AR增透減反射濾光片的原理和應(yīng)用

    增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，簡稱AR）是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，*早于1990年提出。包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段，它將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或關(guān)于真實(shí)物體的非幾何信息疊加到真實(shí)世界的場景之上，實(shí)現(xiàn)了對真實(shí)世界的增強(qiáng)。
    AR技術(shù)原理
    AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以明確分為大約兩類，一是VisionbasedAR，即基于計(jì)算機(jī)視覺的AR，二是LBSbasedAR，即基于地理位置信息的AR。
    VisionbasedAR
    基于計(jì)算機(jī)視覺的AR是利用計(jì)算機(jī)視覺方法建立現(xiàn)實(shí)世界與屏幕之間的映射關(guān)系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現(xiàn)實(shí)物體上一般展現(xiàn)在屏幕上，如何做到這一點(diǎn)呢？
    本質(zhì)上來講就是要找到現(xiàn)實(shí)場景中的一個(gè)依附平面，然后再將這個(gè)3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個(gè)平面上繪制你想要展現(xiàn)的圖形，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上可以分為2類：
    1、Marker-BasedAR
    這種實(shí)現(xiàn)方法需要一個(gè)事先制作好的Marker(例如:繪制著一定規(guī)格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker放到現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)位置上，相當(dāng)于確定了一個(gè)現(xiàn)實(shí)場景中的平面。
    然后通過攝像頭對Marker進(jìn)行識別和姿態(tài)評估（PoseEstimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為MarkerCoordinates即模板坐標(biāo)系。
    我們要做的事情實(shí)際上是要得到一個(gè)變換從而使模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，這樣我們根據(jù)這個(gè)變換在屏幕上畫出的圖形就可以達(dá)到該圖形依附在Marker上的效果。
    理解其原理需要一點(diǎn)3D射影幾何的知識，從模板坐標(biāo)系變換到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系需要先旋轉(zhuǎn)平移到攝像機(jī)坐標(biāo)系（CameraCoordinates）然后再從攝像機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。
    圖片
    在實(shí)際的編碼中，所有這些變換都是一個(gè)矩陣，在線性代數(shù)中矩陣代表一個(gè)變換，對坐標(biāo)進(jìn)行矩陣左乘便是一個(gè)線性變換（對于平移這種非線性變換，可以采用齊次坐標(biāo)來進(jìn)行矩陣運(yùn)算）。公式如下：
    圖片
    矩陣C的學(xué)名叫攝像機(jī)內(nèi)參矩陣，矩陣Tm叫攝像機(jī)外參矩陣，其中內(nèi)參矩陣是需要事先進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定得到的，而外參矩陣是未知的，需要我們根據(jù)屏幕坐標(biāo)(xc,yc)和事先定義好的Marker坐標(biāo)系以及內(nèi)參矩陣來估計(jì)Tm，然后繪制圖形的時(shí)候根據(jù)Tm來繪制（初始估計(jì)的Tm不夠**，還需要使用非線性*小二乘進(jìn)行迭代尋優(yōu)）。
    比如使用OpenGL繪制的時(shí)候就要在GL_MODELVIEW的模式下加載Tm矩陣來進(jìn)行圖形顯示。
    2、Marker-LessAR
    基本原理與MarkerbasedAR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點(diǎn)的物體(例如：書的封面)作為平面基準(zhǔn)，而不需要事先制作特殊的模板。擺脫了模板對AR應(yīng)用的束縛。它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)對模板物體提取特征點(diǎn)，并記錄或者學(xué)習(xí)這些特征點(diǎn)。
    當(dāng)攝像頭掃描周圍場景，會(huì)提取周圍場景的特征點(diǎn)并與記錄的模板物體的特征點(diǎn)進(jìn)行比對，如果掃描到的特征點(diǎn)和模板特征點(diǎn)匹配數(shù)量超過閾值，則認(rèn)為掃描到該模板，然后根據(jù)對應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)Tm矩陣，之后再根據(jù)Tm進(jìn)行圖形繪制(方法與Marker-BasedAR類似)。
    LBS-BasedAR
    其基本原理是通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數(shù)據(jù)源（比如wiki，google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學(xué)校等)的POI信息，再通過移動(dòng)設(shè)備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設(shè)備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標(biāo)物體在現(xiàn)實(shí)場景中的平面基準(zhǔn)(相當(dāng)于marker)，之后坐標(biāo)變換顯示等的原理與Marker-BasedAR類似。
    這種AR技術(shù)利用設(shè)備的GPS功能及傳感器來實(shí)現(xiàn)，擺脫了應(yīng)用對Marker的依賴，用戶體驗(yàn)方面要比Marker-BasedAR更好。
    而且由于不用實(shí)時(shí)識別Marker姿態(tài)和計(jì)算特征點(diǎn)，性能方面也好于Marker-BasedAR和Marker-LessAR，因此對比Marker-BasedAR和Marker-LessAR，LBS-BasedAR可以更好的應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上。
    AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成
    1、Monitor-based系統(tǒng)
    在基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR實(shí)現(xiàn)方案中，攝像機(jī)攝取的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器。
    用戶從屏幕上看到*終的增強(qiáng)場景圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套*簡單使用的AR實(shí)現(xiàn)方案。由于這套方案的硬件要求很低，因此被實(shí)驗(yàn)室中的AR系統(tǒng)研究者們大量采用。
    2、Videosee-through系統(tǒng)
    頭盔式顯示器（Head-mounteddisplays-HMD）被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶的視覺沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。
    根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（videosee-throughHMD）和基于光學(xué)原理的穿透式HMD（opticalsee-throughHMD）。
    圖片Videosee-through增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
    3、Opticalsee-through系統(tǒng)
    在上述的兩套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，輸入計(jì)算機(jī)中的有兩個(gè)通道的信息，一個(gè)是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息通道，一個(gè)是來自于攝像機(jī)的真實(shí)場景通道。而在opticalsee-throughHMD實(shí)現(xiàn)方案中去除了后者，真實(shí)場景的圖像經(jīng)過一定的減光處理后，直接進(jìn)入人眼，虛擬通道的信息經(jīng)投影反射后再進(jìn)入人眼，兩者以光學(xué)的方法進(jìn)行合成。

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