用于现场数字三维重建的增强现实定点观察系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于现场数字三维重建的增强现实定点观察系统，它属于虚拟重建和增强现实技术领域，主要包括图像采集显示镜筒部分、旋转云台测角机构和转动支架部分。通过光电编码器测角获得视点的空间姿态信息，计算机根据此信息完成对实景图像的３Ｄ注册。同时经过相应坐标变换的虚拟场与真实的场景融合叠加。系统通过单片机控制系统采集镜筒空间姿态的角度数据，同时可以与ＩＣ计费卡的配合，实现对双屏显示器的背光电源的计费供电控制。本发明专利技术可用于历史文化遗址的虚拟重建、文物古迹修复、市政建设的规划设计、以及教育培训等，可有效降低实物重建的成本，提高物体的表现力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对指定范围的实地场景进行实时信息增强的观察系统，尤其是能安放在室外固定位置进行实时三维数字重建的系统。属于虚拟重建和增强现实

技术介绍
增强现实(AR，Augmented Reality)技术是近年来国际上在虚拟现实研究的基础上发展出来的一个新的重要研究方向。增强现实借助显示技术、交互技术、传感技术和计算机图形技术将计算机生成的增强信息和使用者周围的真实世界融为一体，同时展现给使用者，使其从感官效果上相信增强信息是其周围环境的有机组成部分。这种增强信息可以是在真实环境中与真实物体共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。增强现实技术仍然处于实验室阶段，目前已开发成功的注册技术均需要在环境可控的条件下才可以获取精确的跟踪结果。尽管在室内增强现实系统的注册问题上已经取得了比较大的进展，但是尚没有成熟的户外增强现实跟踪方案及应用系统。目前阻碍增强现实系统广泛应用的技术难点主要存在以下两个方面1、增强现实的显示技术。增强现实系统使用以下两种透视式显示器视频透视式头盔显示器和光学透视式头盔显示器。2、增强现实的三维注册技术。为实现虚拟与真实环境间的融合，三维环境注册是增强现实系统的关键性技术，也是衡量系统性能的重要标准。三维环境定位注册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在显示屏的正确位置。目前国际上采用的注册定位方法主要包括基于跟踪设备的注册定位、基于计算机视觉的注册定位、基于视觉和跟踪设备的混合注册定位等。其中方位跟踪设备主要包括机械跟踪设备、电磁跟踪设备、光学跟踪设备和超声波跟踪设备等。这些硬件跟踪器各有优缺点，但大多容易受外界干扰的影响。与采用硬件跟踪器的三维注册算法相比较，基于计算机视觉的三维注册算法以计算机视觉理论为依据，对CCD摄像机拍摄到的现实环境图像进行处理与识别，跟踪用户头部方位的改变，通用性强、设备简单、成本低廉。基于计算机视觉的注册技术研究目前在AR领域处于主导地位。它是通过对一幅或多幅视频图像的图像处理，获得跟踪信息，判断固定在使用者头部的摄像机在真实环境中的位置和方向。仅仅根据头部跟踪系统提供的信息进行三维注册属于开循环控制，系统没有反馈增强信息与真实环境间的匹配程度，因而难以取得最佳匹配效果。而基于视觉的AR系统可利用图像处理和计算机视觉的方法协助注册，因此能够使注册误差局限在像素级，但对运算速度及能力的要求较高。由于时间、历史、自然环境等多方面原因，历史文化遗址或古董文物等特殊物品或多或少存在不同程度的损毁。这些物品的损毁部分很难通过传统的展示手段如说明文字、图片、沙盘、微缩模型等展示其原貌状况。而这些物品的价值及其具有的特殊性又使得大多数物品无法通过现有手段进行真正意义上的实物还原。因此利用计算机图形、虚拟现实、增强现实等高技术手段进行物体的数字虚拟重建，可以在完整保持原有物品外观的基础上，用虚实融合的手法全面、立体、精致地再现物品当初的原貌。现有的观景望远镜或观察仪多采用传统光学成像原理，仅能对外界物体的实际状况进行如实反映，观看者所看到的景况也只是外界景象的二维平面信息显示，无法得到具有三维立体显示效果的物体及在现有物体上进行还原等增强信息的显示，并且只有视觉感受，缺乏声音、人机交互等多媒体信息。参考文献1.R.T.Azuma.A survey of augmented reality.PresenceTeleoperators and VirtualEnvironments.1997，4355-3852.R.T.Azuma，Y.Baillot，R.Behringer，et al.Recent advances in augmented reality.IEEE ComputerGraphics and Applications，2001，21(6)34-47
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有定点放置的观景望远镜及观察仪显示物体信息的不足，提供一种新型的对场景进行观察的装置，所专利技术的装置不仅能如实反映物体的状况，而且能提供给观看者具有三维立体显示效果的物体，并能在现有的物体上进行诸如文物古迹还原、添加声音、图像、视频和进行漫游等增强信息的显示。本专利技术的具体技术方案如下用于数字重建的增强现实定点观察系统由图像采集与显示部分、光电编码器、旋转云台体、同步转动支架、计算机等部分组成。该套系统采用定点旋转镜筒式结构，其中图像采集显示镜筒箱体部分包括双路摄像机、左右双屏显示器、单片机控制电路、左右双通道目视光学成像系统、操控面板和音箱，单片机控制电路把两个摄像机对物体拍摄的景况以一定的频率分别在左右双屏显示器上交替显示，经过双目光学成像系统合成后即可观看到具有三维立体显示效果的物体；通过旋转镜筒箱体带动安装在转动云台体上的光电编码器联动，并将其输出信号传输至计算机中来实时完成镜筒(即视点)方位的跟踪标定，计算机可根据所测得的方位信息得到增强图像信息在真实场景中的映射坐标，然后经过计算获得三维数字重建模型或相关文字、声音效果等增强信息，并叠加在原有物体上进行合成显示，使虚拟物体与真实物体完全匹配，实现对原物体的三维重建还原。同时该系统还可以提供声音、图像、视频和缩放控制等多媒体信息，使用户体验到身临其境的浸没感。本专利技术和现有技术相比具有如下特点用计算机进行三维数字重建，通过左右双屏显示器的双目成像系统可观看到虚拟三维物体与真实场景虚实结合的三维立体视觉效果，同时增添了文字、声音、图像、视频等多媒体增强信息，方便了观众的操作使用，丰富了对文化古迹或某些展品进行学习了解的技术手段。本专利技术专利具有跟踪定位精度高、虚实结合稳定、浸没感强、操作简便的特点，可用于历史文化遗址的虚拟现场重建、文物古迹的现场数字恢复、市政建设规划设计的实地虚拟预览以及教育培训等场合，可有效地降低以往实物重建的高昂成本，同时提高物体多种信息媒介的表现方式。附图说明图1为本专利技术专利的整体结构示意图；图2为图像采集显示镜筒部分原理结构框图；图3为旋转云台测角机构原理结构框图；图4为转动支架部分原理结构框图；图5为系统的电路原理框图。其中1-图像采集显示镜筒部分，2-旋转云台测角机构，3-转动支架部分，4-左摄像机，5-右摄像机，6-单片机控制电路板，7-左显示器、8-右显示器，9-左路目视光学成像通道，10-右路目视光学成像通道，11-IC卡计费器，12-操控按钮，13-左音箱，14-右音箱，15-工控机；16-旋转云台体，17-俯仰角光电编码器，18-水平角光电编码器，19-俯仰向齿轮传动机构，20-水平向齿轮传动机构，21-单片机控制电路；22-双层套筒，23-轴承，24-集电滑环，25-工控机箱体，26-不间断电源箱；27-系统底盘，28-数据及电气接口，29-同步旋转平台，30-云台联动杆；31-CCD双路摄像机，32-LCD双路液晶显示屏，33-RS-232数据电缆，34-水平角差分解码器，35-俯仰角差分解码器。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术专利进一步说明。本专利技术基于增强现实及数字虚拟重建技术进行定点观察，结合附图及实施例详细说明如下本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于现场数字三维重建的增强现实定点观察系统，包括图像采集显示镜筒部分、旋转云台测角机构、转动支架部分，其特征在于：　　　　ａ．图像采集显示镜筒箱体部分由左摄像机（４）、右摄像机（５）、左显示器（７）、右显示器（８）、单片机控制电路板（６）、左路目视光学成像通道（９）、右路目视光学成像通道（１０）、ＩＣ卡计费器（１１）、操控按钮（１２）和左音箱（１３）、右音箱（１４）构成；　　　　ｂ．旋转云台测角机构由旋转云台体（１６）、俯仰角光电编码器（１７）、水平角光电编码器（１８）及俯仰向齿轮传动机构（１９）、水平向齿轮传动机构（２０）构成；　　　　ｃ．转动支架部分由双层套筒（２２）、轴承（２３）、集电滑环（２４）、工控机箱体（２５）、不间断电源箱（２６）、系统底盘（２７）、数据及电气接口（２８）、以及同步旋转平台（２９）、云台联动杆（３０）组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王涌天，刘越，常军，黄天智，郑伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]