增强现实沙盒实现及地形重建技术研究

发布时间：2020-10-13 19:34

　　 近些年,增强现实技术作为一个引人注目的新兴技术,已逐渐被应用于教育领域。增强现实所带来的动态交互式体验教育,增强了教育的互动性与参与性,起到了寓教于乐的作用。2014年,在美国国家科学基金会的资助下,加州大学戴维斯分校开发增强现实沙盒(Augmented Reality Sandbox),以发展地球和流域科学教育。本文中构建的增强现实沙盒是一个实时的增强现实交互系统,人们可利用真实的沙子在沙盒中建造三维地形,系统利用微软Kinect传感器实时读取此三维地形的高度数据,并将此数据传给计算机,计算机处理此数据生成海拔彩色图、等高线及模拟的水流等彩色图像,通过投影仪将这些图像投影在真实的沙盒之上,便于向学生教授相关的地理、地质及水文概念,如等高线的意义,流域及分水岭知识等。此增强现实沙盒目前仅以教育为目的被应用在一些欧美发达国家的博物馆和科技馆中的互动体验式展览区,因此本课题以增强现实技术为基础,搭建增强现实沙盒系统,并利用增强现实沙盒中的Kinect对沙盒地形进行三维重建,以此作为一个切入点,为后期开发相关的军事应用,如沙盒推演,全局路径规划,军事态势分析及可视化战场指挥等做铺垫。本课题创新点在于,针对增强现实沙盒场景,提出了一种Kinect三维重建方法,其可自动裁剪掉Kinect视野中沙盒的边缘,并在Matlab中精确完整地重建沙盒地形。本文从下述方面展开了研究:(1)分析增强现实技术在教育领域、互动展示、军事领域方面的应用现状,以及地形三维重建技术在重建工具和接触情况分类下的研究现状,为增强现实系统及地形重建关键技术及理论的研究奠定基础。(2)对增强现实技术及深度传感工具做基础分析,为增强现实系统的实现及地形重建技术研究奠定理论和应用基础。(3)从增强现实沙盒系统的目标出发,设计系统的硬件架构,分析软件处理过程,给出系统的校准方法,讲解系统功能实现原理,说明系统当前分布情况,并进行调研做出系统用户体验评估。(4)根据三维重建的基本要求和对沙盒地形重建的特殊要求,提出不同于Kinect Fusion算法的Kinect三维重建流程,分析三维重建中的关键算法,利用增强现实沙盒中的深度传感工具Microsoft Kinect对沙盒地形进行三维重建。(5)对增强现实沙盒及地形重建进行实验验证及分析,证明增强现实沙盒系统及三维重建算法的正确性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP391.9
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景与意义
        1.1.1 课题的研究背景
        1.1.2 课题的研究意义
    1.2 增强现实技术研究现状
        1.2.1 教育领域的应用
        1.2.2 互动展示的应用
        1.2.3 军事领域的应用
    1.3 三维重建技术研究现状
        1.3.1 重建工具分类
        1.3.2 接触情况分类
    1.4 论文的主要内容与章节安排
第2章 增强现实技术基础分析
    2.1 增强现实技术
        2.1.1 增强现实介绍
        2.1.2 增强现实显示技术
        2.1.3 增强现实投影技术
    2.2 深度传感技术
        2.2.1 深度传感器介绍
        2.2.2 深度传感器原理
        2.2.3 Kinect三维重建
    2.3 本章小结
第3章 增强现实系统实现
    3.1 系统软硬件架构
        3.1.1 系统硬件
        3.1.2 系统软件
    3.2 系统校准与原理
        3.2.1 系统校准方法
        3.2.2 系统工作原理
    3.3 系统分布与评估
        3.3.1 系统分布
        3.3.2 系统评估
    3.4 本章小结
第4章 三维重建技术
    4.1 Kinect三维重建算法
        4.1.1 三维重建要求
        4.1.2 三维重建流程
    4.2 深度数据获取
        4.2.1 深度数据获取方式
        4.2.2 深度数据获取原理
    4.3 哈夫变换
        4.3.1 哈夫变换概述
        4.3.2 直线检测原理
        4.3.3 直线检测实现
    4.4 双边滤波
        4.4.1 噪声来源分析
        4.4.2 去噪算法分析
        4.4.3 双边滤波算法
    4.5 本章小结
第5章 实验验证及分析
    5.1 增强现实沙盒实验
        5.1.1 地形颜色对照实验
        5.1.2 海平面高度提取实验
    5.2 地形重建实验
        5.2.1 山地地形重建
        5.2.2 洼地地形重建
    5.3 用户体验评估实验
        5.3.1 实验流程
        5.3.2 实验结果
        5.3.3 实验结论
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间授权的专利
攻读硕士期间参与的项目
学位论文评阅及答辩情况表

【参考文献】

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本文编号：2839614