手持设备上基于增强现实的虚实交互技术的研究与应用

论文摘要

增强现实技术(Augmented Reality,简称AR)是在虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)的基础上发展起来的一个新的研究领域,成为人机界面技术发展的一个重要方向。增强现实技术将计算机生成的虚拟对象及其相关信息准确实时的叠加到真实环境中,可以通过显示设备看到一个真实场景中无缝融入虚拟对象的虚实结合空间,为人们带来一个视觉效果更真实、场景信息更丰富的新环境。随着移动设备和技术的发展,在这类通用性高、普及率大、便携性好、能耗低的手持设备设计开发增强现实系统对增强现实技术的推进和发展具有重要的理论意义和现实意义。人机交互技术的发展将技术核心由计算机转向用户,而人手动作和手势是人类最自然、直观、易于掌握的人际交流方式,并含有丰富的交互信息,用户可以直接将手作为计算机的输入设备,通过手势发布命令,不需要交互媒介实现人机通讯,因此基于手势识别的交互技术已逐渐成为人机交互领域的研究热点。因此,研究便携式手持设备上实现增强现实手势交互技术具有很大实用价值,论文的主要内容有：1、研究了自适应三帧差分运动目标检测算法。运动目标检测是实现虚实交互的前提条件。论文研究了目前主流的视频检测算法,分析了这些算法的优势和不足,提出了一种通过运动目标速度自适应调整帧间隔的三帧差分检测方法,实验表明,与目前主流的视频检测算法相比,本文方法在运动物体方向不改变的条件下,能够快速准确的定位运动目标区域,有效降低手持设备处理延迟性,适用于计算性能较低的手持设备。2、手持设备上增强现实的虚实交互系统需要利用手持设备内置摄像头实时采集视频图像,由于使用者生理上无意识的手部抖动或移动手持设备,都可能导致视频帧背景发生变化。本文研究了Surendra背景更新算法,实现能够自适应更新背景,并与自适应三帧差分和背景差分法相结合,解决了因手持设备抖动而引起的检测误差问题,提高检测精度和效果。3、提出了基于区域相割的指尖检测算法,将交互点的范围缩小到一个特定的区域,能够确定人手指尖与虚拟物体交互的有效区域,使人手对虚拟物体的动作更加精确和协调。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与研究意义
• 1.1.1 增强现实技术
• 1.1.2 增强现实交互技术
• 1.2 增强现实技术的应用价值
• 1.3 增强现实技术的国内外研究进展
• 1.3.1 国外研究成果
• 1.3.2 国内研究成果
• 1.4 论文研究内容
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 增强现实关键技术
• 2.1 AR显示技术
• 2.1.1 头盔显示器
• 2.1.2 手持显示设备
• 2.1.3 其他显示设备
• 2.2 人机交互技术
• 2.3 视频检测技术
• 2.3.1 光流法（Optical Flow）
• 2.3.2 背景差分法（Backgroud Subtraction）
• 2.3.3 帧间差分法（Temporal Difference）
• 2.4 ARTOOLKIT开发工具包
• 2.5 小结
• 第三章 常用的动态图像检测技术
• 3.1 常用的动态图像检测方法
• 3.1.1 背景差分法
• 3.1.2 帧间差分法
• 3.1.3 自适应背景更新算法——Surendra算法
• 3.1.4 三帧差分运动目标检测算法
• 3.2 小结
• 第四章 基于手持设备的人手分割与交互技术
• 4.1 人手的检测与识别
• 4.1.1 改进的自适应三帧差分运动目标检测算法
• 4.1.2 手持设备上人手分割检测技术
• 4.2 人手与虚拟物体的交互
• 4.2.1 人手轮廓提取
• 4.2.2 人手指尖特征区域的定位
• 4.2.3 虚实交互的判定与反馈
• 4.3 小结
• 第五章 基于手持设备的增强现实虚实交互系统整体结构
• 5.1 系统设计目标
• 5.2 系统开发软硬件环境
• 5.3 系统整体框架
• 5.4 虚拟物体跟踪注册技术
• 5.4.1 标记识别和摄像机姿态定位
• 5.4.2 虚实注册
• 5.5 手持设备上人手分割与交互实现
• 5.6 手持设备上基于AR技术的CHINESE CHESS游戏
• 5.7 小结
• 结论
• 1、全文工作总结
• 2、存在问题及展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢