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1、基于视觉的增强现实系统的研究 孙磊：（P2）增强现实技术(Augmented Reality,简称 AR)是 20 世纪 90 年代初兴起的一种计算机图形图像处理技术，它是将计算机产生的附加信息融合到使用者所看到的真实世界景象中，增强了使用者对真实场景的感知能力。由于其虚实结合的优点，在医疗、工业等领域得到具有广阔的应用发展前景。本论文的研究目的是将增强现实技术应用医疗外科手术导航中，使得医生能够医生在计算机屏幕上同时看到病人体表和内部的病灶组织，提高手术的完成质量。目前，我国在这方面的研究还处在起步阶段。 （P8）增强现实(AR) 是随着虚拟现实(VR)技术的发展而产生的，因此两者间存在着不
2、可分割的密切关系，增强现实(AR)系统采用了一些与虚拟现实(VR)技术相同的硬件技术，但两者最关键的不同之处8在于：虚拟现实是用软件模拟出的虚拟世界代替真实世界；而增强现实则是在真实世界的背景中加入补充的虚拟信息。可见，增强现实(AR)不仅继承了虚拟现实 (VR)的优点，同时又具有虚实结合的特点。它致力于把计算机带入到用户的真实世界中，允许用户在与实际对象交互的过程中，从计算机接收到关于这些对象的各种辅助信息。在医学应用中，增强现实系统可以利用计算机将人体结构解剖数据可视化处理，并将其虚拟物体影像实时准确地显示在一个患者身体的局部位置，这样外科医生通过显示器将同时看到患者身体的局部外形与其内部
3、解剖结构，帮助手术医生准确定位手术部位，提高其临床技能9-10。如果说，虚拟现实系统是试图把世界送入使用者的计算机，那么增强现实系统则是要把计算机带进使用者的真实的工作环境，从而在虚拟环境与真实世界之间的架起了一座桥梁。 （P10）1 4 增强现实技术的应用由于增强现实系统既有虚拟的成份，同时也有现实世界的真实环境，在虚拟环境与真实世界之间建立了桥梁，因此，增强现实技术具有广阔的应用发展前景。增强现实系统将成为一种新型的媒介，其应用领域主要有以下方面： 1医学领域：可以将通过 CT 或 MRI 扫描获得的人体透视三维图形叠加在相应的身体部位, 外科医生在给病人动手术的过程中，看到配准到病人身体
4、上的 CT 或者 MRI 图像,对手术过程进行指导。不仅如此，增强现实还可用于虚拟人体解剖图、虚拟人体功能、虚拟手术模拟、远程手术等，并且可以用于康复医疗23-25（P65）5.6.2 配准实验二：人头模型的配准配准实验一验证了验证了本文的虚实配准算法，在实验一的基础上，将三维人头模型作为研究对象，模拟手术过程，对虚拟人头模型与真实场景图像进行配准，并从不同角度对虚实图像进行配准。5.6.2.1 实验数据来源 虚实配准过程中需要的实验数据主要包括两个部分：虚拟模型的三维数据和真实场景的二维图像。计算机要重建出虚拟三维模型所需要医疗切片数据，本课题中采用的是 CT 数据；而真实场景图像是由摄像机
5、拍摄到的 768580 的 24 位的真彩色图像。5.6.2.2 实验过程与数据分析 1首先在人头模型上贴上 13 个特征点，分别位于人头的特征位置：下颚、鼻尖、脸颊两侧、耳朵、头顶等位置，如图 5-26 中圆圈标记所示，用序号 0 到 12 标记。2通过摄像机 A 和 B 构成的双目定位系统对 13 个标志点定位，进行10 次实验，获得图 5-26 中标记点 0-12 在真实空间中的三维坐标，10 次实验数据的平均值见表 5-16。 3摄像机 C 拍摄人头模型场景图像，对其拍摄的场景失真图像进行畸变校正。 4利用步骤 3 中立体定位出的标志点的 3D 坐标，结合摄像机 C 拍摄的图像坐标，完
6、成对摄像机 C 的标定，获得人头模型的三维空间点到摄像机成像平面的投影关系，使得人头表面的标志点配准到摄像机 C 拍摄的真实场景图像上，同时将虚拟模型上的其他所有点均与真实景像配准，最后将虚实配准的增强图像送到显示器，实现增强现实目的。 以下同样用距离误差方法分析标志点和标志点以外的其他任意点的配准情况，比较由变换矩阵计算得到的空间点的 2D 投影坐标和真实场景图像中对应点的实际 2D 坐标之间的距离误差，从而测试本文的基于视觉的虚实配准系统的配准精度，具体的距离误差计算公式见配准实验一中公式（5-2） 。增强现实应用技术研究_姚远（p18 ）是一个典型的交叉学科,它的研究范围十分广泛, 涉及
7、到诸如信号处理、计算机图形和图像处理、人机界面和心理学、移动计算、计算机网络、分布式计算、信息获取和信息可视化,以及新型显示器和传感器的设计等各个领域。系统不需要显示完整的虚拟场景,但是需要分析大量的定位数据和场景信息,以保证由计算机生成的虚拟物体可以精确的定位在真实场景中。以基于视频标记定位的系统为例,系统中一般都含四个基本的步骤如图获取真实场景信息对真实场景和场景位置信息进行分析生成虚拟景物合并视频或直接显示。这种方式首先利用视频流中的标志物获得场景位置信息。然后图形系统根据相机位置和从真实场景中获得的定位信息计算虚拟物体坐标到相机视平面的仿射变换,通过变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体。最后
8、依靠输出设备显示合成场景。输出设备、跟踪与定位技术、交互技术和真实与虚拟之间的合并技术是实现一个系统的基本支撑技术。(p106)当前技术所有研究都基本围绕于如何构造准确与高质量的虚拟一真实混合环境,以实现更加自然的人机交互界面。应用已经在医疗、工程、教育和娱乐领域显示出越来越广泛的应用前景。而提高环境的显示质量与降低的应用的开发难度是推动技术普及应用重要因素。本文前几章首先在系统阐述研究中基本技术和关键问题的基础上,从提高环境的显示质量入手,提出与场景的阴影生成方法和真实场景光源检测方法, 利用最基本的定位标记设备来实现虚拟物体与真实场景的一致性渲染。实际上,应用在设备配置、显示、稳定性和开发
9、过程的复杂性是阻碍技术普及和实用化的主要障碍。为解决这些问题,推动基于环境的交互系统在教育、娱乐和工业等领域中的普及应用,本文提出了基于场景管理的软件框架。以简化系统的设计和开发过程。智能隐形眼镜_健康的 _守护天使_刘霞另外，帕维兹研发出的这些隐形眼镜也能直接将图片显示在视线范围内，为佩戴者最终体验到增强现实（也被称为混合现实，指通过电脑技术将虚拟的信息应用到真实世界，使真实环境和虚拟物体实时地叠加到同一个画面或空间同时存在）创造出了平视显示效果。包含小型发光二极管（LED）阵列的隐形眼镜也使各种数字信息能通过眼镜直接向佩戴者显示。目前，手机上已经实现了这种增强现实，无数的软件应用程序将数字
10、信息重重叠叠地放置在展示我们周围环境信息的图片上，让物理世界和网络世界有效地交融在一起。然而，要想在隐形眼镜上实现这一点并不容易，不过，帕维兹的传感器基本做到了。现在，其实验室已经在隐形眼镜显示屏方面取得了进展，他们已经研发出红色和蓝色的微型 LED，只差绿色就齐全了；也制出了具有三维光学器件的眼镜，其外形类似于用来观看三维电影的护目镜。帕维兹打算将光学器件和 LED 结合在同一个隐形眼镜中，他表示，LED 将被组建成网格模式，当显示屏关掉时，也不会干扰正常视力。A Projection-based Medical Augmented Reality SystemJiann-Der Lee*,
11、 Hao-Che Lee, Chieh-Tsai Wu Shin-Tseng Lee(p1)In this paper, we present a projection-based medical augmented reality (AR) system for craniofacial application. With the aid of image registration and geometrical correction, the deformation of the projected image on a curved surface like cheek or foreh
12、ead can be successfully recovered. From the experimental result, it is shown that the overlapped target region is up to 98% after the correction process and this demonstrates the effectiveness of the proposed system. (p1)Nowadays, augmented reality technology has been widely used in medical applicat
13、ions because the target region of interest can be directly projected on the patientsbody. This kind of display manner is helpful for surgeons to verify the position of important targets, and then the accuracy of the operation is significantly increased. In past, some remarkable approaches were propo
14、sed to achieve this goal. For example, Fischer et al. 1 used a special tag board to obtain the relationships of world coordinate system and camera coordinate system, and then transform a Magnetic Resonance Imaging (MRI) from image coordinate system to world coordinate system and displayed it on the
15、computer screen. Bichlmeier et al 2 presents a method for the use of Augmented Reality (AR) for the convergence of improved perception of 3D medical imaging data (mimesis) to the patients own anatomy (in-situ) incorporating the physicians intuitive multisensory interaction by head-mounted display (HMD). However, it is uncomfortable for physicians to wear the HMD during the operation. In this approach, we use the projector to project the target tissue selected by the surgeon on the craniofacial Computed Tomography (CT) to achieve AR display. That is, the surgeon
