朵雯娟

摘 要： 現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)中圖像增強(qiáng)技術(shù)仍然存在一定的缺陷，對(duì)于其指標(biāo)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法也不夠完善，容易導(dǎo)致用戶在使用過程中出現(xiàn)眩暈以及沉浸感等問題。通過對(duì)AR技術(shù)的研究，結(jié)合AR光學(xué)性能對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中圖像增強(qiáng)的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)評(píng)，對(duì)AR設(shè)備的光學(xué)技術(shù)研究方法進(jìn)行介紹。為了驗(yàn)證設(shè)想的可行性，設(shè)計(jì)基于AR技術(shù)的虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)評(píng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該仿真模型效果逼真，具有良好的實(shí)際使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)； 圖像增強(qiáng)； AR技術(shù)； 光學(xué)性能； 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）19?0075?04

Abstract： The image enhancement technology in virtual reality has a certain defect， and its index measurement and evaluation methods aren′t perfect enough， which is easy to cause the dizziness and immersion in the using process of users. The AR technology is researched， and the AR optical performance is combined to evaluate the parameter index of image enhancement in virtual reality. The optical technology research methods of AR device are introduced. A virtual optics experimental model based on AR technology is designed to verify the feasibility of the conceiving， and evaluated with simulation experiments. The experimental results confirm that the simulation model is effective， and has high practical application value.

Keywords： virtual reality； image enhancement； AR technology； optical performance； experimental model； simulation experiment

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)利用電腦設(shè)備對(duì)三維空間進(jìn)行模擬，再利用頭戴設(shè)備提供給使用者感官反饋，為使用者提供身臨其境的感受，幫助使用者對(duì)模擬三維空間進(jìn)行探索。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是電腦直接疊加或投射畫面的過程，虛擬現(xiàn)實(shí)中的圖像增強(qiáng)要避免給使用者帶來沉浸式的虛擬感受，不借助任何其他設(shè)備進(jìn)行操作，在真實(shí)的場(chǎng)景下與畫面進(jìn)行有效互動(dòng)[1]。當(dāng)前AR技術(shù)的涌現(xiàn)和發(fā)展也在很大程度上推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使用AR設(shè)備的用戶規(guī)模逐漸擴(kuò)大，并在醫(yī)療、教育、工程、娛樂等領(lǐng)域，以及在尖端技術(shù)的研發(fā)方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但AR技術(shù)在分辨率、可視角度等方面難以滿足用戶體驗(yàn)需求，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品的使用舒適度差異相對(duì)較大[2]。因此， 要積極完善AR技術(shù)應(yīng)用于虛擬圖像的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)工作。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)圖像增強(qiáng)方法流程

為達(dá)到最大程度場(chǎng)景仿真又方便控制運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，對(duì)圖像跟蹤測(cè)試評(píng)估的虛擬仿真系統(tǒng)采取模擬目標(biāo)和真實(shí)背景相結(jié)合的方法建立虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1中，首先對(duì)視圖主線架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再使用仿真工具制造物體模型，將模型加入真實(shí)場(chǎng)景中以達(dá)到實(shí)現(xiàn)虛擬模型與真實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合的目的[3]。將真實(shí)場(chǎng)景在監(jiān)控器上輸出虛擬模型視頻，數(shù)據(jù)輸出后通過相關(guān)運(yùn)算方法進(jìn)行分析并顯示于窗口[4]。

雖然系統(tǒng)程序?qū)D像的識(shí)別功能千差萬別，但從本質(zhì)上講，都是基于為用戶提供高效便捷服務(wù)信息進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此在對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，若某個(gè)對(duì)象能完成所需功能，這時(shí)只要通過調(diào)用已有對(duì)象的簡(jiǎn)單操作就可以完成目標(biāo)[5]。另外，還可以利用繼承方法通過已有對(duì)象派生出自己的對(duì)象，還可以根據(jù)需要增加所需特性和方法，產(chǎn)生功能更為強(qiáng)大的對(duì)象，也可以創(chuàng)建新對(duì)象，根據(jù)需要完善功能，這種方法為跟蹤識(shí)別方法[6]，如圖2所示。

實(shí)時(shí)跟蹤識(shí)別系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)攝像機(jī)跟蹤算法，為實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像增強(qiáng)方法，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用KLT算法進(jìn)行跟蹤注冊(cè)、寬基線注冊(cè)校正，并建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高跟蹤定位的精度，克服基于模型抖動(dòng)的問題[7]。

1.2 AR設(shè)備模型設(shè)計(jì)

AR技術(shù)通過為使用者提供更加豐富的互動(dòng)方式強(qiáng)化使用者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感官體驗(yàn)[8]。不同于VR環(huán)境的完全虛擬畫面，AR環(huán)境中的圖像展示都是在真實(shí)圖像上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的[9]。但如果AR技術(shù)不能完成有效結(jié)合真實(shí)世界背景和虛擬環(huán)境信息的效果，合成場(chǎng)景會(huì)阻礙認(rèn)知功能，造成視覺干擾，出現(xiàn)在同一界面內(nèi)顯示信息混亂，降低用戶體驗(yàn)感，給使用者帶來壓力等問題。此外，如果系統(tǒng)操作方法相對(duì)過于復(fù)雜則會(huì)增加用戶精神負(fù)擔(dān)。因此通過AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)圖像增強(qiáng)方法，完成真實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型要簡(jiǎn)潔、高效[10]。AR應(yīng)用程序執(zhí)行流程圖如圖3所示。

為打破傳統(tǒng)AR技術(shù)在人機(jī)互動(dòng)方面上的局限，需對(duì)互動(dòng)體驗(yàn)空間進(jìn)行拓展，利用傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)方法作為依據(jù)對(duì)增強(qiáng)方法進(jìn)行交互設(shè)計(jì)[11]。為保障能夠自然切換交互空間，設(shè)置文檔模板動(dòng)態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建如圖4所示。

根據(jù)圖4不難發(fā)現(xiàn)，在文檔模板動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，框架、文檔和視圖是一體的。通過文檔模板來維護(hù)框架、文檔和視圖三者之間的關(guān)系是相輔相成的[12]。在該系統(tǒng)生成的虛擬現(xiàn)實(shí)三維環(huán)境中，使用者不僅能以第一人稱的視角在視覺范圍內(nèi)部任意行動(dòng)，還可以依據(jù)個(gè)人喜好對(duì)虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行替換或調(diào)整，有助于提高用戶互動(dòng)感受[13]。

2 圖像增強(qiáng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)虛擬圖像的光學(xué)性能測(cè)評(píng)技術(shù)也提出了更高的要求。根據(jù)對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行的調(diào)查可知，對(duì)AR設(shè)備的圖像增強(qiáng)基礎(chǔ)測(cè)評(píng)質(zhì)量的評(píng)估除了要對(duì)圖像的亮度、對(duì)比度等常規(guī)的光學(xué)性能進(jìn)行考察外，同時(shí)還要對(duì)圖像質(zhì)量的近眼光學(xué)視場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)評(píng)[14]。

由于AR設(shè)備的視場(chǎng)是經(jīng)過光學(xué)成像后在預(yù)設(shè)位置看到的視場(chǎng)范圍，其大小受設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)限制。人眼形成雙目成像，其視場(chǎng)范圍系統(tǒng)如圖5所示。

如圖5所示，在對(duì)人眼視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要對(duì)眼球進(jìn)行模擬，建立眼球轉(zhuǎn)動(dòng)掃視測(cè)量系統(tǒng)，在AR設(shè)備的預(yù)設(shè)視覺位置，對(duì)不同角度的圖像畫面進(jìn)行采集以推斷出人眼單眼的瞬時(shí)視場(chǎng)，并通過圖像特征提取和拼接等技術(shù)得到人眼總視場(chǎng)和雙目疊加視場(chǎng)[15]。通過對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量為對(duì)用戶產(chǎn)品提供指導(dǎo)。在測(cè)量過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)畸變失真的情況，主要有枕形失真和桶形失真兩種形式。正常圖像及失真圖像分別如圖6～圖8所示。

在圖像出現(xiàn)畸變的情況下借助信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行視場(chǎng)測(cè)量，并通過AR設(shè)備對(duì)測(cè)量畫面進(jìn)行顯示，再通過對(duì)畸變圖像中的特征位置進(jìn)行提取推算出圖像的畸變度。

3 AR虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)評(píng)與優(yōu)化

對(duì)基于AR技術(shù)進(jìn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行測(cè)評(píng)，測(cè)評(píng)指標(biāo)和方法參照前文。

選取兩幅模型中顯示的樣本圖像，并隨機(jī)產(chǎn)生1萬幅有噪點(diǎn)的仿射圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上各自隨機(jī)挑選200幅留作參考數(shù)據(jù)集。在測(cè)試過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以此評(píng)估分類與跟蹤的性能。圖像識(shí)別率曲線對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

通過圖9不難看出，在保持測(cè)試點(diǎn)數(shù)不變的情況下，圖像測(cè)試點(diǎn)的個(gè)數(shù)在200以內(nèi)時(shí)，圖像中樣本的數(shù)量與測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量對(duì)組建的計(jì)算性能產(chǎn)生直接影響并決定著設(shè)備的內(nèi)存消耗量，其個(gè)數(shù)越小，二者性能差距就越大，所含測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)越少，識(shí)別率越高。

表1為圖像在相近識(shí)別率下測(cè)試信息數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

如表1中數(shù)據(jù)所示，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型所產(chǎn)生的圖像進(jìn)行測(cè)量，其識(shí)別率都能達(dá)到90%左右，因此證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型可準(zhǔn)確地對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)圖像進(jìn)行增強(qiáng)。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)該模型在內(nèi)存占用率上較傳統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著AR技術(shù)的興起，虛擬圖像增強(qiáng)效果也得到了提升。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量證實(shí)本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型能夠有效完成虛擬現(xiàn)實(shí)圖像中圖像增強(qiáng)的理想目標(biāo)，并具有內(nèi)存占用較低的顯著優(yōu)勢(shì)，符合虛擬圖像測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，效果接近真實(shí)。因此，積極結(jié)合AR技術(shù)有助于提高虛擬圖像增強(qiáng)效果，具有良好的使用價(jià)值。

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