【正文】 現(xiàn)實場景的完美結(jié)合，必須將虛擬物體準確的疊加到現(xiàn)實世界中的正確位置，因此，增強現(xiàn)實系 統(tǒng)中的跟蹤定位系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r的檢測觀察者在場景中的位置 、 視域的方向 以及運動情況，以便系統(tǒng)按照觀察者的視場建立坐標系并顯示虛擬物體，其中， 三維跟蹤注冊的精度是衡量增強現(xiàn)實系統(tǒng)性能和實用性的關(guān)鍵指標。 增強現(xiàn)實顯示技術(shù)及研究現(xiàn)狀 隨著增強現(xiàn)實的發(fā)展，采用的顯示設備呈現(xiàn)出多樣性發(fā)展趨勢。 1991 年， 華盛頓大學 的 HIT 實驗室 提出 了 虛擬視網(wǎng)膜顯示（ VRD）技術(shù) ，基于該技術(shù)的顯示設備是利用弱能量激光和微機電裝置掃描圖像，再由計算機根據(jù)需要控制圖像的特征，如改變圖像的大小和視距等，最后直接成像在人眼的視網(wǎng)膜上 。視網(wǎng)膜顯示設備的 系統(tǒng)原理 如下圖所示。“ AirScouter”增強 現(xiàn)實眼鏡是在普通 眼鏡 的鏡片上附加 微型的視網(wǎng)膜顯示器構(gòu)成的， 該裝置 能夠捕捉視網(wǎng)膜運動并進行投影，讓觀察者 除了能看到周圍的真實場景之外還看到疊加的 增強信息。 增強現(xiàn)實系統(tǒng)中主要使用透視式頭盔顯示器來實現(xiàn)虛擬信息與真實環(huán)境的混合顯示，它由三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：虛擬信息顯示通道、真實環(huán)境顯示通道、圖像融合及顯示通道。光學合成器是半反半透的光學元件，所以使用者可以直接透過光學合成器看到外界的真實場景，也可以看到反射進入人眼的的計算機生成的 虛擬圖像或信息 ， 光學透射式頭盔顯示器能夠顯示幾乎完整的真實場景。圖 展示了視頻透射式頭盔顯示器的 增強現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 。 Cybermind 公司的 Cybermind Visette45 SXGA，它的分辨率可達 1280* 1024，對角線視場為 45176。 *26176。 ，它的重量僅為 150g。 圖 頭盔式投影顯示系統(tǒng)原理圖 1997 年， Fergason 首次提出了頭盔式投影顯示器的概念，并申請了專利 [8]。這種顯示設備能夠讓使用者隨身攜帶，提高了便攜性，但是用戶的沉浸感弱，而且使用者需要手持這種設備，限制了用戶的行動 。（ b）所示為一種采用 Nokia 手機作為手持設備的交互式乒乓球游戲系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是通過將 ARToolKit標志點移植到 Symbian 操作系統(tǒng)實現(xiàn)的 [13]。 這是一種比較 普通的顯示器，價格比較低廉 ，滿足一般用戶的需求 。此外，空間光學透射式顯示設備還包括真三維顯示設備等。 下圖（ a）所示為 Ramesh Raskar 等人將虛擬的三維模型投影到實際的三維實體表面形成的 效果 [16]。而這些先驗知識的獲得，需要對增強現(xiàn)實系統(tǒng)進行測量或標定。 在視頻透射式頭盔系統(tǒng)中，虛擬攝像機參數(shù)應該與拍攝真實場景的攝像機參數(shù)相等，因此對視頻透射式頭盔的標定實質(zhì)上是對攝像機內(nèi)參進行標定。 與視頻透射式頭盔相比，光學透射式頭盔的標定更困難。 圖 光學透射式頭盔標定系統(tǒng)各坐標系示意圖 在光學透射式頭盔系統(tǒng)中，人眼和光學透射式頭盔的半反半透光學元件構(gòu)成了攝取整個真實場景的光學系統(tǒng)，因此在光學透射式頭盔中除了要對攝像機內(nèi)參進行標定外，還需要對人眼和光學透射式頭盔的光學元件構(gòu)成的整個系統(tǒng)進行標定。 1999 年， Kato 和 Billinghurst 描寫了使用網(wǎng)格點方法交互式標定光學透射式頭盔[22]。工作 站產(chǎn)生的圖像除了要顯示在工作站的監(jiān)視器上外還要通過 VGA 線傳輸?shù)筋^盔式顯示器中。 它允許用戶自由活動頭部，頭部的運動可以由安裝在頭部的跟蹤接收器來捕獲，系統(tǒng)可通過矩陣 F1 的變化來更新圖像。 系統(tǒng)的坐標轉(zhuǎn)換如 下 圖所示。在頭部不斷運動的過程中，變換矩陣 G和 C 是不變的，但是變換矩陣 F 是隨頭盔顯示器的運動而變化，所以在標定好變換矩陣 G 和 C 后， 就可以通過求 F的變化直接得出變換矩陣 A。由于采用了跟蹤攝像機取代了之前的電磁跟蹤器，并且與頭盔顯示器緊連在一起，所以不需要計算電磁跟蹤器的發(fā)射部分到接收部分的變換，即不需要計算變換矩陣 F。估計出射影矩陣的 11 個參數(shù)，這些參數(shù)中有一部分參數(shù)是固定的，在用 戶的頭或頭盔顯示器改變移動的時候這一部分參數(shù)并不改變。 文中采用了一個 MCM校準裝置 ， 校準標靶是一個繪制在折反射屏幕上的 網(wǎng)格模式， 校準任務是去移動一個透過 HMPD的叉絲，使它與網(wǎng)格上的交叉點對準，記錄對應 叉絲的像素坐標。 2020年， Owen 等則在 Hong 和 Chunyu 標定方法基礎(chǔ)上提出了一個新的雙步驟方法標定 OSTHMD[30]， 所使用的標定裝置如 下圖 所示。 北京理工大學碩 士學位論文 11 圖 標定過程中點的選取方式 光學透射式頭盔標定的數(shù)學模型 一般情況下，光學透射式頭盔標定系統(tǒng)由以下部分組成：標定標靶、頭部跟蹤器、光學透射式頭盔以及人眼。真實圖像的成像過程如下， 當人眼觀察真實場景時，真實場景中的被觀察物體直接透射經(jīng)過頭盔的光學系統(tǒng)成像在頭盔的觀察像平面上。 世界坐標系為 ( , , )wF x y z ， 光學透射式頭盔頭部綁定的攝像機對應攝像機坐標系 ( , , )tF x y z ，攝像機的成像平面對應一個攝像機圖像坐標系 ( , )tiFuv 。這些坐標系如下圖所示。其中， vP 為攝像機坐標系 ( , , )vF x y z 下的點， [ , , ,1]Tv v v vP x y z? 。其中， tP 為攝像機坐標系 ( , , )tF x y z 下的點，[ , , ,1]Tt t t tP x y z? 。加上 t t w wP T P?? ，將這兩個公式 帶入虛擬攝像機下的成像關(guān)系公式，可得 v d d v v w w d v v t t w w d t tP P T P P T T P M P? ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 23） 其中， d t d v v tM P T? ? ?? 是跟蹤 攝像機 坐標系中的世界 坐標系中的 點在虛擬攝像機屏幕上成像的有效 射影 矩陣 。 這三個坐標系之間的關(guān)系如下圖所示。 （結(jié)論作為學位論文正文的最后部分單獨排寫，但不加章號。） 北京理工大學碩 士學位論文 16 參考文獻 [1] 陳靖 ,王涌天 ,閆達遠 . 增強現(xiàn)實系統(tǒng)及其應用 .計算機工程與應用 .2020 年 15 期 . [2] Ronald T. Azuma. A Survey of Augmented Reality[J]. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6(4):355385. [3] Bimber O, Raskar R. Modern Approaches to Augmented Reality[C]. In SIGGRAPH 39。 。s AirScouter floats a 16inch display onto your eye biscuit[EB/OL]. yebisc/. [6] Rolland J P, Holloway R L, Fuchs H. A Comparison of Optical and Video Seethrough Headmounted Displays[C], SPIE Vol. 2351: Telemanipulator and Telepresence Technologies, 1994: 293306. [7] Rolland J P, Fuchs H. Optical versus video seethrough headmounted displays in medical visualization[J].Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 2020, 9(3): 287309. [8] Fergason J. Optical system for a head mounted display using a retroreflector and method of displaying an image[P]. . patent, 5621572. [9] Hong H, Axelle G, Chunyu G, and Jannick P. Engineering of headmounted projective display[J]. 2020:38143824. [10] Hong H, Chunyu G, Leonard D and et al. Brown Using a headmounted projective display in interactive augmented environments， Proceedings of IEEE and