虚拟现实中图像增强现实AR的使用价值与技术研究

朵雯娟

摘 要： 现阶段虚拟现实中图像增强技术仍然存在一定的缺陷，对于其指标测量与评价方法也不够完善，容易导致用户在使用过程中出现眩晕以及沉浸感等问题。通过对AR技术的研究，结合AR光学性能对虚拟现实中图像增强的参数指标进行测评，对AR设备的光学技术研究方法进行介绍。为了验证设想的可行性，设计基于AR技术的虚拟光学实验模型，并通过仿真实验对其进行测评，实验结果证实该仿真模型效果逼真，具有良好的实际使用价值。

关键词： 虚拟现实； 图像增强； AR技术； 光学性能； 实验模型； 仿真实验

中图分类号： TN911.73?34； U665 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0075?04

Abstract： The image enhancement technology in virtual reality has a certain defect， and its index measurement and evaluation methods aren′t perfect enough， which is easy to cause the dizziness and immersion in the using process of users. The AR technology is researched， and the AR optical performance is combined to evaluate the parameter index of image enhancement in virtual reality. The optical technology research methods of AR device are introduced. A virtual optics experimental model based on AR technology is designed to verify the feasibility of the conceiving， and evaluated with simulation experiments. The experimental results confirm that the simulation model is effective， and has high practical application value.

Keywords： virtual reality； image enhancement； AR technology； optical performance； experimental model； simulation experiment

0 引 言

虚拟现实利用电脑设备对三维空间进行模拟，再利用头戴设备提供给使用者感官反馈，为使用者提供身临其境的感受，帮助使用者对模拟三维空间进行探索。而增强现实是电脑直接叠加或投射画面的过程，虚拟现实中的图像增强要避免给使用者带来沉浸式的虚拟感受，不借助任何其他设备进行操作，在真实的场景下与画面进行有效互动[1]。当前AR技术的涌现和发展也在很大程度上推动了相关技术的发展，使用AR设备的用户规模逐渐扩大，并在医疗、教育、工程、娱乐等领域，以及在尖端技术的研发方面都得到了广泛的应用，并展现出独特优势。但AR技术在分辨率、可视角度等方面难以满足用户体验需求，导致相关产品的使用舒适度差异相对较大[2]。因此， 要积极完善AR技术应用于虚拟图像的光学标准工作。

1 虚拟现实仿真系统模型设计

1.1 虚拟现实图像增强方法流程

为达到最大程度场景仿真又方便控制运动的目标，对图像跟踪测试评估的虚拟仿真系统采取模拟目标和真实背景相结合的方法建立虚拟现实仿真系统模型，如图1所示。

图1中，首先对视图主线架构进行设计，再使用仿真工具制造物体模型，将模型加入真实场景中以达到实现虚拟模型与真实场景相结合的目的[3]。将真实场景在监控器上输出虚拟模型视频，数据输出后通过相关运算方法进行分析并显示于窗口[4]。

雖然系统程序对图像的识别功能千差万别，但从本质上讲，都是基于为用户提供高效便捷服务信息进行的系统设计，因此在对程序进行设计的过程中，若某个对象能完成所需功能，这时只要通过调用已有对象的简单操作就可以完成目标[5]。另外，还可以利用继承方法通过已有对象派生出自己的对象，还可以根据需要增加所需特性和方法，产生功能更为强大的对象，也可以创建新对象，根据需要完善功能，这种方法为跟踪识别方法[6]，如图2所示。

实时跟踪识别系统采用实时摄像机跟踪算法，为实现基于虚拟现实的图像增强方法，在系统设计中利用KLT算法进行跟踪注册、宽基线注册校正，并建立对应关系，提高跟踪定位的精度，克服基于模型抖动的问题[7]。

1.2 AR设备模型设计

AR技术通过为使用者提供更加丰富的互动方式强化使用者对真实环境的感官体验[8]。不同于VR环境的完全虚拟画面，AR环境中的图像展示都是在真实图像上进行运动的[9]。但如果AR技术不能完成有效结合真实世界背景和虚拟环境信息的效果，合成场景会阻碍认知功能，造成视觉干扰，出现在同一界面内显示信息混乱，降低用户体验感，给使用者带来压力等问题。此外，如果系统操作方法相对过于复杂则会增加用户精神负担。因此通过AR技术实现虚拟现实图像增强方法，完成真实场景设计的系统模型要简洁、高效[10]。AR应用程序执行流程图如图3所示。

为打破传统AR技术在人机互动方面上的局限，需对互动体验空间进行拓展，利用传统的图像增强方法作为依据对增强方法进行交互设计[11]。为保障能够自然切换交互空间，设置文档模板动态系统创建如图4所示。

根据图4不难发现，在文档模板动态系统结构中，框架、文档和视图是一体的。通过文档模板来维护框架、文档和视图三者之间的关系是相辅相成的[12]。在该系统生成的虚拟现实三维环境中，使用者不仅能以第一人称的视角在视觉范围内部任意行动，还可以依据个人喜好对虚拟场景中的物体进行替换或调整，有助于提高用户互动感受[13]。

2 图像增强质量评价指标

随着现代化技术的不断发展，对虚拟图像的光学性能测评技术也提出了更高的要求。根据对相关文件进行的调查可知，对AR设备的图像增强基础测评质量的评估除了要对图像的亮度、对比度等常规的光学性能进行考察外，同时还要对图像质量的近眼光学视场设计进行测评[14]。

由于AR设备的视场是经过光学成像后在预设位置看到的视场范围，其大小受设备和光学系统限制。人眼形成双目成像，其视场范围系统如图5所示。

如图5所示，在对人眼视场进行测量时，需要对眼球进行模拟，建立眼球转动扫视测量系统，在AR设备的预设视觉位置，对不同角度的图像画面进行采集以推断出人眼单眼的瞬时视场，并通过图像特征提取和拼接等技术得到人眼总视场和双目叠加视场[15]。通过对视场进行准确的测量为对用户产品提供指导。在测量过程中经常会出现畸变失真的情况，主要有枕形失真和桶形失真两种形式。正常图像及失真图像分别如图6～图8所示。

在图像出现畸变的情况下借助信号发生器进行视场测量，并通过AR设备对测量画面进行显示，再通过对畸变图像中的特征位置进行提取推算出图像的畸变度。

3 AR虚拟光学实验的测评与优化

对基于AR技术进行的虚拟现实仿真系统模型进行测评，测评指标和方法参照前文。

选取两幅模型中显示的样本图像，并随机产生1万幅有噪点的仿射图像作为训练数据集。在此基础上各自随机挑选200幅留作参考数据集。在测试过程中对参数进行调节以此评估分类与跟踪的性能。图像识别率曲线对比结果如图9所示。

通过图9不难看出，在保持测试点数不变的情况下，图像测试点的个数在200以内时，图像中样本的数量与测试点的数量对组建的计算性能产生直接影响并决定着设备的内存消耗量，其个数越小，二者性能差距就越大，所含测试点个数越少，识别率越高。

表1为图像在相近识别率下测试信息数据结果统计表。

如表1中数据所示，对虚拟现实仿真系统模型所产生的图像进行测量，其识别率都能达到90%左右，因此证实虚拟现实仿真系统模型可准确地对虚拟现实图像进行增强。经过计算发现该模型在内存占用率上较传统方法具有显著优势。

4 结 语

随着AR技术的兴起，虚拟图像增强效果也得到了提升。经过实验测量证实本文提出的虚拟现实仿真系统模型能够有效完成虚拟现实图像中图像增强的理想目标，并具有内存占用较低的显著优势，符合虚拟图像测试的国际标准，效果接近真实。因此，积极结合AR技术有助于提高虚拟图像增强效果，具有良好的使用价值。

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