基于圖像AR技術(shù)的虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與仿真

摘要：隨著當(dāng)今我國經(jīng)濟(jì)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(jī)的虛擬系統(tǒng)。為了證實(shí)仿真模型的真實(shí)性和應(yīng)用價(jià)值，就得計(jì)劃實(shí)驗(yàn)仿真和虛擬的光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在?shí)驗(yàn)的過程中，測試者反應(yīng)出有暈眩的現(xiàn)象，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像增強(qiáng)的難題，通過這一問題，科研者融合了AR的光學(xué)性能去測評(píng)虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像增強(qiáng)，從而來證實(shí)了實(shí)驗(yàn)假設(shè)的可行性，于是文章就從虛擬現(xiàn)實(shí)圖像增強(qiáng)方法和模型設(shè)計(jì)這2個(gè)方面來闡述AR技術(shù)的虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和仿真。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);虛擬光學(xué);實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP75;TP391.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(qiáng)，這也是當(dāng)今科研者所面臨的一個(gè)難題。市面上的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備主要是通過電子儀器對(duì)我們的真實(shí)的三維空間進(jìn)行還原，當(dāng)測試者戴上設(shè)備時(shí)就會(huì)有一種身處在真實(shí)場景的感知[1-3]。實(shí)驗(yàn)的過程中，考慮到和現(xiàn)實(shí)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(shí)的場景，這樣也可以使得測試者能對(duì)三維空間能有一個(gè)更好的認(rèn)知，同時(shí)也減弱了測試者有一種深陷虛擬世界的感受在這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)中，來完成圖像增強(qiáng)[4]的過程。除了以上問題，為了使得真實(shí)和畫面能較好的融合以及互動(dòng)在不借助其他的電子設(shè)備下，這也是當(dāng)今人們所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，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(shí)圖像增強(qiáng)方法

1.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）概況

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。第一臺(tái)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(tái)透明的頭盔顯示器，在頭盔的顯示器上顯示出電腦設(shè)計(jì)的立體圖像，Ivan Suther-land也在公共場合承認(rèn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)今的前沿技術(shù)，AR技術(shù)其實(shí)就是在虛擬環(huán)境中加入真實(shí)世界的圖像，這樣就可以和現(xiàn)實(shí)更好的結(jié)合，在進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的時(shí)候不要完全并刻意的帶入虛擬環(huán)境中，它是通過把真實(shí)世界和計(jì)算機(jī)合成的虛擬對(duì)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(shí)情景的虛擬世界。增強(qiáng)技術(shù)主要是對(duì)真實(shí)的一些場景進(jìn)行相應(yīng)的增補(bǔ)，這樣就可以使得操作者可以更為方便的感受和認(rèn)知外面的一些世界。如果我們僅是建立一個(gè)細(xì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)就可以不需要大量的計(jì)算能力，除此之外，它還充分采用了現(xiàn)實(shí)世界的信息，根據(jù)我們的需求量來進(jìn)行相應(yīng)的增補(bǔ)，這也最大程度的減少了系統(tǒng)整體的運(yùn)算能力。

AR技術(shù)所設(shè)計(jì)的領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別[5]、人工智能等多個(gè)方面，它是一種通過計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)來模擬客觀情景的增強(qiáng)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(jìn)行實(shí)施，多種交互體驗(yàn)、強(qiáng)化用戶的體驗(yàn)感，其實(shí)增強(qiáng)技術(shù)關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域相當(dāng)多，在醫(yī)學(xué)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(shí)圖像增強(qiáng)方法流程

圖像跟蹤[7]測試評(píng)估的虛擬仿真系統(tǒng)是通過真實(shí)背景和模擬目標(biāo)相互結(jié)合的方式來建立模擬現(xiàn)實(shí)的仿真系統(tǒng)，其目的主要是便于控制運(yùn)動(dòng)目標(biāo)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(duì)應(yīng)的物體模型，將擬好的模型和真實(shí)場景相結(jié)合，從而還原真實(shí)的場景，并在監(jiān)控器上把真實(shí)場景顯示出來，使用對(duì)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(shí)別圖像的方面存在著不盡相同，但歸根結(jié)底上說，都是達(dá)到使得用戶能夠擁有一個(gè)便捷和高效系統(tǒng)的目的，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，常常都是通過從已用的對(duì)象中進(jìn)行調(diào)用來達(dá)到相應(yīng)的目的，第2種方式將已有的對(duì)象派生成自己的對(duì)象通過繼承的方式，以上的兩種方式都是可以滿足對(duì)象所需的功能。最后還用一種跟蹤識(shí)別的方法，它是創(chuàng)建新的對(duì)象和產(chǎn)生強(qiáng)大功能對(duì)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(duì)性的處理這個(gè)過程。為了解決跟蹤定位的準(zhǔn)確性、圖像增強(qiáng)和模型抖動(dòng)的問題，因此系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就得選擇性的選擇對(duì)應(yīng)的算法，KLT算法因具有寬基線注冊(cè)矯正、跟蹤登錄的功能而被選中，還有一個(gè)更為重要的就是跟蹤識(shí)別系統(tǒng)所采用的實(shí)時(shí)攝像機(jī)跟蹤算法。

2模型設(shè)計(jì)

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(dòng)方式使使用者有身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)，而且AR環(huán)境中的圖像顯示的都是較為真實(shí)的物體運(yùn)動(dòng)圖像，但是他還是會(huì)有一定的漏洞，AR技術(shù)是不能把真實(shí)世界和虛擬環(huán)境更為有效的融合，這就導(dǎo)致合成的場景會(huì)有一定認(rèn)知功能上的隔閡，從而產(chǎn)生視覺上的阻礙，在同一個(gè)界面內(nèi)顯示會(huì)有信息混亂的情況發(fā)生，這也導(dǎo)致用戶的體驗(yàn)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(fù)雜那就會(huì)使用戶有一定的精神負(fù)擔(dān)，所以通過AR技術(shù)來對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)，從而完成真實(shí)場景設(shè)計(jì)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(jī)互動(dòng)[6]上的局限，第一步先是將互動(dòng)體驗(yàn)的區(qū)域適當(dāng)?shù)难哟螅鰪?qiáng)圖像就得使用以往的方式進(jìn)行，使得人和機(jī)器能更好的互動(dòng)交流，達(dá)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(hù)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(shí)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(dòng)，也可以根據(jù)個(gè)人的的喜好對(duì)虛擬環(huán)境中替換或調(diào)整，這樣也有助于用戶的互動(dòng)感受。

在進(jìn)行常規(guī)光學(xué)性能的測評(píng)指標(biāo)是AR設(shè)備的生成圖像的對(duì)比度、亮度這兩個(gè)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(xué)視場的測定。在進(jìn)行視場系統(tǒng)規(guī)劃的時(shí)候，

AR視場是通過在預(yù)設(shè)的位置上生成光學(xué)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(huì)受儀器的大小和光學(xué)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(duì)人眼視場進(jìn)行測量時(shí)，對(duì)眼球進(jìn)行模擬，建立眼球轉(zhuǎn)動(dòng)掃描測量系統(tǒng)，為推動(dòng)出不同角度的圖像畫面，我們一般是先推斷出單眼的瞬時(shí)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(jìn)行銜接和獲取。測量的過程中會(huì)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(shí)驗(yàn)的失真圖形，為了解決這一個(gè)難題，第一步我們先是用信號(hào)發(fā)生器測量真實(shí)的場景，通過AR還原真實(shí)的畫面，完成以上的工作后就可以通過畸變圖像的特征點(diǎn)來計(jì)算出圖像的畸變度。

AR技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型測評(píng)的方式和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可仿看上文。隨機(jī)的選擇模型中的2幅樣本圖像來獲取10000幅含有噪聲點(diǎn)的仿射圖像去訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，完成以上操作的基礎(chǔ)上再隨機(jī)的選擇200幅去成為參考的數(shù)據(jù)集合，完成測評(píng)分類和跟蹤性是通過調(diào)節(jié)新參數(shù)再測試的時(shí)候，下圖8中是圖像識(shí)別率曲線，據(jù)圖可以得出，為保持圖像的測試點(diǎn)的數(shù)量在200的范圍中就得控制測試點(diǎn)保持不變得情景下，究其原因是測試點(diǎn)的數(shù)量較少的話就會(huì)導(dǎo)致二者的性能有很大的變化，識(shí)別率也是隨著增強(qiáng)，圖像樣本的測試點(diǎn)和樣本的數(shù)據(jù)源二者集合計(jì)算的過程會(huì)對(duì)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(shí)別率，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真系統(tǒng)模型就要達(dá)到90%的范圍內(nèi)就滿足要求了。所以可以通過增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)圖像來驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)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(dāng)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(dāng)今的一個(gè)難題，通過以上的實(shí)驗(yàn)測試我們就可以證明虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)模型通過改變現(xiàn)實(shí)圖像來完成圖像增強(qiáng)的效果。為了和國際上的圖像測試標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的場景能達(dá)到還原的效果，因此和AR技術(shù)的有效結(jié)合就得能增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像。使其更具有優(yōu)良的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)語

當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像增強(qiáng)技術(shù)是有一定的缺漏的，這些缺漏表現(xiàn)在了評(píng)價(jià)的方法上和指標(biāo)的測量上，上文就這2個(gè)方面做了較為詳細(xì)的闡述，若不處理好就會(huì)導(dǎo)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(xué)性能對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行測評(píng)，通過對(duì)AR設(shè)備的光學(xué)性能的長期探索，從而來驗(yàn)證我們相關(guān)的設(shè)想的可行性，為驗(yàn)證好的使用價(jià)值和仿真模型，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候主要是對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)仿真來進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)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(shí)測試中的差異性，AR環(huán)境是把現(xiàn)實(shí)中物體的運(yùn)動(dòng)圖像給顯示出來，然而它卻不能把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境更好的融合，所以在使用者在認(rèn)知能力上會(huì)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(gè)界面上會(huì)有一定的信息混亂的情況發(fā)生，這也使得用戶的體驗(yàn)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(fù)雜的話，就會(huì)給使用者造成一定的精神負(fù)擔(dān)，為了減少這些隱患，我們對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)。方便和快捷已成為設(shè)計(jì)模型的一個(gè)重要的指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊強(qiáng)，胡心宇.基于圖像識(shí)別技術(shù)的核電文檔智能化應(yīng)用實(shí)踐[J].電力大數(shù)據(jù)，2019，22（11）：58-63.

[2]孫亮，陳洪，安琪.智能電網(wǎng)脆弱性綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建及仿真[J].微型電腦應(yīng)用，2020，36（01）：84-87.

[3]譚勵(lì)，王敏基，楊朝玉，等.三維空間動(dòng)態(tài)目標(biāo)追蹤自部署算法[J/OL].傳感器與微系統(tǒng)，2020（02）：101-104+108[2020-01-24].https： //doi.org/10.13873/J.1000- 9787（2020）02-0101-04.

[4]趙春麗，董靜薇，徐博，等.融合直方圖均衡化與同態(tài)濾波的霧天圖像增強(qiáng)算法研究[J/OL].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（06）：93- 97[2020-01-24].https：//doi.org/10.1593 8/j.jhust.2019.06.014.

[5]趙庶旭，伍宏偉，劉昌榮.基于隱馬爾可夫模型的交通最優(yōu)路徑模式識(shí)別（英文）[J/OL].Joumal of Measure-ment Science and Instrumentation：1—8[2020-01-24].http： //kns.cnki.ne.t/kcm s/detail/ 14.1357.th.20200102.1402.002.html.

[6]張林強(qiáng).基于人機(jī)互動(dòng)技術(shù)的體感控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（11）：34-36.

[7]郎曉彤.運(yùn)動(dòng)圖像跟蹤過程中丟幀誤差消除技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（16）：227-232.

[8]盧淑萍，肖隨貴.基于曲率度量耦合仿射制約策略的圖像復(fù)制一粘貼篡改檢測算法[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2019，33（09）：129-136.

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(jī)原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)。