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作者: 发布时间:2013-08-19 来源: 繁体版
摘 要: 在传统的AR系统中,虚拟物体和真实场景在视觉上存在较为明显的差异,达不到虚拟物体和真实场景无缝结合的要求。将增强现实技术与NPR有机地结合起来,减小这种视觉差异,研究并实现了水彩画风格的增强现

摘  要: 在传统的AR系统中,虚拟物体和真实场景在视觉上存在较为明显的差异,达不到虚拟物体和真实场景无缝结合的要求。将增强现实技术与NPR有机地结合起来,减小这种视觉差异,研究并实现了水彩画风格的增强现实系统。LPW自动化在线网
关键词: 增强现实; 非真实感技术; Voronoi图; 水彩画风格; 着色器LPW自动化在线网

    增强现实AR(Augmented Reality),也被称为混合现实,是近年来国外众多知名大学和研究机构的研究热点之一。增强现实借助计算机建模技术、计算机图形技术和可视化技术,通过生成真实环境中不存在的虚拟对象并将其应用到AR系统中用于交互的真实场景,虚拟物体和真实场景实时地叠加到同一个画面或空间,两种信息相互补充、完善,使用户的体验更为真实,具有虚实结合的特征。AR技术不仅有着与虚拟现实(VR)技术相类似的应用领域,诸如尖端武器开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等,而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示并输出的特性,在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、工程设计和远程机器人控制等领域,具有比VR技术更加明显的优势[1]。20世纪90年代末,这个领域的研究者开始在一些每年召开的与AR相关的国际研讨会和工作会议上聚会,例如,国际增强现实工作会议(IWAR)、国际增强现实研讨会(ISAR)和国际混合与增强现实会议(ISMAR)等,这些会议在很大程度上促进了AR的研究与发展。LPW自动化在线网
    AR技术已经有着广泛的应用。对于有些领域(如医学领域),AR系统需要保持虚拟信息与真实信息有着视觉上的差异以便医生进行诊断;但是,对于其他领域(如游戏领域),AR系统则需要保持两者视觉上的融合已达到用户犹如身临其境的效果[2]。LPW自动化在线网
    传统的AR系统中虚拟物体与真实场景之间在显示端存在着较为明显的视觉差异,这种差异大大降低了用户交互体验、操作的真实感。针对这点,本文提出了一种新的方法来改进传统的 AR系统 ,分别对摄像头采集的背景图像和计算机生成的虚拟物体进行基于非真实感的渲染NPR(Non-Photorealistic Rendering)技术的风格化处理 ,减少二者的视觉差异 ,最终输出带有水彩画效果的叠加后图像 ,从而提高虚实结合的程度,在显示端达到视觉的统一。LPW自动化在线网
1 相关工作LPW自动化在线网
    AR系统致力于将计算机生成的虚拟物体与真实场景融为一体,通过虚拟物体的信息补充来增强用户对真实环境的理解。目前,AR系统中一些关键的技术,诸如显示技术和跟踪[3]、定位技术[4]已经具有一定的成熟度,但对虚拟物体与真实场景之间的视觉融合技术研究非常少。在实时的AR系统中,要保持虚拟物体和真实场景的完美融合,达到视觉上的统一是很困难的。为达到这个目的,一种方法是使计算机生成的虚拟物体尽可能地逼真,但这不仅需要精准的计算机模型,而且还需要过长的模型计算时间,这在实时的AR系统中是难以实现的。另一种方法是使用NPR技术,使虚拟物体和真实场景通过风格化融合以达到视觉上的统一。目前已经有卡通风格化渲染、油画风格化渲染、马赛克风格化[5]渲染等多种NPR技术在AR系统中实施。丁帆等[6]将卡通风格的NPR技术应用到了AR系统中,该方法减去了较多的真实场景的信息,融合后的视频图像比较模糊。BOUSSEAU A[7]比较系统地提出了处理二维图像和三维模型水彩风格化的方案。他将风格化分为多种可选的效果,用户根据自己的需要进行选择并可以实时地看到渲染结果。为了更加直观地模拟水彩,BOUSSEAU A的方法没有采用库伯卡-芒克模型。虽然该方法可以达到实时渲染,但是得到的渲染结果略显生硬。此外,CURTIS C J[8]提出了基于物理模型的水彩画风格渲染,但是计算代价高昂。LPW自动化在线网
    本文提出了采用Voronoi图来处理视频图像帧以模拟图像帧的水彩画风格效果,达到虚拟物体与真实场景的无缝结合。首先利用Voronoi图简化视频帧颜色信息,然后检测出视频帧边缘,最后将边缘线叠加到风格化渲染后的视频帧中。实验结果证明,该方法在实时的AR系统中方便、快捷,能很好地实现虚拟物体与真实场景的无缝结合,并能够保持良好的时间、视觉连贯性。LPW自动化在线网
2 算法原理LPW自动化在线网
    将AR系统的视频图像帧利用Voronoi图来处理,以达到简化图像帧的颜色区域的目的,使得真实的场景与计算机虚拟的物体之间的视觉差异减小,从观察者的角度来达到视觉融合,减小视觉瑕疵。同时,检测图像帧中的物体(包括虚拟物体和真实场景中的物体)边缘轮廓,将检测出的边缘同区域颜色简化后的图像帧相叠加,得到最后的观察者接收到的视频图像帧。计算机虚拟物体和真实场景得到风格化的融合,处理过程如图1所示。LPW自动化在线网

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3 算法实现LPW自动化在线网
3.1视频图像帧的颜色区域简化
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    给定一个同时包含了虚拟物体和真实场景的AR视频图像帧,第一个目标是对该图像帧进行水彩画效果的风格化。风格化过程分为两步:(1)生成一个与图像帧同样大小的Voronoi图,Voronoi图的结构类似于洋葱表皮细胞的排列,每个洋葱“细胞”对应了Voronoi图中一个多边形域,如图2所示;(2)用该Voronoi图中的多边形域分割图像帧,并对每个多边形域“细胞”着色,所着颜色由该“细胞”在图像帧中相应位置处像素的平均颜色决定。通过这两步将一些冗余的颜色信息去除,达到图像帧的颜色区域简化,使画面颜色更加接近水彩画效果。


水彩画风格实时增强现实技术
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