虚拟仿真实验中增强现实技术的研究
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
由于传统的实验教学必须依赖大量的实验器材、实验教学人员以及场地等实际资源，使得实验教学的受众群体与其参与时间都大大降低，而日益成熟稳重的虚拟实验，具有仿真度高、成本低廉且更易普及的优点。虚拟仿真实验是虚拟现实技术应用研究的重要载体之一，广泛应用于高校实验教学、医疗机构手术培训、军事训练虚拟战场、工业虚拟装配等领域，具有重要的理论研究和实践应用价值。我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2021-2021）》中明确指出要大力发展虚拟实验室，用虚拟实验教学弥补真实实验、训练中所存在的高危险、高污染、高损耗、长周期等诸多问题。人机交互技术发展的最终目标，不应该强迫人类去适应机器的操作方式，而是尽量使机器更具人性化，符合人类的操作习惯，依靠纯粹的VR技术是无法达到这个目标的。增强现实技术，是在VR技术的基础上发展起来的新兴技术，成为近年来的研究热点，它是一个涉及计算机视觉、人工智能、虚拟现实等多学科交叉的新型研究领域。AR技术不需要模拟一个完整的虚拟世界，而是将计算机渲染出的虚拟信息，以补充;或者叠加;的方式与真实世界融合，形成虚实信息兼具的第三种空间;，与此同时，用户身处在现实空间中，所以交互方式显得更加自然。
该项目的研究成果，可用于中小学以及高校的实验教学工作，辅助学生更直观形象地理解实验原理，同时有效地降低实验设备更新与维护成本，以及杜绝高危险、高污染实验对人体的伤害。同时，该项目的主要技术与研发工艺也可以拓展应用到工业虚拟装配、商业产品展示等诸多领域，将会带来更多实际效益。
1.2虚拟实验及增强现实技术研究现状
1.2.1虚拟实验研究与发展现状
虚拟实验也被称为严肃性手机游戏，在教育、医疗、军事、工业等领域都有其广阔的应用前景，因此，国内外有很多学者和科研机构都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，根据调查与研究，主要的研究方向可分为：
1．网络服务，建设虚拟实验的基础系统架构和网络服务器为了使虚拟实验资源能够在不同高校与科研机构间得到共享，麻省理工大学从系统架构角度研发的项目是一套基于的基础软件架构，使不同的虚拟实验可灵活地接入网络共享体系；团队以开发大型多用户在线角色扮演手机游戏的方式，建立了一套可支持多人同时在线协作的专业技能训练仿真系统，但他们都未考虑虚拟实验本身的创新与改进；
2．界面显示，以逼真的3D渲染技术展示虚拟实验的操作界面使用专业的建模与渲染软件，例如，Blender制作3D的虚拟实验器材，使用户可从多角度更真实地体验虚拟实验器材的纹理与光照等效果，该技术目前是虚拟仿真实验研发过程中的重要方式之一；
3．实验原理模拟，基于真实的实验原理研发虚拟实验比如，Mar B团队通过Lab VIEW这样的专业仿真软件，利用其丰富的数学工具包，开发一套基于真实原理的虚拟仪器，来仿真和分析通过电化学显微镜扫描获得的数据曲线，类似这样的虚拟实验帮助用户更深入地理解实验的基础原理，但是由于对专业仿真软件的依赖性过强，必然会限制系统某些功能的添加，在用户界面上也无法达到逼真的水平；
4．虚实结合通过VR硬件设备，提供更具真实感的人机交互体验，是近年来随着计算机硬件的发展而新兴的一种虚拟仿真系统研发方式。借助数据手套、洞穴式大屏幕、方向传感器、力反馈系统等专业的虚拟现实仿真设备，搭建具有高度真实感的沉浸式虚拟实验，可用于虚拟建造与装配、虚拟书籍阅读，等多种领域，但是沉浸式的虚拟仿真实验系统需要诸多大型硬件设施作为技术与性能支持，而且价格一般都十分昂贵，目前暂不适宜个人普及使用。
第2章基于增强现实技术的虚拟实验概述
基于AR技术的各类虚拟仿真系统具有虚实信息无缝结合、人机交互更加自然的优点，已经成为新型虚拟实验的一个发展方向。研发一款具有实用价值的虚拟实验，需要考虑目标图像识别率高、系统运行稳定、硬件设备成本低廉且实验效果逼真等实际问题。本章描述了基于AR技术的虚拟实验框架，并针对上述问题，介绍了本文研究涉及的核心技术，主要包括计算机视觉技术、三维重建技术以及3D图形引擎技术。本章还阐述了如何选取实验数据与识别性能评价指标。
2.1AR虚拟实验工程框架
基于AR技术的虚拟实验最大特点是通过虚实信息结合，借助仪器标识卡牌生成实验仪器，在保证良好的自然人机交互体验下，节省了真实实验仪器的使用，其工程框架如图2-1所示。
工程的运行流程可分为三个阶段：首先，用户根据某个具体实验的实验原理，正确摆放好各枚代表真实仪器的标识卡牌；然后，开启设备摄像机获取上一步准备完毕的标识卡牌信息，以视频流的形式传送给目标图像分类与跟踪组件，分类与跟踪器调用内存中离线训练得到的特征库数据，对标识卡牌进行特征识别与位置跟踪；最后，将3D图形引擎渲染出的各个虚拟实验仪器，分别三维注册到对应的标识卡牌上，即成为AR实验仪器，进而构建出一个AR实验环境，用户通过操作真实的标识卡牌进行实验，而并非借助鼠标或触屏，从而到达自然人机交互目的。
2.2并行跟踪运行模式
对于普通摄像头，无法同时拍摄到真实实验环境的全貌，且大多数实验需要多个实验仪器来共同完成，因此，在实际运行AR虚拟实验时，用户必须频繁改变摄像头视角以操作不同的AR实验仪器，进而导致系统对部分AR实验仪器的跟踪丢失，单一的随机蕨算法无法保证自然人机操作的流畅度。
为了避免上述问题，本文在研究AR虚拟实验时引入了三维重建技术，并提出AR虚拟实验的并行跟踪运行模式;。在融合了三维重建技术的并行跟踪运行模式中，系统构建整个AR实验环境的同时，并行地在内存中建立了真实世界的三维坐标系，基于该三维坐标生成的实验仪器不会再产生坐标变化，因此，即使摄像头无法同时拍摄到整个实验环境，或者用户将摄像头单独拍摄某一实验仪器标识卡牌时，也不会造成其余AR实验仪器的跟踪丢失。需要注意的是，由于此时生成的AR实验仪器不再受到目标图像分类与跟踪组件的影响，因此本文利用3D图形引擎的碰撞检测来控制其操作，具体设计与实现在第四章中进行阐述。AR虚拟实验的并行跟踪运行模式流程如图2-3所示：首先，围绕实验环境，平移摄像头获取真实世界的三维坐标信息；然后，系统根据摄像头获取的视频序列信息在内存中还原出真实世界的三维坐标系；最后，AR虚拟实验启动目标图像分类与跟踪组件，开始构建AR虚拟实验操作环境，用户可进行流畅、稳定的自然人机交互。
第3章面向AR虚拟实验的目标跟踪技术...........22
3.1随机蕨算法工作原理.........22
3.1.1获取训练数据集...........22
第4章融合三维重建技术的AR虚拟实验设计.........34
4.1PTAM算法简介.........34
第5章AR虚拟光学实验的评测与优化.............43
5.1可自然人机交互的AR虚拟光学实验.............43
第5章AR虚拟光学实验的评测与优化
从上几章的算法评测效果可以看出，各个核心模块都已研发完毕，那么，设计与实现一款具体的AR虚拟实验，是验证融合上述各章节研究与优化的AR技术在虚拟实验中可行性的最佳方式。本文针对大学物理实验系列的基础光学实验，开发了与其对应的AR虚拟光学实验。在本章中，我们将展示其实际运行的情况，并从目标卡牌识别与跟踪性能以及3D图形渲染性能方面进行评测与优化。
5.1可自然人机交互的AR虚拟光学实验
图5-1描述了AR虚拟光学实验的整体技术框架，自下而上分别为：真实光学实验的基本原理、技术理论基础、开发环境、核心AR组件、运行平台以及具体的AR虚拟实验。其中，实验基本原理、VR技术与AR技术作为虚拟实验系统的核心支持，提供设计向导与技术路线；作为开发平台，实现AR核心组件开发、系统逻辑功能实现以及模型的设计制作；图5-2为目标图像分类与跟踪组件的总体流程图，包括在线分类跟踪阶段与特征库离线生成阶段。AR虚拟光学实验通过以上的技术支持，可在PC、移动设备以及WEB上运行。
结论
本文研究了可用于AR虚拟实验的技术，并分别从实验仪器标识卡牌的识别与跟踪、AR实验仪器显示的稳定性、可自然人机交互等方面进行了深入的研究。本文的研究在算法与实际应用上都取得了较为良好的效果。
首先，为了能够满足AR虚拟实验在目标识别与跟踪的实时性，本文通过研究分析，使用了随机蕨算法，以此避免了系统运行时庞大的计算量，提高了运行速度。考虑到AR虚拟实验的跨平台性，为了使其在内存容量相对较低的移动设备上也能良好运行，本文研究了原始随机蕨算法提取图像小块灰度特征的方式，发现其未考虑图像小块的方向性，本文事先对图像小块进行方向归一化处理，然后再提取灰度值测试点对信息，通过实验数据评测，有效地提升了原始随机蕨算法的识别率，同时显著降低了特征库体积大小，为原始大小的1/8至1/16。
其次，本文引入了三维重建技术，根据其能够对真实环境的三维坐标进行恢复这一特点，研究了可实时更新三维地图的PTAM算法，提出了AR虚拟实验的并行跟踪运行模式，将PTAM组件与OFERNS算法的结合，通过实验表明，系统可同时稳定地显示与跟踪多个实验仪器，且用户可在无需穿戴动作传感器与使用深度摄像头的情况下，以自然人机交互的方式进行AR虚拟实验操作。
最后，通过开发与运行AR虚拟光学实验，印证了基于OFERNS算法与PTAM算法的AR技术在虚拟实验开发中的可行性。
参考文献（略）