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西南交通大学硕士学位论文基于ARToolKit的增强现实技术在恐龙博物馆中的应用研究姓名：李江申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：周荣辉20100501西南交通大学硕士研究生学位论文第１页摘要增强现实技术（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ，，简称ＡＲ）是把虚拟的物体叠加到现实世界的图像上，实现人与虚拟物体的交互，这些虚拟物体可以是文字，图片，３Ｄ模型或视频等等。ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ是一套基于Ｃ语言的增强现实系统开发包，是实现增强现实技术的工具之一，也是目前的一个研究热点，借助它可以很容易的进行增强现实系统的开发。ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ采用计算机视觉技术，能够实时的精确地计算出用户的视点，从而将虚拟物体精确地叠加到现实世界图像上，另外ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法便于移植，尤其是在移动设备上的移植。本文分析了ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法流程，设计并实现了将恐龙虚拟视频叠加到现实世界的桌面人机交互系统，并研究了标记检测识别时位图图像匹配算法和数学模型。本文首先介绍了ＡＲ的基本概念，主要研究现状，分析了ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法流程，总结了基于ＡＲＴｏｏ飚ｔ算法的其他移植版本与相应平台技术。其次本文研究了标记检测识别时位图图像匹配计算放法，分析其他图像匹配计算方法，对几种图像匹配计算方法进行比较，选取合适的计算方法，提高了匹配结果的精准值，并对匹配结果进行仿真。最后本文研究了增强现实技术在恐龙博物馆中的应用前景，并根据一个基于ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法的ＦＬＡＲＴｏｏｌＫｉｔ开发包，设计了一个基于恐龙图样矩形标记检测识别的桌面人机交互增强现实系统。关键词：增强现实；ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ；标记检测；恐龙；图像匹配西南交通大学硕士研究生学位论文第１Ｉ页ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙｉｓｓｕｃｈａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｉｃｈｏｖｅｒｌａｙｖｉｒｔｕａｌｏｂｊｅｃｔｓｔｏｒｅａｌ－ｗｏｒｌｄｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｆｅｆｒｅｄｔｏａｓＡＲ．ＡＲｃａｌｌｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍａｌｌａｎｄｖｉｒｔｕａｌｏｂｊｅｃｔｓ．ＴｈｅｖｉｒｔｕａｌｏｂｊｅｃｔｓＣａｎｂｅｔｅｘｔ，ｉｍａｇｅｓ，３Ｄｍｏｄｅｌｓｏｒｖｉｄｅｏｓ，ａｎｄＳＯｏｎ．ＡＲＴｏｏｌＫｉｔｉｓａｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｋｉｔｏｆａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎＣｌａｎｇｕａｇｅ．ＡＲＴｏｏｌＫｉｔｉｓｏｎｅｏｆｔｏｏｌｓｗｈｉｃｈａｒｅｕｓｉｎｇｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｌｓｏｉｓａｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｗｅｃａｎｄｅｖｅｌｏｐａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍｅａｓｉｌｙｗｉｔｈｉｔ．ＡＲＴｏｏｌＫｉｔｕｓｅｓｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄＣａｎｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｕｓｅｒｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗｒｅａｌ－ｔｉｍｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｔｏｏｖｅｒｌａｙｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｏｂｊｅｃｔｓｔｏｒｅａｌｗｏｒｌｄｉｍａｇｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ＡＲＴｏｏｌＫｉｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｅａｓｙｔｏｔｒａｎｓｐｌａｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｍｏｂｉｌｅｄｅｖｉｃｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡＲＴｏｏｌＫｉｔ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｄｅｓｋｔｏｐｈｕｍａｎ．ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｏｖｅｒｌａｙｓｄｉｎｏｓａｕｒｖｉｄｅｏｔｏｔｈｅｒｅａｌｗｏｒｌｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ．ｍｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｂｉｔｍａｐｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｉｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＡＲａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡＲＴｏｏｌＫｉｔ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｏｔｈｅｒｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｐｌａｔｆｏｒｍｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈａｒｅｂａｓｅｄｏｎＡＲＴｏｏＫｉｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｂｉｔｍａｐｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔａｇ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｏｔｈｅｒｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇ，ａｎｄｓｅｌｅｃｔｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｉＳｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍａｔｃｈｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｓｅｖｅｒａｌｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄＦｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｄｉｎｏｓａｕｒｍｕｓｅｕｍ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄａｄｉｎｏｓａｕｒｍｕｓｅｕｍａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍａｒｋｅｒｓｏｆｄｉｎｏｓａｕｒｐａｔｔｅｍｗｉｔｈＦＬＡＲＴｏｏｌＫｉｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙ；ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ；ｍａｒｋｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｉｎｏｓａｕｒ；ｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇ西南交通大学曲南父逋大字学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１．保密口，在年解密后适用本授权书；２．不保密断／植用本授权书。（请在以上方框内打“寸’）…～：’ｌ乎坼日期：细小｛７西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：（１）研究了ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法流程，分析了算法中矩形标记物的检测识别，跟踪定位原理，总结了基于ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法的其他移植版本及相关技术。（２）对ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ标记物的图像匹配值计算方法进行分析，分析其他图像匹配计算方法，对几种图像匹配计算方法进行比较，选取合适的计算方法，提高了匹配结果的精准值，并进行仿真。（３）研究基于ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法的增强现实技术在恐龙博物馆里的应用，设计了一个基于ＦＬＡＲＴｏｏｌＫｉｔ开发包的桌面增强现实人机交互系统，该系统主要是通过对恐龙图样的矩形标记进行检测识别，并加载相关恐龙虚拟视频，实现人与虚拟视频的交互。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：彩日期：扣ｐ６．１］。一西南交通大学硕士研究生学位论文第１页１．１研究背景第１章绪论增强现实技术（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ，简称ＡＲ）从广义上来说是虚拟现实技术的一个分支，从狭义上来说增强现实与虚拟现实又有着本质的区别，虚拟现实（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）是让计算机完全虚拟现实环境，使用户的视觉、听觉和触觉等感官完全沉浸在虚拟环境中，实现用户与虚拟之间的交互，用户的视觉对象是完全虚拟的，而ＡＲ则是在用户所处的现有现实环境的基础上加载虚拟场景，在现实场景的基础上扩展用户视觉，实现用户与虚拟以及现实之间的交互。因此增强现实技术的研究不仅是在虚拟现实技术的基础上前进了一步，更重要的是它包含了新的虚拟理念，有着更广阔的应用前景和商业价值。增强现实一词诞生于２０世纪９０年代初，当时波音公司的ＴｏｍＣａｕｄｅｌｌ和他的同事在他们设计的一个辅助布线系统中提出了增强现实这个名词，该系统依靠Ｓ．ＨＭＤ（光学透视头盔显示器，ＯｐｆｉｃａｌＳｅｅｔｈｒｏｕｇｈＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ）把由简单线条绘制的布线路径和文字提示信息实时地叠加用户的视野中，叠加的这些信息可以帮助用户逐步地完成拆卸过程，以减少用户在日常工作中出错的机会【ｌ】。随着ＡＲ技术的发展，又相继出现了多种增强现实应用系统，主要集中在医疗、制造与维修、机器人动作路径规划、娱乐和军事等几个方面。ＡＲ通常是以透过式头盔显示系统【２巧】和三维注册（ＡＲ系统中用户观察点和计算机生成的虚拟物体的定位）系统相结合的形式来实现的ｆ２】。通过三维注册方式，将虚拟物体加载到现实场景中，从而使现实场景得到增强，实现用户与虚拟和现实场景的实时交互。其中加载的虚拟物体可以是图片、３Ｄ模型、视频、非几何形的文字信息等等。ＡＲ系统开发的工具有多种，如ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ系列、Ｃｏｉｎ３Ｄ和ＭＲＰｌａｔｆｏｒｍ掣１１。其中ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ是一套基于Ｃ语言及ＯｐｅｎＧＬ的增强现实系统开发包，该工具包是最初由日本大阪大学的ＨｉｒｏｋａｚｏＫａｔｏ博士于１９９９年在华盛顿大学人机接口实验室（ＨＩＴＬａｂ）设计开发的Ｉｌ一。ＡＲ目前已成为ＡＲ领域内最广泛的开发包，目前比较常见的ＡＲｌ晒ｏｌＫｉｔＰｌｕｓ工具包、ＦＬＡＲＴｏｏｌＫ．ｉｔ工具包以及基于手机移动设备的ＮｙＡＲＴＯｏｌＫｉｔ（基于ＧｏｏｇｌｅＡｎｄｒｏｉｄ１．０）工具包和ＡＲＴｏｏｌＫｉｔＰｌｕｓ．￥６０（基于ＳｙｍｂｉａｎＳ６０）等工具包都是在ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ算法基础上移植用来开发ＡＲ系统的开发包。随着人们对ＡＲ研究的逐渐深入，目前ＡＲ增强现实技术在博物馆应用方面开始受到关注，欧洲已经开始有恐龙博物馆使用ＡＲ技术进行展示，但ＡＲ技术尚未在恐龙博物馆中开始大规模应用，目前仍处于研究阶段，因此研究ＡＲ技术在博物馆中的应用具有非常好的前景和价值。西南交通大学硕士研究生学位论文第２页１．２ＡＲ国内外研究现状增强现实技术自问世以来，国内外许多大学，实验室和研究机构等科研单位都对ＡＲ充满兴趣并进行研究，取得了许多成果，这使得ＡＲ技术越来越成熟，应用也越来越广泛。美国麻省理工大学的ｍ实验室利用ＡＲ技术将核磁共振或ＣＴ扫描成的３Ｄ图像叠加在病人的身体部位，通过头盔显示器等显示设备扩展医师的视野，使医师能实时地掌握病人身体部位的信息。在医学领域的应用上，ＡＲ系统还可以通过图像或文字信息的叠加增强为医师提供精确地手术导航，医师根据提示逐步完成手术操作，可以大大提高手术的成功率【６。７Ｊ。在工业设计，机械制造领域，自波音公司将ＡＲ用于辅助布线系统后，ＡＲ在该领域内应用日趋成熟，哥伦比亚大学的Ｆｅｉｎｅｒ和ＭａｃＩｎｔｙｒｅ研究组使用ＡＲ技术进行激光打印机的维修跟踪，该研究组还将ＡＲ系统用于汽车门锁的安装，该系统能逐步地指导毫无经验的用户进行门锁的安装，在安装过程中用户还可以通过语音识别系统与计算机进行交互式对剖６’引。在文化遗产领域，ＩｎｔｒａＣｏｍ公司在欧盟的支持下研制出了采用ＡＲ技术对古希腊遗址进行现场复原的古迹电子导游系统ＡＲＣＨＥＯＧＵＩＤＥｌ７Ｊ。在增强现实领域，尤其是文化遗产保护领域，北京理工大学王涌天教授等作出了突出的贡献和研究，取得了丰硕的成果…４１，王涌天教授及其研究小组利用ＡＲ技术成功对圆明园相关遗址进行复原，目前已经研制出了可供演示的定点观察式原型系统，用户视野通过该系统在圆明园相关遗址的基础上进行复原增强，其效果如图１．１和１．２所示１９】ｏ早期的ＡＲ研究除了对硬件设备要求较高外，软件的设计相对也比较复杂，