2-基于增强现实技术的圆明园景观数字重现

第22卷第2期 系

统 仿 真 学 报© V ol. 22 No. 2

2010年

2月 Journal of System Simulation Feb., 2010

基于增强现实技术的圆明园景观数字重现

陈 靖1，王涌天1，林精敦1，郭俊伟1，刘 伟1，丁刚毅2

(1.北京理工大学光电工程系，北京 100081; 2.北京理工大学软件学院，北京 100081 )

摘 要：提出基于关键帧匹配的增强现实跟踪注册算法，实现圆明园大水法遗址的数字重现。并采用随机树的方法将特征点的匹配问题转化为特征模式分类问题，解决图像间的宽基线特征匹配。基于该算法构建出基于视频透视式头盔显示器的移动增强现实系统。实验验证表明，该方法具有实时、鲁棒，适用于户外跟踪注册。

关键词：户外增强现实；跟踪定位；随机树；特征匹配

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 02-0424-05

Digital Reconstruction of Yuan Ming Yuan Based on Augmented Reality Technology

CHEN Jing 1, WANG Yong-tian 1, LIN Jing-dun 1, GUO Jun-wei 1, LIU Wei 1, DING Gang-yi 2

(1. Department of Optical Electronic Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;

2. School of Software, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract: A keyframe based augmented reality registration algorithm was proposed applying for the digital reconstruction of the Yuanmingyuan heritage site. Randomized tree method was used to solve the wide-baseline matching of keypoints extracted from the input image to those keyframes as a classification problem. A video see-through mobile augmented reality system was built to test this algorithm. Experimental test demonstrates that this algorithm is real-time, robustness and effective for outdoor tracking.

Key words: outdoor augmented reality; camera tracking; randomized tree; feature matching

引 言

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是在虚拟现实（Virtual Reality ，即VR ）技术基础上发展起来的一种新兴计算机应用和人机交互技术。它借助光电显示技术、交互技术、多传感器技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实场景相融合，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实场景的组成部分[1]

。与沉浸式虚拟现实不同，增强现实技术主要是在已有的真实世界的基础上，为使用者提供一种全新的感官复合的视觉效果，以扩展人类认知、感知世界的能力。增强现实技术不仅具有真实感强、建模工作量小的优点，而且更加安全可靠。因此该技术在教学培训、医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、远程机器人控制、军事和文物古迹数字重现等领域有着更为广泛和深远的应用前景[2-5]。

圆明园是我国著名的历史文物古迹遗址，也是中国近代史的最好见证。圆明园既有横平淡雅之古意，又有富丽堂皇之壮观，号称万园之园。但是圆明园在1860年遭到英法联军的入侵，所有一切付之一炬，目前只留下断壁残垣与后人。多

收稿日期：2008-05-02 修回日期：2008-07-11

基金项目：国家高技术发展计划(863计划) (2007AA01Z325)；国家自然科学基金 (60903070、60673198、60827003)；教育部长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0606)。

作者简介：陈靖(1974- )，女，副研究员，研究方向为增强现实和虚拟现实、三维结构重建；王涌天(1957- )，男，教授，研究方向为增强现实，计算机视觉，光学设计。

年来，圆明园在如何保护，如何复原等问题上一直存在争议。

随着AR 技术的不断发展和完善，将AR 技术应用在文物古迹的保护和复原上不仅耗资小，而且见效快。能够在最大限度完整保存遗址风貌的基础上，全面、立体、实时的再现文物遗址的历史原貌。近年来，欧洲、美国的一些著名研究机构在此方面进行了初步的探索和研究。2001年希腊多家研究机构和政府部门成立了联合开发小组设计开发Archeoguide 系统[6]，

用于对希腊古遗址如太阳神庙的数字增强再现。瑞士日内瓦大学的MIRALAB 实验室也在古遗址以及古代人物情景的数字化增强再现方面做出了突出的研究成果[7]。

在增强现实领域，国内的起步较晚。目前国内的北京理工大学、浙江大学、华中科技大学以及武汉大学均在该领域进行了初步的探索和研究工作[8-10]。然而，在户外增强现实跟踪定位方面较少有人涉及。与户内增强现实系统的跟踪注册技术相比，户外AR 系统对跟踪注册算法的速度、稳定性以及鲁棒性提出了更高的要求。这是由于真实环境中存在许多随时间变化的因素和噪声，如光照强度随时间的变化、人或运动物体对场景画面带来的改变，以及特征点被遮挡或短暂地移出视野之外的时候，都会在不同程度上影响跟踪注册的精度和稳定性。要实现基于增强现实技术的圆明园古迹数字重现，则必须要克服户外跟踪注册技术的难点。

本文根据圆明园大水法景观的特点，提出基于关键帧匹配的增强现实跟踪注册算法。针对关键帧匹配中的宽基线特