增强现实算法基础

设想一下，当高铁线路选址人员进行实地考察时，面对幽深的峡谷，如果原建设方案中设计的大桥腾空而起，呈现在设计人员眼前，而且可在现场从不同的视角进行观察，必然能够更好地论证原选址方案的合理性。同样地，当游客来到一个文化遗址观赏古代遗留下来的壁画时，面对岩壁上褪色、缺损和脱落的壁画，不免心生遗憾。这时若采用某种显示模式，使呈现在游客眼前的壁画恢复原作的风貌，甚至使壁画中的人物鲜活地动起来，则可使游客眼前一亮，大大增强他们的文化体验感。上面介绍的场面正是增强现实的典型应用场景。通过运用增强现实技术，可以使车展中心无须耗费大量的精力去调集、陈列各种不同的豪车，随着销售员绘声绘色的讲解，一辆辆展车会实时地呈现在观众的眼前，其光影效果跟真实的展品一模一样，观众可以看到展车周围的现场实景，大大提升了展示效果的真实性。在不远的将来，增强现实技术还能让远程的朋友瞬间出现在眼前，相聚在同一间办公室，愉快地交谈和讨论问题。

以上应用场景通过将虚拟景物无缝地嵌入现实场景中，大大增强了虚拟景物存在的真实感，扩展了人们对现实场景的体验和认知。这种真实感体现在虚拟景物与现实场景的空间一致性、光照一致性和交互一致性。由于计算机与现实世界存在的巨大鸿沟，这种一致性需要通过复杂计算和设备的支持方可实现。

尽管国内外对增强现实技术的研究如火如荼，但迄今为止，增强现实技术的教科书并不多见。为此，我们编写了本书，作为高年级本科生、研究生，以及一般从事科研和开发的工程人员所使用的入门教材。

增强现实技术中所涉及的基本理论和算法涉及空间注册、相机定标理论及满足精度、速度和稳定性的实用算法。作为一本面向工程应用的书籍，我们不准备向读者介绍其中艰深的定标、跟踪、重建等理论，而仅对基本模型及计算策略进行比较详细的叙述，以便读者可以把握技术的现状，并将这些技术应用到与增强现实相关的工作中。此外，本书将从基础内容开始讲述相关算法，以免读者反复查阅参考文献。增强现实中的呈现设备也非常重要，但是涉及光学、电子、机械等多个学科的内容，因此不作为本书的主要内容。

本书汇聚了增强现实前沿的、核心的基础算法。全书共分为11章。第1章概述增强现实技术的全貌，介绍增强现实的基本概念、简史、呈现模式、应用领域及与虚拟现实的关系。第2章介绍空间几何的表示及其变换关系、相机的几何模型及如何通过单幅图像来恢复相机的内、外部参数。第3章讲述通过平面标志实现空间注册的增强现实方法，并介绍主要的实验工具，读者借此即可实现简单的增强现实算法。第4章讲述增强现实中如何通过空间点定位来实现空间注册与定位，并简要介绍常用的传感器技术及系统。第5章介绍图像中的特征检测、匹配的基础理论和方法，为基于视觉的空间注册技术奠定基础。第6章主要讲述基于视频序列的静态场景定标理论和方法，介绍相机的多视角几何模型及静态场景的有限重构技术，通过立体视觉、多视点几何及深度图等，重构现实场景中与虚拟物体发生关系的部分。第7章讲述虚实环境融合一致性的基本概念与特点，简要介绍真实感绘制技术、基于空间注册的遮挡处理及空间增强现实技术。第8章讨论真实场景光照重建的基本方法。第9章讲述虚实场景间的光影交互和融合，特别是虚实场景间阴影、镜面映射交互效果的模拟方法。第10章介绍增强现实中常用的图像融合方法，以获得画面视觉的良好效果。第11章简要介绍增强现实环境中的交互技术，讲述用户与虚拟物体的交互手段，以及虚拟物体与现实场景的交互方法。在每章的后面，概要地列出了相关主题在近年的研究成果，并给出了相关文献。为了让读者加深理解，每章的最后给出了一些习题。

本书可作为48课时的教学安排，也可作为32或64课时的教材。作者制作了相应的教学PPT，供教师授课时选用。本书采用分工合作的方式编写，第1、2、4、6、11章由山东大学软件学院秦学英撰写，第3、5、10章由山东大学计算机学院钟凡撰写，第7~9章由四川大学计算机学院刘艳丽和邢冠宇撰写。浙江大学CAD&CG国家重点实验室彭群生参与了本书的策划和组织，提出了许多重要的建议，并审定了全书的内容。在本书的编写过程中，姜新波、李佳宸参与了本书的插图绘制和文稿整理。

本书由科技部重点研发计划与自然科学基金委资助出版。在本书的编写过程中，得到了同行们的大力支持和指导，在此一并表示衷心感谢！

由于作者水平有限，书中的错误和疏漏在所难免，恳请读者批评指正。

作者2023年1月

本书是一本讲述增强现实基本原理和算法的教材。全书共分为11章。首先介绍增强现实基本模型和原理、空间变换与相机模型。然后介绍增强现实所必需的空间注册与跟踪算法，包括基于平面标志的方法、基于3D点跟踪的方法、视频序列跟踪及有限重建方法等。在此基础上，讲解了增强现实中的虚实融合技术和空间增强现实技术，包括虚拟物体的绘制、虚实物体间的遮挡处理、光照环境的恢复、阴影的生成及图像融合。后简单介绍增强现实环境中的人机交互技术。 本书的特点是： 针对增强现实中主要原型的基础算法进行介绍，重视基本原理和基本算法的陈述。为了便于复习和提高应变能力，各章都附有习题，并在扩展阅读部分提供深入学习相关内容的文献和发展方向。全书力求简单易懂，基础全面，便于自学。 本书可作为高等院校相关专业高年级本科生的教材，也可作为从事增强现实领域技术开发的广大科技工作者自学的入门书籍。