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监控系统中增强现实技术软硬件组成

2017-12-07 18:40:35   投稿人:yang

一个增强现实系统需要有显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术、标定技术构成。


 
跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测,并将数据报告给AR系统,实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一,达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。
 
为了生成准确定位,增强现实系统需要进行大量的标定,测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。
 
对固定摄像机的增强现实系统,主要由图像采集系统和观察显示系统合在一起构成了望远筒式结构,体积相对庞大。为了减小系统的体积和重量,在设计中将这两部分分离,摄像机系统仍然通过支架固定,而观察系统改为手持式设备或者头盔显示器,这样就省去了望远筒结构中的系统连接部分和支撑部分,支架承受的重量也会大大减少。


由于改用了较为轻便的结构,整套系统的维护和使用更加方便。在系统中采用双摄像机拍摄真实场景,并结合虚拟模型的立体成像实现了立体视觉的增强现实效果,使系统的实用性得到大幅提升,非常适用于在安防监控中使用。
 


监控中增强现实系统的硬件和软件
 
通过使用电机结构来调节摄像机的角度,同时使用可以固定在用户头部的跟踪器才能实时测量观察者的头部运动。
 

1
硬件系统

 
计算机。计算机是整个系统的大脑,所有的图像、数据最后都会被汇总到这里,因此计算机需要进行大量的运算,包括惯性跟踪器测量结果的处理,随动电机平台的控制,虚拟世界的建立,虚拟摄像机的控制,立体图像的生成,增强现实效果的实现等。
 


头盔式显示器。头盔式显示器是系统的显示输出设备,计算机常渲染后的带有立体视觉的增强现实图像会被输出到它上面供用户观察,因此头盔式显示器也是系统中和观察者具有最直接联系的设备,用户沉浸感的实现在很大程度上取决于头盔显示器的成像质量和配带感觉上,而不是计算机渲染出的增强现实效果。所以头盔式显示器在保证输出图像没有畸变的前提下,整体的体积越轻薄越好。

惯性跟踪器。用来测量观测者的头部运动情况并实时将数据发送给计算机。为了实现各个设备以及虚实摄像机之间的匹配,所有设备公用惯性跟踪器的测量结果,因此惯性跟踪器相当于系统中的主控元件,其精度直接影响整套系统的精度。
 
随动电机平台。该平台完成系统的真实场景采集任务,由双摄像机系统、随动平台以及驱动电机组成。双摄像机系统固定在随动平台上,与随动平台保持相对固定,驱动电机控制平台转动。计算机获得观察者的头部运动数据后,经过分析计算出摄像机系统需要拍摄的方向并发送信号给电机,电机根据计算机的要求驱动随动平台转动,从而带动摄像机系统改变图像采集方向。


2
软件系统


计算机作为系统的数据处理中心,在处理相关数据后,计算出电机的转动速度和距离,发送控制信号给平台,驱动平台上的真实摄像机改变拍摄方向。
 
与此同时,随动平台将其当前位置反馈给计算机,作为计算机下一次计算的参考量,从而形成闭环控制。
 
为了使最后的虚实图像能够匹配,计算机在控制随动电机平台的同时还需要对虚拟计算机的位置进行调节,使虚实计算机的拍摄角度始终保持一致。对于计算机系统来说,每一帧图像都被传送给计算机,这些图像经过渲染与融合后生成增强现实的立体图像,并被输出到头盔显示器上供用户观看。
 
在上述过程中,软件系统所要完成的任务,可以分为离线和实时两个阶段。在离线阶段需要对真实摄像机进行标定,同时计算头盔式显示器的畸变,生成畸变校正贴图。
 


对真实摄像机进行标定是为建立虚拟世界、设置虚拟景物服务的。绘制畸变校正图像主要是用来调整需要显示到头盔显示器上的图像,使它们在显示前产生桶形畸变,这样在经过头盔显示器的枕形畸变后,又会恢复到正常比例提供给用户观看。而且,在得到畸变校正贴图后,就可以将图像修正的工作放到GPU中进行,从而能在很大程度上减轻CPU的负担,提高系统的速度。
 
在系统实时运行过程中,一方面需要跟踪用户的头部运动,调整虚实摄像机的拍摄方向,另一方面需要采集虚实摄像机的图像,进行渲染和图像融合,最后输出供用户观看的图像。这两部分的软件相对独立,因此在不同的线程中进行。
 
目前增强现实还未普及和规模化发展,但其应用范围已经越来越广,从工业领域逐渐延伸到了医疗、娱乐、互动和游戏等诸多方面。现在已经有不少安防企业已经在进行视频监控技术与AR的有效融合,增强现实技术在安防监控中将发挥出极大的作用。


(来源:中国安防行业网)


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