增强现实交互方法与实现

增强现实（augmented reality）技术旨在增强人类的感知能力。随着相关技术（如图像图形处理技术、模式识别技术、多媒体技术、信息技术等）以及显示与跟踪设备的高速发展，增强现实技术开始迈出实验室，在医疗、交通、教育培训、航天、工业维修等领域得到初步的应用。乐观者甚至预言，不久的将来增强现实终端有可能会取代智能手机等移动终端，成为下一代智能计算与显示平台，在各个专业领域得到大规模应用，并将以颠覆性的方式改变人对世界的认知手段，从而极大地改变我们的生活方式。诚然，科学需要幻想，但新技术的进步和应用更需要脚踏实地的探索和实践。本书作者团队自1999年开始涉足虚拟现实领域的探索，并一直将重点聚焦在增强现实交互方法、交互设备及增强现实应用系统的开发上面。近年来，先后承担了与增强现实研究相关的国家自然科学基金项目、国家科技重点研究项目、国家质量监督检验检疫总局项目、广东省科技计划项目、广州市科技计划项目和企业委托开发项目等一批研究开发项目，积累了一些增强现实技术研究和增强现实应用系统开发的经验。本书作者所在课题组还在广东工业大学开设了“虚拟现实技术原理与应用”的研究生课程及适应不同专业本科生选修的“走进虚拟现实”课程。为了便于正在从事增强现实相关研究工作的研究生和技术研发人员更加深入地了解增强现实、开发增强现实应用系统，遂产生了编撰此书的想法。本书着眼于增强现实交互理论及其实现方法，对制约增强现实交互性水平的核心技术的“注册技术”进行了较为系统的介绍和研究，包括增强现实注册的空间坐标体系架构、理论模型、关键参数、求解方法、注册稳定性的影响要素分析等。此举的目的是为读者呈现增强现实注册的完整模型，并帮助其把握增强现实注册的核心问题和内在本质，为研究新的注册算法和开发增强现实应用系统打下基础。至于对增强现实交互方法的研究，本书力图既呈现相对传统的交互方法（如基于标志的交互），又呈现新的研究成果（如基于自然特征点的注册、视觉交互等）。理论联系实际是编著本书遵循的一个基本原则，因此结合作者团队的应用开发项目，本书较为系统地将增强现实应用系统开发的基本思路、基本流程，以及如何应用本书的理论模型与算法等都一一呈现给读者。希望读者能够通过本书掌握基本原理、理论与方法，并能够从中学习到实际工程应用系统的开发技术，共同推动增强现实技术的创新与应用。增强现实交互方法与实现多年来，本书作者及所在课题组在虚拟现实与增强现实研究中获得了多项研究基金和研究计划项目的资助，其中有国家自然科学基金、广东省科技计划项目、广州市科技计划项目、国家质量监督检验检疫总局项目等资助。作者对这些研究基金和研究计划给予的资助表示衷心的感谢！本书的研究成果得益于作者所在的课题团队，需要特别感谢李晋芳副教授、胡兆勇副教授、莫建清讲师、韦宇炜讲师、杨贤助理研究员为营造良好团队氛围所起的带头作用！二十多年来，大家彼此尊重，崇尚学术，无论在何种境况下都保持了对虚拟现实/增强现实研究的专注，并积极将技术付诸应用。此外，还要感谢为团队研究做出贡献的历届博士生、硕士生！武汉理工大学陈定方教授、华中科技大学孙容磊教授等专家审阅了本书，他们对书稿的完善提出了很多宝贵建议，在此表示诚挚的谢意！感谢课题组朱腾博士后、梁剑斌博士、陈永彬博士、邹序焱博士等在本书撰写过程中提供的支持与帮助！他们为本书的付梓做出了很大的贡献。增强现实内容十分广泛，涉及诸多学科领域，在发展过程中有些概念和提法还不统一，加之作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正！

增强现实（Augmented Reality，AR）技术能够将计算机中的虚拟物体或信息融入到真实世界中，从而能够极大地增强人对现实世界的体验和认知。AR将为未来的信息系统和信息世界提供一种革命性的操作界面，必将改变诸如产品设计、设备操作与管理、培训学习等过程中的人机交互方式。近年来，AR已成为当今具影响力的新兴技术之一，受到学术界和产业界的广泛关注，被广泛应用于工业、医疗、社交、游戏娱乐、军事、教育等多个领域。本书是广东省虚拟现实及可视化工程技术研究中心课题组在增强现实领域多年研究成果的总结，特别总结了在国家自然科学基金委员会资助下取得的成果（“增强现实装配操作空间的深度感知理论与方法研究”，编号：51275094）。本书从增强现实人机交互的特点出发，系统阐述了增强现实交互方法的基本原理、模型、主要技术与典型应用的实现。着重论述基于视觉、外设、体感及触摸屏四种典型人机交互方式的原理、方法与具体实现技术。主要内容包括：增强现实的理论基础与设备；基于标识、数据手套、机器视觉、移动终端的增强现实交互方法；增强现实应用系统开发案例。本书注重理论与实践相结合，五个与工业应用相关的增强现实典型应用案例均来源于实际科研项目，读者可从中全面了解与掌握增强现实系统人机交互的设计思路、软硬件构成、建模方法、关键技术实现方法、编程开发要点等。本书可作为增强现实领域从事科研、技术开发人员的参考书和培训教材，也可供相关专业的研究生或高年级本科生使用。

何汉武，博士，教授，博士生导师。现任广东工贸职业技术学院院长，广东省虚拟现实及可视化工程技术研究中心主任，广东工业大学现代制造与智能装备虚拟仿真实验教学中心主任。中国高校制造自动化研究会理事，中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任。广东省“千百十人才工程”省级培养对象。2007年广东省南粤优秀教师。主要从事数字化设计与制造，计算机视觉处理、增强现实交互方法与技术研究。联合主持国家863项目1项，主持国家自然科学基金2项，主持广东省科技项目及企业委托项目20多项。参加的“机器人离线编程系统HOLPS及应用项目”获1995年国家科技进步三等奖。

第1章绪论（1）

1.1增强现实概述（1）

1.1.1增强现实的内涵（1）

1.1.2增强现实与虚拟现实的区别（2）

1.1.3增强现实的特点（4）

1.2增强现实人机交互技术所面临的挑战（4）

1.3增强现实在各行业的应用（9）

1.3.1增强现实在工业上的应用（9）

1.3.2增强现实在医疗上的应用（12）

1.3.3增强现实在娱乐游戏行业中的应用（13）

1.3.4增强现实在教育行业上的应用（14）

1.4本书重要内容（15）

参考文献（16）

第2章增强现实的理论基础与设备（22）

2.1增强现实的空间坐标系（22）

2.1.1成像坐标系（23）

2.1.2观察坐标系（摄像机坐标系）（24）

2.1.3世界坐标系（26）

2.1.4虚拟世界坐标系（26）

2.2摄像机成像模型及其标定方法（26）

2.2.1摄像机成像模型（27）

2.2.2摄像机的标定方法（30）

2.3摄像机位姿估算（35）

2.4增强现实常用设备（37）

2.4.1摄像机（37）

2.4.2跟踪传感器（39）

2.4.3体感交互设备（41）

2.4.4可穿戴增强显示设备（42）

参考文献（45）

增强现实交互方法与实现目录第3章基于标识的增强现实交互方法（47）

3.1基于标识的注册算法原理（47）

3.2基于正方形标识的增强现实系统基本算法原理（49）

3.2.1正方形标识的设计思路（49）

3.2.2基于正方形标识的增强现实系统的坐标系定义（51）

3.2.3正方形标识的注册算法原理（52）

3.2.4正方形标识的编码识别（54）

3.2.5基于标识注册算法的影响因素讨论（56）

3.3基于正方形标识的交互方法与基本算法原理（60）

3.3.1常见的基于正方形标识的交互方法（61）

3.3.2基于正方形标识的交互方法基本算法原理（62）

3.4基于ARToolKit开发包的增强现实系统实现流程（65）

3.4.1ARToolKit开发包的工作原理（65）

3.4.2ARToolKit开发包的开发前准备（65）

3.4.3ARToolKit开发包的开发框架（67）

参考文献（68）

第4章基于数据手套的增强现实交互方法（70）

4.1数据手套的功能分析（70）

4.1.1数据手套的基本参数（70）

4.1.2数据手套的标定方法（72）

4.2数据手套的交互语义模型（75）

4.2.1交互场景设计（75）

4.2.2交互语义模型（76）

4.3基于数据手套的手势识别算法（81）

4.3.1操作意图判断的基本思路（81）

4.3.2静态手势识别（82）

4.3.3动态手势识别（86）

参考文献（88）

第5章基于机器视觉的交互方法（89）

5.1基础理论与方法（89）

5.1.1徒手交互的基本处理流程（89）

5.1.2双手交互的操作意图判断方法［1］（90）

5.2基于普通摄像头的徒手交互方法与实现（93）

5.2.1复杂背景下的手部分割算法（93）

5.2.2基于关键特征点的手势识别算法（102）

5.3基于Kinect传感器的体感交互方法与实现（112）

5.3.1Kinect传感器介绍（112）

5.3.2Kinect传感器应用交互场景要求（113）

5.3.3Kinect SDK输出的传感数据（113）

5.3.4Kinect传感器观察坐标系（116）

5.3.5Kinect传感器体感交互方法（116）

参考文献（119）

第6章基于移动终端的增强现实交互方法（120）

6.1移动增强现实的场景重构与处理（120）

6.1.1场景重构数学模型（121）

6.1.2场景重构流程与误差分析（123）

6.1.3场景点云重构（124）

6.2移动增强现实中的摄像机跟踪（131）

6.2.1摄像机跟踪框架（131）

6.2.2基于稀疏光流的摄像机姿态估计（134）

6.2.3基于语义SLAM的摄像头跟踪优化（140）

6.2.4摄像机跟踪的应用（150）

6.3移动增强现实的交互方法与实现（153）

6.3.1基于触摸屏的交互（153）

6.3.2移动增强现实中的视觉式交互 （163）

参考文献（170）

第7章增强现实人机交互应用系统开发（172）

7.1基于移动端的油泵拆装训练系统的设计与实现（172）

7.1.1案例的背景与意义（172）

7.1.2系统的设计方案（173）

7.1.3算法原理（180）

7.1.4系统实现（183）

7.2基于数据手套的车间布局系统的设计与实现（185）

7.2.1案例的背景与意义（185）

7.2.2系统硬件平台设计（186）

7.2.3系统软件平台设计（188）

7.2.4车间布局的交互语义模型（193）

7.2.5车间布局系统的实现（194）

7.3正方形标识工具车间布局系统的设计与实现（197）

7.3.1案例的意义与背景（197）

7.3.2系统的设计方案（198）

7.3.3算法原理（204）

7.3.4系统实现（206）

7.4体感交互技术在虚拟机器人示教中的应用（209）

7.4.1案例的背景与意义（209）

7.4.2系统设计方案（210）

7.4.3系统实现（212）

7.4.4程序实现原理与要点（219）

7.5基于Hololens的布线辅助系统的设计与实现（223）

7.5.1案例的意义与背景（223）

7.5.2系统的设计方案（224）

7.5.3系统实现（228）

增强现实（Augmented Reality，AR）技术能够将计算机中的虚拟物体或信息融入到真实世界中，从而能够极大地增强人对现实世界的体验和认知。AR将为未来的信息系统和信息世界提供一种革命性的操作界面，必将改变诸如产品设计、设备操作与管理、培训学习等过程中的人机交互方式。近年来，AR已成为当今具影响力的新兴技术之一，受到学术界和产业界的广泛关注，被广泛应用于工业、医疗、社交、游戏娱乐、军事、教育等多个领域。本书是广东省虚拟现实及可视化工程技术研究中心课题组在增强现实领域多年研究成果的总结，特别总结了在国家自然科学基金委员会资助下取得的成果（“增强现实装配操作空间的深度感知理论与方法研究”，编号：51275094）。本书从增强现实人机交互的特点出发，系统阐述了增强现实交互方法的基本原理、模型、主要技术与典型应用的实现。着重论述基于视觉、外设、体感及触摸屏四种典型人机交互方式的原理、方法与具体实现技术。主要内容包括：增强现实的理论基础与设备；基于标识、数据手套、机器视觉、移动终端的增强现实交互方法；增强现实应用系统开发案例。本书注重理论与实践相结合，五个与工业应用相关的增强现实典型应用案例均来源于实际科研项目，读者可从中全面了解与掌握增强现实系统人机交互的设计思路、软硬件构成、建模方法、关键技术实现方法、编程开发要点等。本书可作为增强现实领域从事科研、技术开发人员的参考书和培训教材，也可供相关专业的研究生或高年级本科生使用。

何汉武，博士，教授，博士生导师。现任广东工贸职业技术学院院长，广东省虚拟现实及可视化工程技术研究中心主任，广东工业大学现代制造与智能装备虚拟仿真实验教学中心主任。中国高校制造自动化研究会理事，中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任。广东省“千百十人才工程”省级培养对象。2007年广东省南粤优秀教师。主要从事数字化设计与制造，计算机视觉处理、增强现实交互方法与技术研究。联合主持国家863项目1项，主持国家自然科学基金2项，主持广东省科技项目及企业委托项目20多项。参加的“机器人离线编程系统HOLPS及应用项目”获1995年国家科技进步三等奖。