增強現實視覺一致性研究

王凌云 鄧世權

摘要：增強現實技術對嵌入的虛擬對象在幾何、光照等視覺效果上有與真實對象保持一致的要求。增強現實視覺一致性以更實時、魯棒以及自然化的方式為探索方向，是目前研究的關鍵以及主要難點。文中概述了增強現實技術框架、增強現實幾何一致性和光照一致性，闡述了研究面臨的挑戰，最后做出了總結。

關鍵詞： 增強現實; 視覺一致性; 幾何一致性; 光照一致性

中圖分類號：TP39? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）11-0185-02

增強現實技術是將虛擬對象與真實環境疊加，創造一個既有現實感，又有交互性的增強現實環境，從而顯著增強虛實對象真實性的技術。得益于計算機視覺、光學、傳感器等技術的快速發展以及計算能力的提高，增強現實技術應用于軍事、工業、醫療、娛樂等領域之中，并取得重要進展[1]。

1 增強現實技術框架

增強現實技術基礎框架通常由場景采集、三維注冊、虛擬場景生成、虛實融合以及人機交互等多個模塊組成，模塊之間分工明確又緊密相連。如圖1所示，場景采集模塊負責對獲取的圖像數據進行預處理。虛擬場景生成模塊負責虛擬對象的建模工作，三維注冊模塊負責實時估計攝像機的位置和視角，以此計算出虛擬模型應放置的位置。虛實融合模塊主要處理虛實物體之間的遮擋關系以及光照恢復，進而實現虛實對象的完美融合。人機交互模塊負責獲取用戶操作行為信息，實現對虛擬對象的控制，最終通過顯示器展示實際效果。

增強現實核心在于用戶移動時，虛擬對象給予的反饋信息和真實世界一致，反饋信息表現在視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及味覺等。視覺信息是人感知環境信息的重要途徑，心理學實驗證明有80%的信息來自視覺，保證用戶在增強現實環境中的空間感知和理解一致是增強現實視覺一致性[2]，這一直是一個不容忽略的技術難點，具體表現在幾何一致性以及光照一致性兩個方面。如今增強現實技術主要突出在對幾何一致性進行解決，光照一致性問題因為真實場景混雜的光源信息以及研究方法的不統一，缺乏系統的技術解決方案。

2 幾何一致性

增強現實幾何一致性是指虛擬對象在位置、透視以及遮擋等幾何關系上與真實場景保持一致[3]。幾何一致性本身涉及面復雜龐大，支撐技術有場景幾何重建、場景渲染和三維注冊等技術，各項技術有機結合。增強現實幾何一致性關鍵在于對攝像機的外部參數（攝像機空間位姿）和內部參數（攝像機焦距、畸變系數等）進行精確的計算和校準，以此為依據計算出虛擬對象加入真實場景中準確的位置、方位和大小。此外，借助場景深度圖等幾何數據實現虛擬對象與場景中的真實物體正確遮擋關系，不出現穿模現象也是幾何一致性的重點之一。增強現實幾何一致性從增強現實技術發展早期就一直是研究熱點，相關研究直到如今依舊是相當活躍。

3 光照一致性

增強現實光照一致性是指虛擬物體上的光照效果（明暗、陰影、模糊以及高光等）與真實場景的光照情況保持一致[4]。在整個增強現實系統中，虛實對象處在正確光照匹配關系的環境下，有助于增強真實性，提高用戶的視覺體驗。如圖2所示，針對真實場景，每一幀識別并跟蹤真實物體，借助其幾何結構、材質特性以及光照信息精確估計真實的光照環境，通過對虛擬對象添加光照效果，輸出具有相同光照條件的虛實融合場景，其中研究核心是建立根據光學物理相關定律，采用計算機模擬真實世界光線照明過程的光照模型，主要分成局部光照模型和全局光照模型[5]。局部光照模型僅考慮光源對虛擬對象的照射影響，全局光照模型不僅考慮了光源，周圍環境對象的反光以及透明特性對虛擬對象的影響也考慮其中。增強現實光照一致性是增強現實技術面臨的挑戰和亟待解決的問題。

4 結論

傳統增強現實技術依賴于各種軟硬件設備的輔助支持，使用場景十分有限，為更好實現和提升增強現實的顯示效果，增強真實性和交互性，在更廣闊的領域應用，越來越多的研究者意識到在增強現實視覺一致性的重要作用。隨著計算機視覺技術的飛速發展，一些較成熟的計算機視覺技術和圖形圖像處理技術已經應用于視覺幾何一致性，光照一致性的研究還存在研究方法通用性較小，客觀評價體系不完善等諸多問題和挑戰。

參考文獻：

[1] 郭子興，張曉林，高巖.基于雙目視覺的增強現實系統設計與實現[J].電子設計工程，2018，26（23）：1-6.

[2] 羅亞波，陳定方，肖田元.增強現實環境中的視覺一致性問題研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2003，27（4）：452-454，524.

[3] 王延可.增強現實幾何一致性相關問題研究[D].濟南：山東大學，2014.

[4] 滕慧舉，陳一民，黃晨，等.增強現實中的光照一致性研究[J].計算機應用與軟件，2014，31（12）：253-255，277.

[5] 劉萬奎，劉越.用于增強現實的光照估計研究綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2016，28（2）：197-207.

【通聯編輯：唐一東】