构建增强现实摄像机系统

    【CPS中安网 cps.com.cn】2015年1月22日，微软向全世界发布了其应用增强现实技术的新产品—— 全息透镜(Microsoft HoloLens)，引发了全球科技爱好者们掀起一场新的狂欢。近两年来，运用增强现实技术的产品越来越让人惊艳：可穿戴设备、车联网、物联网等，增强现实可以发挥作用的舞台越来越大。虽然增强现实技术还处在成长期，但其实早已有许多专注于增强现实领域的公司深耕于此，如索尼早在 1994 年就在二维码的基础上开始了增强现实技术的研发，推出“Smart AR”智能增强现实技术，并成功用于电子游戏和手机摄像头。目前，国内已有几家安防厂商将增强现实技术应用于视频监控摄像。

　　从虚拟现实到增强现实

　　增强现实技术(AR)就是根据当前位置(GPS)，和视野朝向(指南针)及手机朝向(方向传感器/陀螺仪)，在实景中(摄像头)投射出相关信息并在显示设备(屏幕)里展示。其实现的重点在于投影矩阵的获取。

　　技术的发展不是突进的，而是渐进式发展。增强现实技术离不开虚拟现实技术(VR)。虚拟现实技术是采用以计算机技术为核心的技术，生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。典型的VR 系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成。计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现;输入输出设备负责识别用户各种形式的输入并实时生成相应的反馈信息;应用软件系统负责虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、行为模型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理及实时显示等;数据库主要用于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面的信息。

　　虚拟现实技术与三维动画技术的本质区别在于其交互性上。三维动画技术是依靠计算机预先处理好的路径上所能看见的静止照片连续播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景，用户是被动的;而VR 技术则通过计算机实时计算场景，根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，用户可依自己的路线行走，计算机会产生相应的场景，真正做到“想得到，就看得到”。根据VR技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，将VR系统划分了4种类型：沉浸式VR 系统、桌面式VR系统、增强式VR 系统、分布式VR 系统。

　　而增强式VR 系统简称增强现实(Augmented Reality)，它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统。AR中真实物体和虚拟物体与用户环境必须无缝结合在一起，而且真实物体和虚拟物体之间还要能够进行交互，这样才能实现真正的虚实融合。因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维定向的新特点。

　　增强现实系统的构成

　　一个增强现实系统需要有显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术、标定技术构成。

　　跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测，并将数据报告给AR 系统，实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一，达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。

　　为了生成准确定位，增强现实系统需要进行大量的标定，测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。

　　以智能手机为例，增强现实就是根据当前位置(GPS)，和视野朝向(指南针)及手机朝向(方向传感器/陀螺仪)，在实景中(摄像头)投射出相关信息并在显示设备(屏幕)里展示。其实现的重点在于投影矩阵的获取。当然，在实际开发的时候其实android系统已经将投影矩阵封装的比较好了，可以通过接口直接获取投影矩阵，然后将相关的坐标转换算成相应的坐标就可以了。

　　移动增强现实系统应实时跟踪手机在真实场景中的位置及姿态，并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标，实现虚拟物体画面与真实场景画面精准匹配，所以，registration(即手机的空间位置和姿态)的性能是增强现实的关键。

　　对固定摄像机的增强现实系统，主要由图像采集系统和观察显示系统合在一起构成了望远筒式结构，体积相对庞大。为了减小系统的体积和重量，在设计中将这两部分分离，摄像机系统仍然通过支架固定，而观察系统改为手持式设备或者头盔显示器，这样就省去了望远筒结构中的系统连接部分和支撑部分，支架承受的重量也会大大减少。由于改用了较为轻便的结构，整套系统的维护和使用更加方便。在系统中采用双摄像机拍摄真实场景，并结合虚拟模型的立体成像实现了立体视觉的增强现实效果，使系统的实用性得到大幅提升，非常适用于在安防监控中使用。

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