基于改進卡爾曼濾波的增強現實跟蹤注冊算法 ①

劉 佳 閆 冬 郭 斌

(南京信息工程大學自動化學院， CICAEET， 南京 210044)

0 引 言

增強現實(augmented reality, AR)是在用戶觀察到的真實環境中添加計算機生成的虛擬物體或文字等信息的技術[1]。建立虛擬環境和現實物理世界的映射關系，智能實時地將相關信息融合呈現在位于現實環境的用戶前面，達到增強用戶臨場感知能力的目的[2]。該技術目前在手術醫療、軍事訓練、工業維修、教育、交通導航上有著廣泛的應用。增強現實的關鍵技術有跟蹤注冊、虛實融合和人機交互，這其中的核心是跟蹤注冊技術。目前基于視覺增強現實跟蹤注冊技術大致分為三大類，一類是基于四方黑白標識的跟蹤注冊，一類是針對自然特征的匹配注冊，還有一類是通過建立局部地圖進行虛擬注冊。其中第1種方法由于臨場環境的局限性限制了發展空間；第2種由計算機性能和算法決定系統運行速度，不能保證系統實時處于穩定狀態；而第3種方法的代表則是SLAM/PTAM(simultaneous localization and mapping/parallel tracking and mapping)，通過建立虛擬地圖獲得實時點的位姿關系進行注冊，系統本身復雜度高，并且為了保證系統的穩定性而犧牲了不小的運行速度。

傳統基于自然特征點匹配的增強現實系統的實現，是借助檢測算法檢測預存的目標圖像和相機捕獲圖像之間的點對應位置，計算之間的單應性關系，從而實現虛實融合注冊。傳統的人工特征如尺度不變特征變換(scale invariant feature transform，SIFT)、加速魯棒特征[3](speeded-up robust features，SURF)，兩者在移動端都不能實時穩定運行。為了能在移動端使用此類特征，Ethan等人[4]在2011年提出快速特征點提取和描述算法(oriented fast and brief, ORB)。……