面向航空仿真的增强现实系统关键技术研究

【类型】学位论文

【作者】刘莹颖 

【关键词】 增强现实 虚实融合 几何匹配 视频图像实时分割 自然感

【摘要】航空仿真技术在航空科学技术发展史上发挥了重要的作用，尤其表现在飞机设计过程中的设计性能验证以及飞行仿真训练方面。而增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是随着虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术发展起来的一种新技术。它具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，除了能够应用在与虚拟现实相类似的领域中，还在精密仪器制造与维修、军用飞机导航、工程设计等领域有更广阔的应用前景，这就决定了它在航空仿真中具有比虚拟现实更强大的优势。基于以上优越性，本文将对面向航空仿真的增强现实系统关键技术进行研究。该系统要完成的目标是：以飞行仿真座舱为对象，运用增强现实技术对其进行改进，创建一个虚实融合的座舱视景，实现人与座舱的自然交互。因此，本文从三项关键技术着手，对现有解决方案进行了研究，并在此基础上找到了适合本文研究系统的实现方案，予以一定的技术实现，主要包括以下几个方面：（1）为解决虚实物体的正确配准问题，制定了一套基于头部标识跟踪的几何匹配方案。相较于其它基于标识的跟踪注册，本文设计的方案能够在保证较高运算效率的同时，降低光照等因素对图像干扰的影响，而且位姿矫正环节的引入提高了整个系统的鲁棒性。此外，本文设计的基于头部跟踪的几何匹配方案，在系统实时运行过程中不必放置场景标识信息，这样可以保持整体布局的美观性，提升自然感。（2）为将真实飞行座舱的图像从复杂的实验室背景中分割出来，以进行下一步的虚实融合，研究并实现了一种基于模板的视频图像实时分割技术。该技术利用已知的目标轮廓信息作为模板，通过轮廓匹配的方式提取出实时视频图像中的目标轮廓，不仅能满足实时性的要求，而且精度较高。（3）针对虚实融合的自然感，研究了光照一致性、阴影生成以及虚实遮挡的实现方法。并对解决本文系统的光照一致性以及遮挡问题提出了建议方案，该方案为后续自然感的提升提供了思路。本文对前两项技术进行了硬件搭建、软件设计、编码实现和性能分析，实验结果表明，本文提出几何匹配方案以及视频图像实时分割方案都是可行的，能够在保证一定精度的情况下满足实时性和系统特殊性要求，这为后续用于面向航空仿真的增强现实系统提供了有力的技术支撑。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】张国峰

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