基于圖像AR技術的虛擬光學實驗模型設計與仿真

摘要：隨著當今我國經濟和科技的快速發展，智能化技術在人們的生活中也逐漸普遍，開發一般都是采用Visual C++6.0、OpenCV、OpenGL等工具，從而來構建PC機的虛擬系統。為了證實仿真模型的真實性和應用價值，就得計劃實驗仿真和虛擬的光學實驗模型。在實驗的過程中，測試者反應出有暈眩的現象，導致這一現象的原因可能是虛擬現實的圖像增強的難題，通過這一問題，科研者融合了AR的光學性能去測評虛擬現實的圖像增強，從而來證實了實驗假設的可行性，于是文章就從虛擬現實圖像增強方法和模型設計這2個方面來闡述AR技術的虛擬光學實驗模型設計和仿真。

關鍵詞：AR技術;虛擬光學;實驗模型;仿真實驗

中圖分類號：TP75;TP391.92

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0105-04

Design and Simulation of Virtual Optical Experiment ModelBased on Image AR Technology

CHEN Hai-long

（School of Mechatronics ， Xianyang Vocational Technical College ， Xianyang Shaanxi 712000 ， China ）

Abstract ： With the rapid development of economy and science and technology in our country ， intelligent technolo-gy is also becoming more and more popular in people's life.The development generally adopts tools such as VisualC++6.0 ， OpenCV ， OpenGL ， etc. ， to build the virtual system of PC.ln order to verify the authenticity and applicationvalue of the simulation model， it is necessary to design experimental simulation and virtual optical experimentalmodel.ln the process of the experiment， the tester reflects the phenomenon of dizziness ， which may be caused bythe proh lem of image enhancement of virtual reality.Through this problem ， the researcher integrates the optical per-formance of AR to evaluate the image enhancement of virtual reality ， so as to verify the feasibility of the experimen-tal idea.So the paper expounds the design and simulation of virtual optics experimental model of AR technologyfrom the two aspects of virtual reality image enhancement method and model design.

Key word s ： AR technology ; virtual optics ; experimental model ; simulation experiment

隨著科技的快速發展，AR技術表現的尤為突出，應用于醫療、工程、教育等領域，但是隨著人們需求量的提升，在可視化和分辨率的性能還要繼續增強，這也是當今科研者所面臨的一個難題。市面上的虛擬現實設備主要是通過電子儀器對我們的真實的三維空間進行還原，當測試者戴上設備時就會有一種身處在真實場景的感知[1-3]。實驗的過程中，考慮到和現實場景更好的融合，我們常常通過投影和疊加的方式來更好的還原我們真實的場景，這樣也可以使得測試者能對三維空間能有一個更好的認知，同時也減弱了測試者有一種深陷虛擬世界的感受在這個虛擬現實中，來完成圖像增強[4]的過程。除了以上問題，為了使得真實和畫面能較好的融合以及互動在不借助其他的電子設備下，這也是當今人們所關注的一個熱點，即使有這些問題，AR用戶的數量也是成指數增長。

1虛擬現實圖像增強方法

1.1增強現實技術（AR）概況

增強現實技術是在20世紀60年代出現的。第一臺AR設備是由世界名校的一位名為Ivan Sutherland教授所制造的，它是一臺透明的頭盔顯示器，在頭盔的顯示器上顯示出電腦設計的立體圖像，Ivan Suther-land也在公共場合承認虛擬現實技術是當今的前沿技術，AR技術其實就是在虛擬環境中加入真實世界的圖像，這樣就可以和現實更好的結合，在進行增強現實的時候不要完全并刻意的帶入虛擬環境中，它是通過把真實世界和計算機合成的虛擬對象融合為一體，通過這種方式給操作者營造身臨其境的感知，從而創造出真實情景的虛擬世界。增強技術主要是對真實的一些場景進行相應的增補，這樣就可以使得操作者可以更為方便的感受和認知外面的一些世界。如果我們僅是建立一個細節上重現我們所在的白然環境的系統那是具有一定的難度的，但增強現實就可以不需要大量的計算能力，除此之外，它還充分采用了現實世界的信息，根據我們的需求量來進行相應的增補，這也最大程度的減少了系統整體的運算能力。

AR技術所設計的領域有計算機圖像學、計算機視覺、模式識別[5]、人工智能等多個方面，它是一種通過計算機隨機產生的虛擬數據來模擬客觀情景的增強技術，并提供相應的接口使得操作者和虛擬環境中的虛擬物體更為自然的交流，從而使得操作者更為容易進行實施，多種交互體驗、強化用戶的體驗感，其實增強技術關聯的領域相當多，在醫學研究、航天軍工、商業娛樂等領域都有了更為廣泛的應用。

1.2虛擬現實圖像增強方法流程

圖像跟蹤[7]測試評估的虛擬仿真系統是通過真實背景和模擬目標相互結合的方式來建立模擬現實的仿真系統，其目的主要是便于控制運動目標和最大的場景模擬，具體的過程如圖1、圖2所示的流程圖中，先是構架好主要的框架，使用仿真T具模擬出對應的物體模型，將擬好的模型和真實場景相結合，從而還原真實的場景，并在監控器上把真實場景顯示出來，使用對應的算法來處理輸出的數據，最后在窗口上顯示出來。

系統程序在識別圖像的方面存在著不盡相同，但歸根結底上說，都是達到使得用戶能夠擁有一個便捷和高效系統的目的，因此在進行程序設計的時候，常常都是通過從已用的對象中進行調用來達到相應的目的，第2種方式將已有的對象派生成自己的對象通過繼承的方式，以上的兩種方式都是可以滿足對象所需的功能。最后還用一種跟蹤識別的方法，它是創建新的對象和產生強大功能對象的方式，而且他還可以根據我們要的方式和特性有針對性的處理這個過程。為了解決跟蹤定位的準確性、圖像增強和模型抖動的問題，因此系統在進行設計的時候就得選擇性的選擇對應的算法，KLT算法因具有寬基線注冊矯正、跟蹤登錄的功能而被選中，還有一個更為重要的就是跟蹤識別系統所采用的實時攝像機跟蹤算法。

2模型設計

與其他AR情景存在的差異性是AR技術是通過為使用者供給多方位的互動方式使使用者有身臨其境的真實體驗，而且AR環境中的圖像顯示的都是較為真實的物體運動圖像，但是他還是會有一定的漏洞，AR技術是不能把真實世界和虛擬環境更為有效的融合，這就導致合成的場景會有一定認知功能上的隔閡，從而產生視覺上的阻礙，在同一個界面內顯示會有信息混亂的情況發生，這也導致用戶的體驗感有所降低，并在使用的過程中有一定的壓力問題給使用者，除此之外，若系統的操作方式比較的復雜那就會使用戶有一定的精神負擔，所以通過AR技術來對圖像進行相應的增強，從而完成真實場景設計系統模型的方便和快捷，AR的應用流程圖如圖3所示。

因此為了打破AR技術在人機互動[6]上的局限，第一步先是將互動體驗的區域適當的延大，增強圖像就得使用以往的方式進行，使得人和機器能更好的互動交流，達到以上的一些目的后，還得考慮空間是否能交換流暢，為提高這一性能，文檔模板動態系統的設計就變得尤為的重要了。從圖4、圖5中我們也不難發現，文檔模板動態系統結構中的框架、文檔和視圖都是一體的，為維護框架、文檔和視圖這3者的關系我們一般是采用文檔模板，就系統生成的虛擬現實三維環境中，使用者可以第一人稱的視角在相應的視覺范圍內行動，也可以根據個人的的喜好對虛擬環境中替換或調整，這樣也有助于用戶的互動感受。

在進行常規光學性能的測評指標是AR設備的生成圖像的對比度、亮度這兩個方面，除了這之外，還得考慮到圖像質量關于近眼的光學視場的測定。在進行視場系統規劃的時候，

AR視場是通過在預設的位置上生成光學成像在視場區域內，我們的人眼成像是雙目的，而且它還會受儀器的大小和光學系統的限定，視場范圍系統如圖5、圖6所示。

圖4、圖5、圖6是對人眼視場進行測量時，對眼球進行模擬，建立眼球轉動掃描測量系統，為推動出不同角度的圖像畫面，我們一般是先推斷出單眼的瞬時視場，為了獲取雙目疊加視場和人眼的總視場我們一般都是根據圖像特征來進行銜接和獲取。測量的過程中會有桶形和枕形失真這兩種畸變失真的現象發生，如圖5是正常的圖像，圖6、圖7是通過實驗的失真圖形，為了解決這一個難題，第一步我們先是用信號發生器測量真實的場景，通過AR還原真實的畫面，完成以上的工作后就可以通過畸變圖像的特征點來計算出圖像的畸變度。

AR技術的虛擬現實仿真系統模型測評的方式和評價標準可仿看上文。隨機的選擇模型中的2幅樣本圖像來獲取10000幅含有噪聲點的仿射圖像去訓練數據集，完成以上操作的基礎上再隨機的選擇200幅去成為參考的數據集合，完成測評分類和跟蹤性是通過調節新參數再測試的時候，下圖8中是圖像識別率曲線，據圖可以得出，為保持圖像的測試點的數量在200的范圍中就得控制測試點保持不變得情景下，究其原因是測試點的數量較少的話就會導致二者的性能有很大的變化，識別率也是隨著增強，圖像樣本的測試點和樣本的數據源二者集合計算的過程會對設備內部的消耗量有很大的影響后果，參考以往的圖像測量的識別率，對于虛擬現實的仿真系統模型就要達到90%的范圍內就滿足要求了。所以可以通過增強虛擬現實圖像來驗證虛擬現實仿真系統模型，通過以上的一些算法所出的模型占的內存率相較于傳統方式是有一定優勢性的。

AR技術再當今技術中的快速崛起，如何提高虛擬圖像效果的問題已成為當今的一個難題，通過以上的實驗測試我們就可以證明虛擬現實仿真系統模型通過改變現實圖像來完成圖像增強的效果。為了和國際上的圖像測試標準相吻合，就得使內存的占有率保持在較低的范圍內，使得和我們的真實的場景能達到還原的效果，因此和AR技術的有效結合就得能增強虛擬現實的圖像。使其更具有優良的應用價值。

3結語

當今虛擬現實的圖像增強技術是有一定的缺漏的，這些缺漏表現在了評價的方法上和指標的測量上，上文就這2個方面做了較為詳細的闡述，若不處理好就會導致使用者在使用的過程中有暈眩的情況發生，伴隨著AR技術的迅速發展，上文是融合AR的光學性能對虛擬現實中增強的標準來進行測評，通過對AR設備的光學性能的長期探索，從而來驗證我們相關的設想的可行性，為驗證好的使用價值和仿真模型，我們在實驗的時候主要是對設計的虛擬光學實驗模型和實驗仿真來進行相應的評估。

模型規劃的部分，主要是講述了AR環境和一般的AR在真實測試中的差異性，AR環境是把現實中物體的運動圖像給顯示出來，然而它卻不能把真實環境和虛擬環境更好的融合，所以在使用者在認知能力上會有一定的阻礙性，并在視覺上造成了一定的干擾性，這就使得在同一個界面上會有一定的信息混亂的情況發生，這也使得用戶的體驗感有所降低，直接給使用者造成一種壓力，如果再加上操作復雜的話，就會給使用者造成一定的精神負擔，為了減少這些隱患，我們對圖像進行增強。方便和快捷已成為設計模型的一個重要的指標。

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收稿日期：2020-02-18

作者簡介：陳海龍（1978-），男，漢族，陜西成陽人，講師，研究方向：物理、微機原理、計算機技術。