新型光学透射式头盔的标定方法研究

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1、北京理工大学硕士学位论文I新型光学透射式头盔的标定方法研究新型光学透射式头盔的标定方法研究摘要本文。 （摘要是一篇具有独立性和完整性的短文，应概括而扼要地反映出本论文的主要内容。包括研究目的、研究方法、研究结果和结论等，特别要突出研究结果和结论。中文摘要力求语言精炼准确，硕士学位论文摘要建议 500800 字，博士学位论文建议 10001200 字。摘要中不可出现参考文献、图、表、化学结构式、非公知公用的符号和术语。英文摘要与中文摘要的内容应一致。 ）关键词：形状记忆；聚氨酯；织物；合成；应用 （一般选 38 个单词或专业术语，且中英文关键词必须对应。 ）北京理工大学硕士学位论文IIAbstr

2、actIn order to exploit .Key Words: shape memory properties; polyurethane;textile;synthesis;application北京理工大学硕士学位论文III目录第 1 章 绪论 11.1 增强现实概论 11.2 增强 现实显示技术及研究现状 21.2.1 头盔式显示设备 21.2.2 手持式显示设 备 51.2.3 投 影式显示设备 8结论 67参考文献 68攻读学位期间发表的论文与研究成果清单 71致谢 72北京理工大学硕士学位论文1第 1 章 绪论1.1 增强现实概论增强现实（AR）是一种以计算机产生的附加信息来

3、增强用户视野中的真实世界的技术，可以让用户看到虚拟事物和信息与现实世界重叠的二维世界。增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，两者间有密切关系，但也有着显著的差别。虚拟现实是用虚拟化技术制造出一个完全虚拟的世界来取代现实世界，而增强现实是通过使用信息技术从而实现对现实世界的补充和增强。增强现实技术借助了计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给用户一个感官效果真实的新环境1。HRL 实验室 Azuma Ronald T曾经用三个词对增强现实的特征进行了定义，虚实结合、交互

4、技术和三维注册2，该定义得到了广泛的认可。增强现实是一个典型的交叉式学科，它的研究内容和涉及的领域十分广泛，其中显示技术、跟踪定位技术和交互技术是实现一个增强现实系统的关键技术。首先，由于虚实融合的最终效果是通过视觉通道实现的，几乎近 80%的信息是通过人眼获得的，能够实现虚实融合的显示技术也就显得十分重要，它是实现整个增强现实系统的关键之一。其次，要实现虚拟物体和现实场景的完美结合，必须将虚拟物体准确的叠加到现实世界中的正确位置，因此，增强现实系统中的跟踪定位系统必须能够实时的检测观察者在场景中的位置、视域的方向以及运动情况，以便系统按照观察者的视场建立坐标系并显示虚拟物体，其中，三维跟踪注

5、册的精度是衡量增强现实系统性能和实用性的关键指标。此外，增强现实技术的主要特征是实现用户与真实场景中的虚拟物体之间更自然的交互，随着显示设备的多样化以及增强显示应用领域的扩展，增强现实系统对人机交互的要求也越来越高。增强现实技术的研究始于上世纪九十年代初，随着增强现实的不断发展，近几年增强现实系统相继应用于工业、医疗、军事、建筑、文物古迹保护、制造与维修、娱乐等许多不同的领域。增强现实技术有着巨大的发展前景和应用潜力，正逐步引起人们的关注。1.2 增强现实显示技术及研究现状随着增强现实的发展，采用的显示设备呈现出多样性发展趋势。显示设备是一种计算机接口设备，将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现

6、给用户一个感官效果真实的新环境。Oliver Bimber 3根据显示设备及其显示方式的不同，把增强现实显示方式分为头盔式显示、手持式显示和空间式显示三种。图 1.1 增强现实显示方式分类1.2.1 头戴式显示设备头戴式显示设备一般需要用户在头部佩戴显示系统，根据图像产生的方式不同，头盔式显示设备主要分为三种：视网膜显示设备、头盔式显示设备以及头盔式投影显示设备。1991 年，华盛顿大学的 HIT 实验室提出了虚拟视网膜显示（ VRD）技术，基于该技术的显示设备是利用弱能量激光和微机电装置扫描图像，再由计算机根据需要控制图像的特征，如改变图像的大小和视距等，最后直接成像在人眼的视网膜上。视网膜

7、显示系统主要包括受调制的低功率光源、水平和垂直扫描系统以及投影光学系统。视网膜显示设备所需的功率远低于一般的常规显示器，其光源的输出功率是纳瓦量级，这就使得整个成像系统与电源的体积比较小，因此视网膜显示设备一般体积小、重量轻。此外，视网膜显示器一般生成的图像质量较高。视网膜显示设备的系统原理如下图所示。北京理工大学硕士学位论文2图 1.2 视网膜显示系统原理图虽然视网膜显示器这一概念是在 20 多年前提出的，但直到近些年来随着各种技术的进步才让视网膜显示设备变得可行。2003 年，美国公司 Microvision 推出了一款名为“Nomad”的增强现实显示系统4，其中的显示器运用了视网膜显示技

8、术，整个显示设备与腰部佩戴的用于通信的无线设备配合使用，该显示系统如下图（a）所示。2010 年，日本兄弟公司发布了一款名为“AirScouter”的增强现实眼镜5。 “AirScouter”增强现实眼镜是在普通眼镜的镜片上附加微型的视网膜显示器构成的，该装置能够捕捉视网膜运动并进行投影，让观察者除了能看到周围的真实场景之外还看到叠加的增强信息。该款眼镜完美的诠释了视网膜显示器的优点，它在体积和重量方面都缩减了许多，更加轻巧，如下图（b）所示。此外，2011 年，日本兄弟公司计划推出新的视网膜显示器产品。（a） （b）图 1.3 典型的视网膜显示系统头盔式显示设备是目前增强现实系统的主要显示设

9、备，它是一种戴在用户头部，为使用者产生可视图像的小型显示装置，具有较强的显示效果和沉浸感。增强现实系统中主要使用透视式头盔显示器来实现虚拟信息与真实环境的混合显示，它由三个基本环节构成：虚拟信息显示通道、真实环境显示通道、图像融合及显示通道。根据对真实环境表现方式的不同，一般把透视式头盔式显示器分为两种：基于摄像原理的视频透射式头盔显示器（VSTHMD）和基于光学原理的光学透射式头盔显示器（OSTHMD） 。这两种头盔的显示特性是不同的，各有优缺点，它们分别适用于不同的使用环境中1 6 7。光学透视式头盔显示器是利用光学原理，在使用者眼前安装光学合成器。光学合成器是半反半透的光学元件，所以使用

10、者可以直接透过光学合成器看到外界的真实场景，也可以看到反射进入人眼的的计算机生成的虚拟图像或信息，光学透射式头盔显示器能够显示几乎完整的真实场景。图1.4 展示了光学透射式头盔显示器的增强现实系统结构。图 像 信 号 源 电 子 驱 动 器水 平 和 垂 直扫 描 器调 制 光 源转 像 光 学 系 统眼 睛北京理工大学硕士学位论文3图 1.4 光学透射式头盔显示器增强现实系统而视频透射式头盔显示器由安装在使用者头盔上的微型摄像机摄取外部真实环境的图像，计算机通过计算生成虚拟的信息或图像信号，通过视频信号融合器实现计算机生成的虚拟场景与真实场景融台，最后在显示器上显示输出，呈现给用户。视频透射

11、式头盔显示器的虚实融合的精确度较高。图 1.5 展示了视频透射式头盔显示器的增强现实系统结构。图 1.5 视频透射式头盔显示器增强现实系统目前市场上已经有较多的头盔式显示器，其中生产视频透射式头盔显示器的机构有 Virtual Research 公司、Cybermind 公司、 Tek-Gear 公司、I-O Display Systems 公司等。图 1.4 的分别展示了 Virtual Research 公司的 VR8，它的显示器采用 640*3*480 像素的 LCD，对比度达到 200:1, 对角线视场为 60，刷新频率为 60Hz。Cybermind 公司的 Cybermind Vi

12、sette45 SXGA，它的分辨率可达 1280* 1024，对角线视场为 45，刷新频率为 60Hz。EMagin 公司的 eMagin Z800 3Dvisor，它显示器采用 800*3*600OLED 屏幕，对比度大于 200:1。(a) VR8 (b) Cybermind Visette45 SXGA (c) eMagin Z800 3Dvisor图 1.6 典型的视频透射式头盔显示器下图为两种光学透射式头盔显示器分别为 Rockwell Collins 公司的 ProView XL50STm 头盔显示器，它的显示器的分辨率可达 1024*768，视域为 47*26，重量为 800g

13、。Sony 公司的Glasstron PLM-A55 头盔显示器，分辨率为 800*255，视场角为 30*22.5 ，它的重量仅为150g。北京理工大学硕士学位论文4(a) ProView XL50STm (b) Glasstron PLM-A55图 1.7 典型的光学透射式头盔显示器头盔式投影显示设备是通过利用分光镜把微型投影仪的投影内容反射到观察者前面的表面上，它具有较大的视场。由计算机生成的虚拟图像显示在微型显示器上，虚拟图像通过投影光学系统成像后，光线被分光镜（与光轴程 45放置）反射到自反射屏（Retro-reflective Screen，能使入射到其表面的光线按原路返回）后按原

14、路返回，再次到达分光镜，光线透过分光镜后到达观察者的眼睛处，外界的场景也透过分光镜进入人眼，实现虚拟信息和真实场景的叠加。图 1.8 头盔式投影显示系统原理图1997 年，Fergason 首次提出了头盔式投影显示器的概念，并申请了专利 8。2000 年之后，Hong Hua 等人设计制作了头盔式投影显示器并对头盔式投影显示器在增强现实环境中的应用进行了详细的研究9 10，他们设计制作的显示器如下图所示。图 1.9 典型的头盔式投影显示系统1.2.2 手持式显示设备在一些增强现实系统中采用了手持式显示设备。手持式显示设备是一种平面 LCD 显示设备，它一般使用内置摄像头实时采集视频图像，并在显

15、示这个真实环境信息之前把要增强的信息叠加在上面，一起显示出来。这种显示设备能够让使用者随身携带，提高了便携性，但是用户的沉浸感弱，而且使用者需要手持这种设备，限制了用户的行动。美国华盛顿大学人机界面技术实验室的 Mark Billinghurst 等人设计了一个基于手持式显示设备的增强现实系统MagicBook11，在该系统中采用了一种基于视觉的跟踪注册技术，将虚拟信息叠加到真实环境中的书籍上，使用者在看书上文字的同时就能看到书中所描述的场景模型，辅助使用者进行理解，该系统允许多用户协同工作，系统外形和使用情况如下图所示。分 光 镜 投 影 光 学 系 统眼 睛微 型 显 示 器自 反 射 屏

16、北京理工大学硕士学位论文5图 1.10 MagicBook 增强现实系统中的手持式显示设备随着移动技术的发展，手机、PDA 等移动设备功能的越来越强大，人们对手持式增强现实的应用研究，尤其是基于手机的增强现实系统越来越多。下图（a）为首次实现的能独立运行在移动设备上的增强现实应用系统，它是通过将 ARToolKit 软件包移植至 Window CE 平台实现的12。（b）所示为一种采用 Nokia 手机作为手持设备的交互式乒乓球游戏系统，这种系统是通过将ARToolKit 标志点移植到 Symbian 操作系统实现的13。 （a） （b）图 1.11 基于手机的手持式显示设备1.2.3 空间式显示设备空间式显示设备是一种完全与观察者脱离而与环境结合起来的设备。它分为三种：基于屏幕的