渲染和实时协作方面的有效支持。本文没有集中讨论增强现实中最基本的跟踪定位技术，而是针对增强现实应用系统开发的需要，直接以基于定位标记的视频检测为基础，从增强现实环境中的阴影生成方法和光线检测算法入手，首先为

3、虚拟物体与现实环境显示的一致性提供手段。这两种方法被集成在随后提出以场景管理为核心的增强现实软件框架ARSGF中。ARSGF被设计为由6个主要组件构成，为室内增强现实应用的开发提供场景组织、真实感渲染、设备管理和协同工作等4个方面的支持。文中最后给出了3个利用m氇GF软件框架开发的增强现实应用实例，用以详细说明利用AR8GF的软件体系结构设计与实现AR室内应用和桌面应用的过程。本文主要研究内容包含以下几点：1．虚拟物体和真实环境之间的阴影是体现增强现实环境一致性的重要指标之一。针对增强现实中的阴影绘制特点，本文首先利用改变经典的阴影体的绘制次序

4、生成中的相互间的阴影。同时在阴影体算法的基础上，实现了真实物体和虚拟物体之间绘制软阴影的方法。在处理复杂场景时，阴影体方法难以保证阴影绘制的效率。本文进一步利用改进的阴影映射方法生成真实环境和虚拟问题之间的阴影，能够在尽量减少绘制质量降低的前提下保证生成生成阴影与场景复杂性无关性，减少阴影生成步骤对场景绘制效率的影响，并可以适应不同的虚拟场景内容构造方式。2，在光照一致性检测研究中，本文主要讨论了基于定位标记检测真实场景光源的方法。通过检测定位标记表面辐照度的变化和真实光源之间的关系建立模型，在相机坐标空间中用逐渐逼近的方法拟合真实场景中的光源

5、的强浙江大学博士学位论文度和方向。这一方法能够直接利用定位标记提供场景信息降低系统配置的复杂性，并支持多个场景光源的检测。在此基础上本文讨论了利用相同的算法实现在全局坐标系下构造虚拟光源。3．基于场景管理的增强现实开发框架方面，本文提出基于场景管理的增现实开发框架ARSGF。ARsGF是一个开放式的软件框架，各个组件之间通过定义明确的抽象接口相互访阎，除提供满足基本AR应甩的功能模块耜交互工具之外，开发者可以在各个组件在其基础上独立扩展，而不需改变整个软件框架的结构。框架通过图形场景统一管理系统中的图形节点、设备和应用状态信息。框架中为增强现实

6、系统的开发定义统一的抽象设备接口，在此基础上能够灵活地构造不同交互工具。协作组件通过独立定义的场景状态传输协议在多个用户进程之间同步场景状态，为多用户协作应用的开发提供透明的支持。本文的所有工作最后都集中于ARSOF软件框架中，实现为一个开发库。与现有研究相比，ARsGF的结构简单、灵活，更加具有针对性。它集成了真实场景光线检测功能和真实感渲染机制，同时提供方便的节点管理和协作功能。为室内增强现实系统提供了统一软件体系结构，可以减少开发过程中的重复工作，为基于视频标记定位的室内增强现实应用系统提供快速的开发支持。关健词增强现实真实感光照一致性光

7、源检测增强现实软件框架增强现实系统浙江大学博士论文Abstr叠ctAu鲫entedrcality(AR)isdedicatedtocoInbinevinualobjectswiththerealworld．Itcanprovideamorenaturaluserillterfkefbrengi∞ers8ndestablish鼬cinatingenv油nmentforeducatioⅡ粕dentenajnlnent印plicaIio璐．ARre髂earchencomp∞sesalargem强berof盯easincomputerscience．I

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