摘要：隨著當今我國經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，智能化技術(shù)在人們的生活中也逐漸普遍，開發(fā)一般都是采用Visual C++6.0、OpenCV、OpenGL等工具，從而來構(gòu)建PC機的虛擬系統(tǒng)。為了證實仿真模型的真實性和應(yīng)用價值，就得計劃實驗仿真和虛擬的光學實驗?zāi)Ｐ?。在實驗的過程中，測試者反應(yīng)出有暈眩的現(xiàn)象，導致這一現(xiàn)象的原因可能是虛擬現(xiàn)實的圖像增強的難題，通過這一問題，科研者融合了AR的光學性能去測評虛擬現(xiàn)實的圖像增強，從而來證實了實驗假設(shè)的可行性，于是文章就從虛擬現(xiàn)實圖像增強方法和模型設(shè)計這2個方面來闡述AR技術(shù)的虛擬光學實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計和仿真。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);虛擬光學;實驗?zāi)Ｐ?仿真實驗

中圖分類號：TP75;TP391.92

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0105-04

Design and Simulation of Virtual Optical Experiment ModelBased on Image AR Technology

CHEN Hai-long

（School of Mechatronics ， Xianyang Vocational Technical College ， Xianyang Shaanxi 712000 ， China ）

Abstract ： With the rapid development of economy and science and technology in our country ， intelligent technolo-gy is also becoming more and more popular in people's life.The development generally adopts tools such as VisualC++6.0 ， OpenCV ， OpenGL ， etc. ， to build the virtual system of PC.ln order to verify the authenticity and applicationvalue of the simulation model， it is necessary to design experimental simulation and virtual optical experimentalmodel.ln the process of the experiment， the tester reflects the phenomenon of dizziness ， which may be caused bythe proh lem of image enhancement of virtual reality.Through this problem ， the researcher integrates the optical per-formance of AR to evaluate the image enhancement of virtual reality ， so as to verify the feasibility of the experimen-tal idea.So the paper expounds the design and simulation of virtual optics experimental model of AR technologyfrom the two aspects of virtual reality image enhancement method and model design.

Key word s ： AR technology ; virtual optics ; experimental model ; simulation experiment

隨著科技的快速發(fā)展，AR技術(shù)表現(xiàn)的尤為突出，應(yīng)用于醫(yī)療、工程、教育等領(lǐng)域，但是隨著人們需求量的提升，在可視化和分辨率的性能還要繼續(xù)增強，這也是當今科研者所面臨的一個難題。市面上的虛擬現(xiàn)實設(shè)備主要是通過電子儀器對我們的真實的三維空間進行還原，當測試者戴上設(shè)備時就會有一種身處在真實場景的感知[1-3]。實驗的過程中，考慮到和現(xiàn)實場景更好的融合，我們常常通過投影和疊加的方式來更好的還原我們真實的場景，這樣也可以使得測試者能對三維空間能有一個更好的認知，同時也減弱了測試者有一種深陷虛擬世界的感受在這個虛擬現(xiàn)實中，來完成圖像增強[4]的過程。除了以上問題，為了使得真實和畫面能較好的融合以及互動在不借助其他的電子設(shè)備下，這也是當今人們所關(guān)注的一個熱點，即使有這些問題，AR用戶的數(shù)量也是成指數(shù)增長。

1虛擬現(xiàn)實圖像增強方法

1.1增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）概況

增強現(xiàn)實技術(shù)是在20世紀60年代出現(xiàn)的。第一臺AR設(shè)備是由世界名校的一位名為Ivan Sutherland教授所制造的，它是一臺透明的頭盔顯示器，在頭盔的顯示器上顯示出電腦設(shè)計的立體圖像，Ivan Suther-land也在公共場合承認虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當今的前沿技術(shù)，AR技術(shù)其實就是在虛擬環(huán)境中加入真實世界的圖像，這樣就可以和現(xiàn)實更好的結(jié)合，在進行增強現(xiàn)實的時候不要完全并刻意的帶入虛擬環(huán)境中，它是通過把真實世界和計算機合成的虛擬對象融合為一體，通過這種方式給操作者營造身臨其境的感知，從而創(chuàng)造出真實情景的虛擬世界。增強技術(shù)主要是對真實的一些場景進行相應(yīng)的增補，這樣就可以使得操作者可以更為方便的感受和認知外面的一些世界。如果我們僅是建立一個細節(jié)上重現(xiàn)我們所在的白然環(huán)境的系統(tǒng)那是具有一定的難度的，但增強現(xiàn)實就可以不需要大量的計算能力，除此之外，它還充分采用了現(xiàn)實世界的信息，根據(jù)我們的需求量來進行相應(yīng)的增補，這也最大程度的減少了系統(tǒng)整體的運算能力。

AR技術(shù)所設(shè)計的領(lǐng)域有計算機圖像學、計算機視覺、模式識別[5]、人工智能等多個方面，它是一種通過計算機隨機產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)來模擬客觀情景的增強技術(shù)，并提供相應(yīng)的接口使得操作者和虛擬環(huán)境中的虛擬物體更為自然的交流，從而使得操作者更為容易進行實施，多種交互體驗、強化用戶的體驗感，其實增強技術(shù)關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域相當多，在醫(yī)學研究、航天軍工、商業(yè)娛樂等領(lǐng)域都有了更為廣泛的應(yīng)用。

1.2虛擬現(xiàn)實圖像增強方法流程

圖像跟蹤[7]測試評估的虛擬仿真系統(tǒng)是通過真實背景和模擬目標相互結(jié)合的方式來建立模擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)，其目的主要是便于控制運動目標和最大的場景模擬，具體的過程如圖1、圖2所示的流程圖中，先是構(gòu)架好主要的框架，使用仿真T具模擬出對應(yīng)的物體模型，將擬好的模型和真實場景相結(jié)合，從而還原真實的場景，并在監(jiān)控器上把真實場景顯示出來，使用對應(yīng)的算法來處理輸出的數(shù)據(jù)，最后在窗口上顯示出來。

系統(tǒng)程序在識別圖像的方面存在著不盡相同，但歸根結(jié)底上說，都是達到使得用戶能夠擁有一個便捷和高效系統(tǒng)的目的，因此在進行程序設(shè)計的時候，常常都是通過從已用的對象中進行調(diào)用來達到相應(yīng)的目的，第2種方式將已有的對象派生成自己的對象通過繼承的方式，以上的兩種方式都是可以滿足對象所需的功能。最后還用一種跟蹤識別的方法，它是創(chuàng)建新的對象和產(chǎn)生強大功能對象的方式，而且他還可以根據(jù)我們要的方式和特性有針對性的處理這個過程。為了解決跟蹤定位的準確性、圖像增強和模型抖動的問題，因此系統(tǒng)在進行設(shè)計的時候就得選擇性的選擇對應(yīng)的算法，KLT算法因具有寬基線注冊矯正、跟蹤登錄的功能而被選中，還有一個更為重要的就是跟蹤識別系統(tǒng)所采用的實時攝像機跟蹤算法。

2模型設(shè)計

與其他AR情景存在的差異性是AR技術(shù)是通過為使用者供給多方位的互動方式使使用者有身臨其境的真實體驗，而且AR環(huán)境中的圖像顯示的都是較為真實的物體運動圖像，但是他還是會有一定的漏洞，AR技術(shù)是不能把真實世界和虛擬環(huán)境更為有效的融合，這就導致合成的場景會有一定認知功能上的隔閡，從而產(chǎn)生視覺上的阻礙，在同一個界面內(nèi)顯示會有信息混亂的情況發(fā)生，這也導致用戶的體驗感有所降低，并在使用的過程中有一定的壓力問題給使用者，除此之外，若系統(tǒng)的操作方式比較的復雜那就會使用戶有一定的精神負擔，所以通過AR技術(shù)來對圖像進行相應(yīng)的增強，從而完成真實場景設(shè)計系統(tǒng)模型的方便和快捷，AR的應(yīng)用流程圖如圖3所示。

因此為了打破AR技術(shù)在人機互動[6]上的局限，第一步先是將互動體驗的區(qū)域適當?shù)难哟螅鰪妶D像就得使用以往的方式進行，使得人和機器能更好的互動交流，達到以上的一些目的后，還得考慮空間是否能交換流暢，為提高這一性能，文檔模板動態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計就變得尤為的重要了。從圖4、圖5中我們也不難發(fā)現(xiàn)，文檔模板動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的框架、文檔和視圖都是一體的，為維護框架、文檔和視圖這3者的關(guān)系我們一般是采用文檔模板，就系統(tǒng)生成的虛擬現(xiàn)實三維環(huán)境中，使用者可以第一人稱的視角在相應(yīng)的視覺范圍內(nèi)行動，也可以根據(jù)個人的的喜好對虛擬環(huán)境中替換或調(diào)整，這樣也有助于用戶的互動感受。

在進行常規(guī)光學性能的測評指標是AR設(shè)備的生成圖像的對比度、亮度這兩個方面，除了這之外，還得考慮到圖像質(zhì)量關(guān)于近眼的光學視場的測定。在進行視場系統(tǒng)規(guī)劃的時候，

AR視場是通過在預設(shè)的位置上生成光學成像在視場區(qū)域內(nèi)，我們的人眼成像是雙目的，而且它還會受儀器的大小和光學系統(tǒng)的限定，視場范圍系統(tǒng)如圖5、圖6所示。

圖4、圖5、圖6是對人眼視場進行測量時，對眼球進行模擬，建立眼球轉(zhuǎn)動掃描測量系統(tǒng)，為推動出不同角度的圖像畫面，我們一般是先推斷出單眼的瞬時視場，為了獲取雙目疊加視場和人眼的總視場我們一般都是根據(jù)圖像特征來進行銜接和獲取。測量的過程中會有桶形和枕形失真這兩種畸變失真的現(xiàn)象發(fā)生，如圖5是正常的圖像，圖6、圖7是通過實驗的失真圖形，為了解決這一個難題，第一步我們先是用信號發(fā)生器測量真實的場景，通過AR還原真實的畫面，完成以上的工作后就可以通過畸變圖像的特征點來計算出圖像的畸變度。

AR技術(shù)的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)模型測評的方式和評價標準可仿看上文。隨機的選擇模型中的2幅樣本圖像來獲取10000幅含有噪聲點的仿射圖像去訓練數(shù)據(jù)集，完成以上操作的基礎(chǔ)上再隨機的選擇200幅去成為參考的數(shù)據(jù)集合，完成測評分類和跟蹤性是通過調(diào)節(jié)新參數(shù)再測試的時候，下圖8中是圖像識別率曲線，據(jù)圖可以得出，為保持圖像的測試點的數(shù)量在200的范圍中就得控制測試點保持不變得情景下，究其原因是測試點的數(shù)量較少的話就會導致二者的性能有很大的變化，識別率也是隨著增強，圖像樣本的測試點和樣本的數(shù)據(jù)源二者集合計算的過程會對設(shè)備內(nèi)部的消耗量有很大的影響后果，參考以往的圖像測量的識別率，對于虛擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)模型就要達到90%的范圍內(nèi)就滿足要求了。所以可以通過增強虛擬現(xiàn)實圖像來驗證虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)模型，通過以上的一些算法所出的模型占的內(nèi)存率相較于傳統(tǒng)方式是有一定優(yōu)勢性的。

AR技術(shù)再當今技術(shù)中的快速崛起，如何提高虛擬圖像效果的問題已成為當今的一個難題，通過以上的實驗測試我們就可以證明虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)模型通過改變現(xiàn)實圖像來完成圖像增強的效果。為了和國際上的圖像測試標準相吻合，就得使內(nèi)存的占有率保持在較低的范圍內(nèi)，使得和我們的真實的場景能達到還原的效果，因此和AR技術(shù)的有效結(jié)合就得能增強虛擬現(xiàn)實的圖像。使其更具有優(yōu)良的應(yīng)用價值。

3結(jié)語

當今虛擬現(xiàn)實的圖像增強技術(shù)是有一定的缺漏的，這些缺漏表現(xiàn)在了評價的方法上和指標的測量上，上文就這2個方面做了較為詳細的闡述，若不處理好就會導致使用者在使用的過程中有暈眩的情況發(fā)生，伴隨著AR技術(shù)的迅速發(fā)展，上文是融合AR的光學性能對虛擬現(xiàn)實中增強的標準來進行測評，通過對AR設(shè)備的光學性能的長期探索，從而來驗證我們相關(guān)的設(shè)想的可行性，為驗證好的使用價值和仿真模型，我們在實驗的時候主要是對設(shè)計的虛擬光學實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒灧抡鎭磉M行相應(yīng)的評估。

模型規(guī)劃的部分，主要是講述了AR環(huán)境和一般的AR在真實測試中的差異性，AR環(huán)境是把現(xiàn)實中物體的運動圖像給顯示出來，然而它卻不能把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境更好的融合，所以在使用者在認知能力上會有一定的阻礙性，并在視覺上造成了一定的干擾性，這就使得在同一個界面上會有一定的信息混亂的情況發(fā)生，這也使得用戶的體驗感有所降低，直接給使用者造成一種壓力，如果再加上操作復雜的話，就會給使用者造成一定的精神負擔，為了減少這些隱患，我們對圖像進行增強。方便和快捷已成為設(shè)計模型的一個重要的指標。

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收稿日期：2020-02-18

作者簡介：陳海龍（1978-），男，漢族，陜西成陽人，講師，研究方向：物理、微機原理、計算機技術(shù)。