增强现实中地下结构的可视化

论文摘要

城市地下结构是城市的重要基础设施,它的安全运行是现代化城市高效率、高质量运转的保证。目前城市地下结构的管理系统缺乏与真实环境同屏显示的功能,工作人员难以将看到的实际地面环境与电子显示系统中的地下管网结构画面对应起来,因此大大降低其应用价值。增强现实是一种通过计算机技术将数字化信息和真实环境融合到同一个屏幕空间的实时显示技术。它通过提供一般情况下人类无法直接感知的信息,来增强人们对真实环境的理解,在医疗、建筑、检测和军事等领域具有广泛应用。通过相机的实时定标,该技术可将虚拟的地下管线与捕捉的视频画面相叠加,给施工人员以身临其境的直观感受。虽然简单的画面叠加可展示地下管线的分布情况,但是它给人以管线悬浮在地面上的错觉,且无法克服如同纯虚拟显示系统中的深度混淆问题。本文提出一个用于可视化城市地下结构的增强现实系统。该系统将现有的地理数据转码成适合于三维绘制的中间数据,并在线生成三维模型。针对增强现实中可视化被遮挡物体时面临的两个主要问题：1)遮挡和深度感知及2)保留和突显重要信息,本文提出基于Focus & Context理论的X-Ray透视技术和基于竖直剖切面的可视化方法。本文改进传统的X-Ray透视技术,同时从视频图像和三维虚拟物体中提取特征信息,并使用它们来提示虚拟地下结构和地面物体之间的遮挡关系；在保留重要特征信息的同时,适当地减少多余的细节,使信息的传递更为有效。受到工程图学中剖视图技术的启发,我们又提出基于竖直剖切面的可视化方法。该方法允许用户指定切面位置,根据视点、切面位置、视频特征和三维数据控制视频场景与虚拟物体的绘制和融合方式,在保留场景信息和显示虚拟物体的同时,直观显示出切面附近地下结构的深度信息。该方法提高了地下结构信息提示的精确性,并强调了其与地面物体之间的正确遮挡关系。本文提出的两种方法均不需要已知真实环境的三维模型,并可以在现有的图形硬件上实时运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 问题描述
• 1.3 视觉感知理论
• 1.3.1 深度感知线索
• 1.3.2 Focus & Context理论
• 1.4 相关工作
• 1.5 本文工作
• 第2章 城市地下基础设施增强现实系统
• 2.1 总体框架
• 2.2 重编码CAD数据
• 2.2.1 转码为XML文件
• 2.2.2 从CAD文件提取数据
• 2.2.3 在线生成三维模型
• 2.3 视频及相机跟踪
• 2.4 交互工具
• 2.5 本章小结
• 第3章 使用上下文特征的地下结构可视化
• 3.1 总体框架
• 3.1.1 关注区域（Focus）
• 3.1.2 上下文（Context）
• 3.2 保持特征的融合模板和图层
• 3.2.1 图层和融合模板
• 3.2.2 边界融合模板
• 3.2.3 颜色融合模板
• 3.2.4 合成最终结果
• 3.2.5 对比度增强
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 结果
• 3.3.2 讨论与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于剖切面的地下结构可视化
• 4.1 总体框架
• 4.2 图像空间的特征提取
• 4.2.1 边界提取
• 4.2.2 用户关注区域
• 4.3 物体空间的透明度计算
• 4.3.1 基于深度的透明度
• 4.3.2 基于切面位置的融合模板
• 4.3.3 三维轮廓线提取
• 4.4 结果合成
• 4.5 用户交互与多切面
• 4.6 实验结果与分析
• 4.6.1 结果
• 4.6.2 讨论与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 致谢