王凌云 鄧世權(quán)

摘要：增強現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)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(guān)鍵以及主要難點。文中概述了增強現(xiàn)實技術(shù)框架、增強現(xiàn)實幾何一致性和光照一致性，闡述了研究面臨的挑戰(zhàn)，最后做出了總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 增強現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)是將虛擬對象與真實環(huán)境疊加，創(chuàng)造一個既有現(xiàn)實感，又有交互性的增強現(xiàn)實環(huán)境，從而顯著增強虛實對象真實性的技術(shù)。得益于計算機視覺、光學、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展以及計算能力的提高，增強現(xiàn)實技術(shù)應用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、娛樂等領域之中，并取得重要進展[1]。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)框架

增強現(xiàn)實技術(shù)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(shù)據(jù)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(guān)系以及光照恢復，進而實現(xiàn)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(xiàn)對虛擬對象的控制，最終通過顯示器展示實際效果。

增強現(xiàn)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(xiàn)在視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及味覺等。視覺信息是人感知環(huán)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(xiàn)實環(huán)境中的空間感知和理解一致是增強現(xiàn)實視覺一致性[2]，這一直是一個不容忽略的技術(shù)難點，具體表現(xiàn)在幾何一致性以及光照一致性兩個方面。如今增強現(xiàn)實技術(shù)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(tǒng)一，缺乏系統(tǒng)的技術(shù)解決方案。

2 幾何一致性

增強現(xiàn)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(guān)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(shù)有場景幾何重建、場景渲染和三維注冊等技術(shù)，各項技術(shù)有機結(jié)合。增強現(xiàn)實幾何一致性關(guān)鍵在于對攝像機的外部參數(shù)（攝像機空間位姿）和內(nèi)部參數(shù)（攝像機焦距、畸變系數(shù)等）進行精確的計算和校準，以此為依據(jù)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(shù)據(jù)實現(xiàn)虛擬對象與場景中的真實物體正確遮擋關(guān)系，不出現(xiàn)穿?，F(xiàn)象也是幾何一致性的重點之一。增強現(xiàn)實幾何一致性從增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展早期就一直是研究熱點，相關(guān)研究直到如今依舊是相當活躍。

3 光照一致性

增強現(xiàn)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(xiàn)實系統(tǒng)中，虛實對象處在正確光照匹配關(guān)系的環(huán)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)特性以及光照信息精確估計真實的光照環(huán)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(jù)光學物理相關(guān)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(huán)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(xiàn)實光照一致性是增強現(xiàn)實技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的問題。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)增強現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)和提升增強現(xiàn)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(xiàn)實視覺一致性的重要作用。隨著計算機視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，一些較成熟的計算機視覺技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)已經(jīng)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(zhàn)。

參考文獻：

[1] 郭子興，張曉林，高巖.基于雙目視覺的增強現(xiàn)實系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[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(xiàn)實環(huán)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(xiàn)實幾何一致性相關(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(lián)編輯：唐一東】