基于andorid的增强现实系统的研究.docx
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基于andorid的增强现实系统的研究
编号：
审定成绩：
重庆邮电大学
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于Android的增强现实系统的研究
学院名称：
经济管理学院
学生姓名：
专业：
信息管理与信息系统
班级：
学号：
指导教师：
答辩组负责人：
填表时间：
年月
重庆邮电大学教务处
摘要
增强现实技术是将真实世界的信息和虚拟世界的信息通过一定的方式叠加形成信息量更大的展示界面的技术，达到了对现实世界信息的加强。
增强现实可以把原本在现实世界中人类能感知能力范围内很难体验到的真实信息（比如视觉,声音,味道,触觉等信息）,通过计算机等科学技术，模拟仿真后叠加到所取主观真实世界的信息中去，将真实的环境信息和虚拟的物体信息实时叠加到在同一画面或空间，再通过一定的显示手段使这些信息展示出来，使得人体能够感知与察觉，从而达到超越现实的增强现实的感官体验。
随着计算机技术的快速发展，增强现实技术在近年来发展势头强劲。
增强现实技术在多个领域中展露头角，并开始应用于智能手机终端，逐步在各种领域提供增强现实支持，带来灵动的用户体验，更实用也更人性化。
增强现实技术应用于Android是基于增强现实技术进来的高速发展和Android设备的爆发式普及。
基于计算机增强现实技术，整合现实取景图片，Android系统、智能终端平台，将虚拟场景与现实场景的信息叠加，使系统的应用得到扩大与加强，也使系统信息更直观、高效的传达。
从当下信息领域的发展趋势来看，随着人们对增强现实技术的应用于了解的加深，基于Android智能终端的增强现实系统会得到更多的发展。
【关键词】增强现实Android跟踪注册虚实结合
ABSTRACT
Augmentedrealityisthetechnologywhatputtheinformationoftherealworldandvirtualworldofinformationtogetherthroughacertainwayofstackingtoformmoreinformationdisplayinterface,strengtheningoftherealworld’sinformation.Augmentedrealitycanmakeoriginallyintherealworld,humanscanperceiveabilitywithinthescopeofdifficulttoexperiencetrueinformation（suchassight,sound,taste,touchandsoon）,throughthecomputerscienceandtechnology,suchasaftersimulationsuperimposedtothesubjectiveinformationofrealworld,therealenvironmentalinformationandreal-timeoverlayvirtualobjectsinformationtointhesamepictureorspace,andthenthroughacertainmeanstomaketheinformationdisplay,makehumanbodyperceptionandnotice,soastobebeyondtherealityofaugmentedrealitysensoryexperience.
Withtherapiddevelopmentoftechnologysmartphonesarehardwarewellfacilities,small-sizedandeasy-to-carry,whichmakesitmoreandmorepopular.Meanwhile,peoplehavehigherdemandsonthewayoflearningaboutattractivethingsratherthanbysearchingwithabrowsermerely.Inaddition,GPSandSensormodulesareintegratedintosmartphones,whichpromotesthedevelopmentofaugmentedrealitytechnology.Currently,moreandmoreresearchinstitutionsandfamousenterprisespayattentiontomobileaugmentedreality.
【keywords】augmentedrealityAndroidtrackingregisteredbricksCombinationofvirtualandreality
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论2
第一节研究背景2
第二节本文的结构与研究内容3
第三节当下增强现实系统研究现状4
一、国外增强现实系统的发展现状4
二、国内增强现实系统的发展现状6
第四节本文研究的意义8
第二章Android平台及增强现实介绍9
第一节增强现实技术概述及其在现实中的应用解析9
一、增强现实系统概述9
二、当下增强现实的主要应用领域与应用方式10
第二节Android平台介绍13
一、硬件开发平台13
二、软件开发环境14
第三节基于Android的增强现实系统的系统架构16
一、增强现实系统的特点16
二、增强现实系统的框架结构设计17
第三章增强现实系统关键技术18
第一节跟踪注册技术18
一、跟踪注册技术性能指标18
二、跟踪注册技术分类19
第二节人工标志设计20
第三节三维场景计算机图形学原理21
一、坐标系相关概念21
二、虚拟物体建模技术22
第四节标志跟踪注册23
一、标志跟踪注册概述23
二、图像采集23
三、图像预处理23
四、模版匹配24
第四章增强现实系统在机械维修的实现25
第一节系统实现27
一、视频流采集模块27
二、标志物检测识别29
三、虚拟场景渲染叠加29
四、多媒体信息加载30
五、人机交互模块设计实现31
第二节机械维修支持系统32
一、系统需求33
二、标志物选型和设计33
三、系统实现功能34
四、系统交互界面34
第三节本章小结35
第五章总结与展望36
第一节总结36
第二节展望36
致谢38
附录41
一、英文原文41
二、中文翻译49
前言
随着科技不断地快速进步，移动终端的硬件设施越来越完善，体积小和易于携带的优点，使得移动终端的普及率也越来越高。
而且随着物质生活水平的提高，对于感兴趣的未知事物，浏览器搜索方式似乎己经不能满足人们的需求。
此外绝大多数智能终端自身己经集成了GPS和传感器等功能完善的硬件模块，为增强现实技术的研究提供了硬件条件。
基于以上背景，基于移动智能终端的增强现实的应用研究逐渐得到越来越多研究机构和企业的重视。
本论文旨在基于目前比较流行的Android开源操作系统平台，深入探讨移动增强现实的相关技术，并结合位置服务，提出将位置导航服务与增强现实相结合的解决方案，实现基于Android终端的增强现实系统。
第一章绪论
第一节研究背景
近年来，增强现实技术的小型化、移动化取得了巨大的进步。
随着移动通信技术的发展和各类移动终端的普及，智能手机、平板电脑等移动互联网通用手持设备的硬件性能快速提升，移动设备操作系统平台逐步完善。
从硬件条件上，移动设备具有较快的计算处理能力、内置的摄像头以及彩色高分辨率的屏幕等特点能够较好的满足增强现实系统虚实结合、即时互动、三维注册的特点，加上其良好的触摸操作体验，手持移动设备已经成为增强现实系统良好的实现平台，研究基于Android的增强现实系统具有理论意义和很高的实用价值。
另一方面，这些设备体积小、携带方便、价格相对便宜，已经融入甚至改变了人们的工作和生活，移动增强现实系统的下一代研究将会把注意力转向小巧的、计算能力较强的手持移动设备上。
科学技术更新迭代的速度加快，智能终端普及率也越来越高，这也预示着移动互联网时代的到来。
移动互联网时代要求越来越多的传统技术向智能终端上转移，增强现实技术也是其中之一。
所谓这类增强现实系统在继承了增强现实的三大特点，即三维注册、实时交互和虚实结合的基础上，将增强现实应用于基于Android的移动智能终端，从而具有较高的可移动性，进而提高了实用性，扩大了增强现实的适用范围。
最早涉足移动增强技术的是哥伦比亚大学的StevenFeiner，他于1997年开发了一个为MobileAugmentedRealitySystem的用于导航的系统。
在此之后，增强现实的游戏也开始出现，这些游戏能够让用户在真实环境中参与游戏的互动，典型的包括南澳大利亚大学开发的Wearable《computerlab》和新加坡国立大学开发的《ARQuake》，以及现在流行的谷歌开发的《Ingress》。
然而，以上的系统都是基于个人计算机的，个人计算机和头盔显示器都使得增强现实系统有点笨重，非常不易于携带与推广，同时使用起来也并不方便轻松。
目前，由于移动智能终端，如手机和平板等小型计算机的处理性能越来越强大，同时其自身集成了GPS、图像采集和传感器等硬件模块，而且显示技术也愈加优秀，使得移动智能终端成为增强现实技术得以发展的理想平台。
由此可见，增强现实技术，特别是基于智能移动终端增强现实技术是一门很有发展潜力的技术。
当今，各种高性能的移动智能终端更是推动了这门技术的发展步伐，同时该项技术的发展也必将对移动智能终端的性能要求越来越高，从而促进终端的发展。
现在市场上智能移动终端主要操作系统包括Android与iOS两类，二者占据了智能移动终端的绝大部分市场，其中占据了智能手机96%份额、平板电脑市场占据了93%份额。
二者相比，虽然iOS的市场比例依旧超过半数，为市场的龙头，但相比之下Android的发展更加迅速，其不断的侵占iOS市场份额，越来越完善的系统隐隐有超过iOS的势头。
并且在系统的适用性与可移植性方面Android都超过iOS，同时因为Android的源代码开元，具有很强的可定制性，同时使用Android的智能移动终端价格低廉。
反观iOS，源代码不开元，系统闭塞，可移植性与定制性都远远低于Android，所以Android是非常理想的增强现实系统实现的平台。
基于Android的增强现实系统的出现定将会为人们的生活提供了很大的便利，具有很大的市场价值。
增强现实技术在Android平台上的应用最近两年发展迅速。
一方面，Android终端的便携性使增强现实技术能摆脱了像传统头盔式增强现实设备的束缚，是增强现实技术发展理想的平台，另一方面，增强现实在手机平台的应用也进一步拓展了Android平台的功能，有效提升了用户的使用体验。
目前，移动互联网厂商都对增强现实技术在Android平台上的应用给予了极高的重视，并且积极研发推动该技术的发展，普遍认为其有巨大的潜在商业价值。
而其在应用前景也非常广阔，高通（Qualcomm）2010年发布了Android设备上的增强现实软件开发套件SDK，并提供20万美元比赛奖金，鼓励开发人员为Android平台开发AR应用。
据中华人民共和国工业和信息化部（工信部）统计截止2012年3月底，中国移动电话用户达到101882万户，在这10亿多移动电话用户中，3G用户净增2364万户，总数达到15206万户。
人们对手机应用的多样性和增强现实服务的需求日益凸显。
基于Android平台的增强现实应用非常广泛，也非常具有实用价值，覆盖商业领域、教育领域、工程领域、乃至高科技领域和娱乐业。
第二节本文的结构与研究内容
本文是对基于Android的增强现实系统的研究，共分为五章，每章的主要内容介绍如下。
第一章是本文绪论部分共分为四小节，分别为研究背景、文章的结构与研究内容介绍、当下增强现实系统研究现状与文章研究的意义。
其中重要内容为当下增强现实系统研究现状与文章研究的意义，介绍了课题研究背景和研究意义，对增强现实技术的国内外发展动态进行了较为系统的介绍。
同时介绍了项目的工作内容以及本文的章节安排。
第二章对Android平台以及增强现实系统做了系统的介绍。
其中包括增强现实的内容含义、当下增强现实的主要应用领域与应用方式以及Android平台硬件、软件的开发环境，同时也对基于Android的增强现实系统的系统架构做了较为详细的描述，指出了其特点，并做了简单的系统搭建描述。
第三章主要内容是解释增强现实系统所需要的主要关键技术，包括跟踪注册技术、人工标志设计、三维场景计算机图形学原理以及标志跟踪技术。
重点是跟踪注册技术，在文中指出了其性能指标与技术分类。
同时也介绍了人工标志设计的规范，三维场景计算机图形学原理。
在标志跟踪注册中着重介绍了图像采集、图像的预处理以及模板匹配。
第四章是根据前三章的介绍下完成了增强现实系统在机械维修的实现，其中简述了系统的主要内容，包括视频流采集模块、标志物检测识别、虚拟场景渲染叠加、多媒体信息加载、人机交互模块的设计实现。
从理论上实现了机械维修系统，介绍了其系统需求，做出标志物选型和设计，同时完成了系统实现功能具体方法、设计出系统交互界面。
第五章包括了对全文的总结以及对增强现实技术未来发展的展望。
第三节当下增强现实系统研究现状
一、国外增强现实系统的发展现状
随着虚拟现实和增强现实技术的进一步发展，基于增强现实的应用基础研究成为一个重要的研究发展方向，显示出了其强大的发展前景。
1992年，美国北卡大学将超声波数据与病人的腹部成像集合，使外科医生可以“透视”病人的腹腔。
1993年，美国哥伦比亚大学的Feiners教授等人设计一个打印机增强现实维修支持系统（如图1.1），该维修支持系统可将有关技术说明叠加在激光打印机上，辅助技术人员完成维修任务。
在实际工程应用方面，应用于新设备、新器材的设计研发，机械保障的增强现实装配系统是增强现实技术的一个典型应用，其中有最有代表性的研究工作之一是波音公司的机上接线器和缆线的增强现实装配系统。
（如图1.1）
军事上各国军队数十年来一直在不同场合设计使用增强现实，美国海军研究所已经资助了一些增强现实研究项目。
其国防先进技术研究计划署（DARPA）已经投资了HMD项目来开发可以配有便携式信息系统的显示器，该增强现实系统可以为军队提供关于周边环境的重要信息，可以让士兵更加了解战场信息，把握战场主动性。
新加坡国立大学、芬兰VTT技术研究中心、德国FraunhoferIGD计算机图形学院等单位也在扩大增强现实系统的研究。
西班牙马德里Interactions工作室开发的增强现实魔术系统可以让用户与其身边的人交换头部影像。
新加坡国立大学Y.Pang和A.Y.C.Nee等人研究开发了一个面向装配设计、评价的增强现实环境系统，系统将真实零件和来自CAD环境的虚拟模型合成到一个统一的环境中进行装配规划。
系统利用数据手套等交互设备对虚拟对象进行选择和操作，基于碰撞检测机制对装配过程进行仿真，装配过程设计有约束运动引导，利用“虚拟磁力”来实现零件的最终精确定位。
德国FraunhoferIGD计算机图形学院先后展开了ARVIKA项目和ARTESAS项目研究，他们目前致力于研究基于工业产品的直线特征等进行无标志虚实物体注册方法，并在此技术基础上研究如何为装配师实时地提供与正在被装配对象相关联的上下文敏感的装配辅助信息，提高装配工作的正确性与效率，从而使汽车、飞机等复杂产品的装配过程更加高效、优化。
图1.1打印机增强现实维修支持系统与波音公司的增强现实装配系统
20世纪末到本世纪初，研究人员开始尝试在桌面PC等通用的设备上配置实现增强现实系统。
ARToolKit是早期研究比较常用的一种适用于桌面级的增强现实跟踪注册工具包，它最早是由日本教授HirokazuKato研制开发的，后来由华盛顿大学的HITLab（HumanInterfaceTechnologyLaboratory）等多个研究机构共同推进完善。
Kato最早将ARToolKit用于实现协作式AR（CollaborativeAR）的远程会议，该系统用户包含增强现实用户和桌面用户两类，均配有摄像头装置，前者佩戴头盔显示器在工作场地进行工作，通过网络连接将采集到的视频图像传送给后者，由桌面用户来指导增强现实用户工作。
随着PDA和智能手机处理能力的提高和性能的丰富，研究者开始探索将PDA和智能手机这类通用的、普及型较高的手持设备作为手持式增强现实的实现平台。
Wanger博士所在的奥地利ViennaUniversity和GrazUniversityofTechnology一直致力于研究手持式增强现实系统，其开发研制的StudierstubeES包括：
适用于智能手机和PDA的基于标记的跟踪库、二维图形渲染引擎和以分布式增强现实为目的的通信框架。
基于StudierstubeES框架，Wanger等人作了大量的应用研究。
2002年，Wanger将ARToolKit软件包移植到PDA上，实现了第一个由PDA独立完成所有增强现实处理任务的系统。
近年来，在更加普及的智能手机、平板电脑等手持设备上，基于增强现实技术的各种游戏以及应用不断涌现。
2010年，美国高通公司发布了针对移动平台的增强现实开发包VuforiaARSDK，其中集成了移动设备的图像采集接口以及增强现实系统开发的跟踪注册模块包。
VuforiaARSDK面向广大移动应用开发者免费使用，通过其可以非常方便的进行移动增强现实应用的开发。
二、国内增强现实系统的发展现状
增强现实技术从产生到现在已经取得了巨大的发展和进步，从初始阶段的理论探索到现在已经实现了相当规模的具体实践和应用。
在国内，增强现实的研究也越来越成为热点，具有代表性的成果包括像北京理工大学研制的透视式头盔及数字圆明园项目。
北京理工大学王涌天教授致力于通过增强现实技术完成对于圆明园的虚拟重建（如图1.2），让在园中散步时带上特殊的三维眼镜的用户可以欣赏当年皇家园林原貌，或者用手机、平板电脑等移动终端扫描二维码进行调出重现图（如图1.3），叠加在手机采集到的图像中。
北京航空航天大学教育部虚拟现实与可视化新技术实验室的集成分布式虚拟环境、浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统等。
清华大学计算机系也对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法。
增强现实维修支持系统的理论研究也取得了一些进展，例如赵新灿博士的论文增强现实维修诱导系统关键技术研究将可穿戴式辅助维修基本理论和增强现实技术相结合，对其中涉及的数字化维修核心技术进行深入的研究，开发了一种以维修人员为中心的人性化、智能化的维修辅助工具。
图1.2圆明园数字重现
图1.3供游客扫描的二维码
相比国外增强现实技术在国内发展比较滞后，但正因如此，增强现实系统具有很大的发展空间和发展潜力。
现在国内智能终端设备的普及，国内基于移动智能手机的增强现实应用也开始出现。
比较出名的有触景无限和XX地图等。
触景无限是一款类似于的增强现实应用，这款应用使用了当今比较火的云计算技术，涉及到的方面包括广告、搜索、游戏和社交等，能为人们提供时尚的生活方式。
图1.4触景无限界面
第四节本文研究的意义
由于传统的增强现实系统设备构造复杂、系统庞大等缺点，使其较难进入普通人的生活，无法被大量运用。
所以这类增强现实系统的应用范围受到了很大的局限。
而以智能手机、平板电脑为代表的智能移动设备很好的满足了增强现实系统所需要的所有必要的基本条件，在移动设备上研究实现增强现实系统具有很高的可行性，同时又具有必要性。
本文即致力于在目前移动设备发展迅速以及移动互联网络运用广泛的趋势硬件基础上，研究和实现通用的基于Android平台的增强现实系统。
通过对Android特性的研究验证在Android平台上实现增强现实系统的可行性与必要性，同时研究增强现实系统的一般设计实现流程，并通过这些研究设计出可行的基于Android的增强现实系统实现方案。
同时根据Android设备的硬件特性来进行诸如图像采集处理、场景注册等相关技术的探讨与优化实现。
通过研究设计和实现一般的基于Android的增强现实系统，对于方便人们生活和把握增强现实技术的发展方向有很重要的现实意义。
本文通过对增强现实系统的研究，探讨了构建基于Android的增强现实系统所需要的硬件条件、软件条件与技术支持，验证了基于Android的增强现实系统的高可行性。
一旦增强现实系统广泛应用于Android平台，将会对人们生活带来颠覆性的便利，会在一定程度上改变人们的生活习惯与思维方式。
比如汽车维修这一以往人们需要一段时间的学习才能掌握、使用的一种技能，当增强现实系统介入后或许人们就可以通过更新数据库来获得这一技能，这样大大缩短了人们对生活中一些技能的学习时间，甚至于可以不用学习，极大程度上方便了人们的生活。
通过把增强现实系统移植到Android平台上，将使得更多的人能接触运用到增强现实技术，将增强现实技术的能力更大的发挥出来，为更多的人服务。
若增强现实能得到广泛运用，必将带来巨大的社会效益与经济效益，改变现社会的各行各业，同时也必将带动社会的进步。
第二章Android平台及增强现实介绍
第一节增强现实技术概述及其在现实中的应用解析
一、增强现实系统概述
增强现实技术是建立在虚拟现实技术上的技术。
虚拟现实是通过多媒体技术与仿真技术相结合而成，生成逼真的视觉、听觉和触觉一体化的虚拟环境，让用户以类似于真实自然的方式与虚拟环境中的物体进行体验和交互，从而产生身临其境的感受和体验。
虚拟现实是把客观上存在的或并不存在的东西，运用计算机技术，在用户眼前生成一个仿真的虚拟的环境使人感到沉浸在虚拟环境中的一种技术。
增强现实是通过计算机技术处理，运用跟踪注册技术跟踪用户在真实场景中的位置，将计算机生成的虚拟信息叠加应用到真实世界的画面上，利用传感技术和显示设备将虚拟信息和真实世界统一在一个画面或空间内。
把原本在真实世界中一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、听觉和触觉信息等）叠加增强到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，给用户营造出“身临其境”的感觉。
二者之间具有紧密的联系，在很多应用领域都具有很大的相似性，然而另外在沉浸度、注册精度等方面二者间也存在着明显的区别。
虚拟现实技术立足于实现一个计算机生成的三维交互式虚拟场景，使用户在一定范围内完全沉浸于其中。
然而现实世界中的场景非常复杂，信息量十分巨大，要实现精确而又快速的模拟和描绘需要十分强大的硬件环境和传感器设备，此类设备往往昂贵且不容易获得，因而大大限制了其通用性、易用性，缩小了应用范围。
而且人们对虚拟场景的
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