基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互技術(shù)研究

王青青，杜儉狀，王 靜

（1.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長春 130012：2.一汽模具制造有限公司，長春 130012）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一門新興的信息技術(shù)，是近年來的研究熱點(diǎn)技術(shù)之一。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在發(fā)展之處存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、顯示效果很差，真實(shí)感嚴(yán)重不足等問題，到了90年代，隨著圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)在AR系統(tǒng)的攝像機(jī)校準(zhǔn)算法、虛擬物體的投影注冊算法、AR中的遮擋問題、AR的工程應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了一些研究成果[1]。

本文從基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)框架，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案以及技術(shù)的有效性等方面進(jìn)行研究和分析，最后進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用。

1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)生成虛擬物體、場景等，將其與真實(shí)存在的場景進(jìn)行疊加，由此通過虛擬更進(jìn)一步的對現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了增強(qiáng)，使得自然場景和虛擬場景之間能夠有效的自然交互，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程圖

實(shí)現(xiàn)過程為：

（1）圖像采集

通過調(diào)用系統(tǒng)的內(nèi)置的API接口，對攝像頭所拍攝場景的圖像進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。

（2）圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要包括對圖像的邊緣進(jìn)行增強(qiáng)、提取圖像的輪廓等，這樣的目的是為了便于后續(xù)的特征提取，圖像進(jìn)行預(yù)處理后得到的圖像的邊界清晰、明顯可以減少特征提取的計(jì)算量。

（3）特征提取

本項(xiàng)目利用離散余弦算法（1）來判斷相機(jī)得到的每幀圖像和目標(biāo)圖片相似程度，令輸入圖像為M，已知圖像為T，由此可以計(jì)算獲取到二者之間的相似度，即為，其中，d是一個(gè)DCT距離公式（2），表示兩個(gè)圖像相似度。但相似度大于某個(gè)閾值Q時(shí)，則認(rèn)為目標(biāo)圖片出現(xiàn)在實(shí)際場景中，其特征提取的效果圖如圖2所示。

圖2 特征提取效果

（4）模型匹配

在進(jìn)行模型匹配時(shí)主要是根據(jù)模式識(shí)別匹配算法，將攝像頭捕獲到的場景的id獲取到，然后加載預(yù)設(shè)好映射關(guān)系的三維模型，從而對真實(shí)環(huán)境進(jìn)行了有效的增強(qiáng)。

（5）三維注冊和虛實(shí)內(nèi)容合成渲染

對標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別時(shí)本文采用的是基于計(jì)算機(jī)視覺的相機(jī)標(biāo)定，在標(biāo)定的過程中涉及到四個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，分別是世界坐標(biāo)系，成像平面坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系和圖像顯示坐標(biāo)系[2]，通過四個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的變化將三維圖像轉(zhuǎn)化為二維圖像，然后利用三維轉(zhuǎn)二維的變化關(guān)系，計(jì)算出二維點(diǎn)在真實(shí)三維空間的位置，并且利用攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)以及OpenGL將制作的三維模型映射到真實(shí)場景中個(gè)，并實(shí)現(xiàn)精確配準(zhǔn)，由此將真實(shí)世界和虛擬場景實(shí)現(xiàn)了無縫融合。如圖3所示。

圖3 虛擬模型與真實(shí)場景精確配準(zhǔn)

2 仿真結(jié)果分析及應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，在Dell T3610 Xeon2.8GHZ*4/32G/500G計(jì)算機(jī)，HF-W6045 USB工業(yè)攝像機(jī)、硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)效果圖

在本實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)人機(jī)交互響應(yīng)應(yīng)延時(shí)不超過0.1秒。

本文此技術(shù)應(yīng)用到虛擬旅游中，用戶既可以不出家門就能感受到各個(gè)景點(diǎn)的360度全景風(fēng)光，一鍵掌握景區(qū)信息，也可以讓人們認(rèn)識(shí)到景區(qū)的人文沉淀，提升體驗(yàn)[3]，其應(yīng)用效果如圖5所示。

圖5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用效果圖

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)的闡述了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互技術(shù)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程，實(shí)現(xiàn)了虛擬場景和真實(shí)世界的無縫融合。最后進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以此來說明系統(tǒng)的人機(jī)響應(yīng)快，此系統(tǒng)還被應(yīng)用于虛擬漫游中。