基于ARToolKit的增强现实系统的研究、开发及应用

基于ARToolKit的增强现实系统的研究、开发及应用

科技应用Ｉ学界

基于ＡＲＴｏｏＩＫｉｔ的增强现实系统的研究、开发及应用

口潘鸿彬吴悦明

摘要：介绍了增强现实系统的一个开发工具ＡＲＴｏｏ｜ｋ｜ｔ，讨论了基于视觉的增强现实系统的关键技术，并给出了其开发流程，最后介绍了增强现实系统在工业中的应用。关键词：ＡＲＴｏｏＩ姗：增强现实：三维注册

增强现实（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａＩｉｔｙ，ＡＲ）是由虚拟现实（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａ｜ｉｔｙ，ＶＲ）基础上发展出来的新研究领域，它通过将计算机生成的虚拟物体或关于真实物体的非几何信息叠加到真实世界的场景之上，实现对真实世界的增强或扩充。

ＡＲＴｏｏＩＫＩｔ是一套基于Ｃ语言及ＯＤｅｎＧＬ的增强现实的系统二次开发包，该工具包是由ＨｉｒｏｋａｚｏＫａｔｏ博士在华盛顿人机接口实验室设计开发的，能够在不同的操作系统平台上运行，已成为在ＡＲ领域使用较为广泛的开发包。

１基于视觉的增强实现系统关键技术

１．１摄像机标定

摄像机标定的主要任务是测定真实和虚拟物体的姿态信息（位置和方向角）以及摄像机的参数，以确定不同坐标系之间的变换关系，也就是要把世界坐标系与图像坐标系对应起来。这里主要涉及到两个坐标变换：世界坐标系Ｗ到摄像机坐标系Ｃ的变换：摄像机坐标系Ｃ到图像坐标系ｌ的变换。通过上述两个坐标变换建立了Ｗ与Ｃ、Ｃ与Ｉ之间的关系，在已知６个以上标定点的情况下，可以使用最小二乘法求解出摄像机的外部参数，从而使计算机产生的虚拟物体与真实世界的配准和融合成为可能。

１．２三维注册

由于增强现实系统强调的是真实世界与虚拟世界的结合，因此增强现实技术研究中的一个重要问题就是虚拟物体和真实场景在三维空间中位置的一致性，也就是将虚拟物体合并到现实世界中的准确位置，这个过程常称为注册（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）或配准。当用户移动视点或物体时，虚拟物体必须和用户看到的真实目标位置配准，所以增强系统必须实时得知虚拟物体的准确位置和方向，较大的注册误差会导致错误的显示结果。

由于ＡＲＴｏｏＩＫＩｔ中世界坐标系与标识坐标系重合，三维注册就转化为摄像机坐标系与标识世界坐标系之间三维变换矩阵的求解，利用标识的４个角点的数据及其在摄像机坐标系中的位置，可以求出以上几个分量，从而得到三维变换矩阵。

１．３虚实图像的合成显示

基于视觉的摄像机标定与三维注册是为了得到已得到摄像机与标识物的相对位置及方向，而虚实图像的合成显示主要解决的是如何将计算机所建的三维虚拟模型准确地融合到摄像机拍摄到的真实场景中，也就是使虚拟图像变成真实图像的～部分。

系统首先将相机获取的真实场景图像显示为最底层，然后根据标定所得的摄像机内外参数及通过三维注册算法计算出标识物在真实空问中的三维位置，再在三维模型库中找出标识块一一对应的虚拟模型，并在标识块的三维位置上将其按照摄像机的投影矩阵投影到摄像机的投影平面上，并将虚拟对象在投影平面上的影像和真实空间在投影平面上的影像进行合成，形成最后虚实结合的场景进行输出。

２基于ＡＲＴｏｏＩＫｉｔ的ＡＲ系统开发

开发增强现实系统的一个难点是准确、实时地计算用户的

万　

方数据视角以便使虚拟的图像能与真实世界的物体匹配。ＡＲＴｏｏ㈣ｔ使用计算机视角技术去计算实际的摄像机相去于标识的位置与方向，它所提供的库函数大大方便了程序员把虚拟的物体准确地叠加到这些标识上。

ＡＲ系统的开发主要包含以下几个基本步骤：

１）利用摄像头获取真实场景信息输入到系统中：

２）根据用户设定的阈值将采集到的彩色图像转换成二值黑白图像，然后对该二值图像进行连通域分析；

３）找出其中所有的四边形区域作为候选匹配区域，将每一候选区域与模板库中的模板进行匹配。如果产生匹配，则系统认为找到了一个标识：

４）系统首先根据相机的位置信息和真实场景中的定位标记来计算摄像机相对于已知标识的位置和姿态：

５）按照仿射变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体，最后与真实场景的视频合并，一起显示在普通显示器上。

３增强现实系统在工业中的应用

增强现实系统能直观、自然地对真实环境进行信息增强的优势，逐步被府用到工业行业当中。

３．１在设备维修与维修操作培训中的应用

通过增强现实技术，可以通过生动直观的方式（直接把文字信息等叠加到真实环境中）告诉用户现在应该对哪一个零件进行装拆，如何进行操作，为解决维修人员边查看资料边对机器进行拆卸的现状提供新方法与新思路。

３．２在产品设计实验与评测中的应用

通过增强现实技术可以对一些正在研发的产品进行实验与评测，如｝海通用汽车厂开发了一个通过增强现实技术对汽车挡风玻璃进行一心能评测的系统。用户坐在一个没有挡风玻璃的实验平台上（绛改装过的汽车），当用户戴上头盔，系统会自动把设计好的虚拟挡风玻璃叠加到真实环境中，来让用户直观地感受加装挡风玻璃后对路面产生的变形是否能满足要求。

３．３在远程协作式产品设计中的应用

利用增强现实技术，可以把不同地区的设计人员的影像和虚拟产品聚合到同一空间中去。用户可以在这个虚实融合的空间中进行相互交流，并对产品的设计方案进行实时的修改。●

参考文献：

【１ｌ孙磊．基于视觉的增强现实系统的研究【硕士学位论文】．福州

大学，２００６

【２】黄有群，王璐，常燕．面向设计任务的增强现实交互技术．沈阳工业大学学报，第３０卷第２期，２００８．４

【３】沈克，蒋建国，彭太乐．基于增强现实的人机物理交互仿真系统研究．计算机仿真，第２５卷，第４期，２００８．４

【４】ｈｔｔｐ：／＾＾ｎ＾ｎ＾，．ｈｉｔＩ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ａｒｔｏｏＩｋｉｔ，ｄｏｃｕｍｅｎｔａ—ｔｊｏｎ用ｅｖｐｒｊｎｃｉｐＪｅ．ｈｔｍ．

（作者单位：潘鸿彬，广东省计算中心；吴悦明，广东工业大学）

广东科技２００９．３．总第２０８期

基于ARToolKit的增强现实系统的研究、开发及应用

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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

潘鸿彬， 吴悦明

潘鸿彬(广东省计算中心)， 吴悦明(广东工业大学)广东科技

GUANGDONG SCIENCE & TECHNOLOGY2009(6)

参考文献(4条)1.查看详情

2.沈克;蒋建国;彭太乐 基于增强现实的人机物理交互仿真系统研究[期刊论文]-计算机仿真 2008(04)3.黄有群;王璐;常燕 面向设计任务的增强现实交互技术[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2008(02)4.孙磊 基于视觉的增强现实系统的研究 2006

本文链接：http://doc.guandang.net/Periodical_gdkj200906033.aspx