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基于投影不变量的标志点增强现实系统

Fiducial Marker Based on Projective Invariant for Augmented Reality

  • 摘要: 增强现实(Augmented Reality 简称AR)是虚拟现实(Virtual Reality)技术的一个重要分支,也是近年来的一个研究热点。新兴的增强现实技术是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象,并通过传感技术将虚拟对象准确放置在真实环境中,借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体,并呈现给用户一个感官效果真实的新环境。AR 技术不仅具有与VR 技术相类似的应用领域,诸如尖端武器飞行器的研制与开发虚拟训练等,而且更显著地突出其对于真实环境的增强优势。在医疗、研究、解剖、训练、精密仪器制造、装配与维修、军事训练、工程设计和远程机器人等领域具有比VR 技术更加明显的优势。比如,20 世纪90 年代初,美国波音公司首先将增强现实技术应用于飞机制造中的电力线缆的连接和接线器的装配,其研究成果最为引人注目。2003 年德国Starmate 系统和同期的Arvika 系统的研制成功,预示了AR 技术在复杂机电系统维修、装配领域的巨大应用潜力。为实现虚实间的完美结合三维跟踪注册技术至关重要。三维跟踪注册所要完成的任务是由视觉系统实时地检测出用户头部的相对位置,根据这些信息确定所要添加的虚拟物体在真实空间坐标中的映射位置并将这些信息实时显示在正确位置。基于计算机视觉的注册技术以其成本低、精度高、通用性强的特点在AR 领域处于主导地位,包括有标志点和无标志点注册。当前最为广泛采用的三维跟踪注册技术是基于标志点的注册。采用基于标志点的注册技术的增强现实系统有着广泛的应用。当前的标志点系统都采用内部图形作为标志点编码,因此标志点图形上的大部分面积只能用于编码,而不能提供对应点信息从而为姿态注册精度做出贡献。因此本文提出一种新的算法,通过利用标志点上的对应特征点所构成的投影不变量来编码标志点。这个方法不需要用于编码的标志点图形面积,从而可以提供更多的特征点的对应,从而提高姿态估计的精度。同时,本文提出了很多相关的技术,如:累积分布函数、反投影检验、鲁棒过程等来减少投影不变量的敏感性。实验表明,本文方法是可靠和鲁棒的,与其他标志点系统比较,可以达到更高的注册精度。

     

    Abstract: Fiducial marker based Augmented Reality has manyapplications. So far the inner pattern of the fiducial marker is alwaysused to encode the markers. Thus a large portion of the fiducial markerimage is used for encoding instead of providing corresponding featurepoints for pose accuracy. This paper presents a novel method whichutilizes directly the projective invariant contained in the positionalrelation of the corresponding feature points to encode the marker. Theproposed method does not require the region of pattern image forencoding any more and can provide more corresponding feature points sothat higher pose accuracy can be achieved easily. Many relatedapproaches such as cumulative distribution function, reprojectionverification and robust process are proposed to overcome the problem ofsensibility of the projective invariant. Experimental results show thatthe proposed fiducial marker system is reliable and robust, and canprovide higher pose accuracy than that achieved by existing fiducialmarker systems.

     

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