AR視線追蹤技術(shù)的應(yīng)用研究

1、    ar視線追蹤技術(shù)的應(yīng)用研究    余斐斐米楠摘要：對于ar研究而言，視線追蹤是其技術(shù)的關(guān)鍵，我們在移動設(shè)備上整合計算機畫面與現(xiàn)實景象的能力正在發(fā)展之中，這種開發(fā)功能前景無限，它能拓展人類與周圍環(huán)境互動，從環(huán)境中學(xué)習(xí)以及娛樂的能力。關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；視線追蹤；應(yīng)用增強現(xiàn)實（augmented reality簡稱ar）技術(shù)是近年來的一個研究熱點，有著廣泛的應(yīng)用前景。它是對現(xiàn)實世界的補充，使得虛擬物體從感官上成為周圍真實環(huán)境的組成部分。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實（virtual reality簡稱vr）不同，增強現(xiàn)實只是實現(xiàn)對現(xiàn)實環(huán)境的增強，加深了對現(xiàn)實環(huán)境的感

2、受。在實際的ar體驗中，因為人的觀察視線會不斷地變化，ar系統(tǒng)需要實時的根據(jù)用戶的視場重新建立位置坐標系，進行追蹤。而視線追蹤技術(shù)就是實時地跟蹤用戶頭部的位置和視線方向，根據(jù)這些信息來確定虛擬物體在真實空間坐標中的位置，并將它實時地顯示在顯示器中的正確位置。一、視線追蹤技術(shù)及其特點（一）視線追蹤技術(shù)概述。視線追蹤也稱為眼動追蹤，它被認為是研究視覺信息加工的有效手段。利用專用設(shè)備來記錄學(xué)習(xí)者的眼球運動（eve-movement，簡稱眼動）情況，可以作為分析學(xué)習(xí)者內(nèi)部心理活動情況的依據(jù)。關(guān)于視線追蹤技術(shù)的研究己有較長歷史，目前它己在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如用于圖片廣告研究（網(wǎng)頁評估、設(shè)計評估等）

3、、動態(tài)分析（航空航天、體育運動、汽車、飛機駕駛等）、產(chǎn)品測試（可用性測試）、場景研究（商場購物、店鋪裝演、家居環(huán)境等）和人機交互等多個領(lǐng)域。此外，視線追蹤在智能計算機、智能家電、虛擬現(xiàn)實和數(shù)字游戲等領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。在眼動實驗研究中，當(dāng)被試對視覺信息進行提取時，其注視時間、注視次數(shù)、注視點序列、眼跳距離、回視次數(shù)、瞳孔直徑等通常被視為思維和心理加工的重要參數(shù)。因此，通過對被試在學(xué)習(xí)過程中的實時眼動信息進行觀測，可用于分析和引導(dǎo)其學(xué)習(xí)的依據(jù)。眼動模式一般分為三種：注視（fixation）、眼跳（saccade）和追隨運動（pursuit movement）。其中，持續(xù)一段時間、相對穩(wěn)定的眼

4、球運動稱為注視；眼球快速運動時導(dǎo)致視覺區(qū)域的聚焦點產(chǎn)生變化，這種行為稱為眼跳；眼睛緩慢、平滑地追蹤某個緩慢運動的目標，則稱為追隨運動。通過分析眼動模式和相關(guān)參數(shù)，可以獲得很多重要的信息。例如，眼跳速度會隨著疲倦程度的增加而降低，而隨著學(xué)習(xí)任務(wù)難度的增加而增加；眨眼速度和眼睛睜開程度的降低則可能意味著疲倦的加重。因此，可以據(jù)此來確定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)精神狀態(tài)，或?qū)ζ鋵W(xué)習(xí)過程進行分析，從而采取相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略或干預(yù)措施。（二）視線追蹤系統(tǒng)的類型及其特點。人眼的注視點主要由頭的方位和眼睛視線決定。頭的方位決定了人眼可能注視的范圍，眼睛的視線決定了注視點的精確位置。國內(nèi)外將視覺跟蹤技術(shù)按照借助的媒介分為硬件和

5、軟件兩種。以硬件為基礎(chǔ)的視線跟蹤的基本工作原理是利用圖像處理技術(shù)，通過攝像機攝入瞳孔反射的紅外線記錄視線變化，達到視線追蹤的目的。視線跟蹤裝置目前有穿戴式與非穿戴式，接觸式與非接觸式，如帶上專用頭盔、眼鏡或者頭部固定支架，置于頭部上的攝像機，這種情形用戶使用較不舒適。通過軟件實現(xiàn)的視線跟蹤方法，對用戶沒有干擾，首先利用攝像機獲取頭部、臉部或眼睛圖像，再經(jīng)過軟件分析對視線定位與跟蹤。由于不需要佩戴任何裝置，用戶的自由度舒適度較好。人與計算機交互是研究人與計算機之間溝通的技術(shù)，將視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等引入人機交互，提高了交互的自然性和高效性。視線追蹤技術(shù)同樣引發(fā)了人機交互系統(tǒng)的改

6、革，鼠標、觸控板的消失，及通過追蹤人眼視線，用眼神來操作電腦、輸入文字、玩游戲。二、視線追蹤技術(shù)在ar增強現(xiàn)實研究中的應(yīng)用（一）顯示技術(shù)。ar的簡單定義就是將計算機生成的虛擬數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實的生活場景中。這個“疊加”是需要通過顯示設(shè)備作為中介來實現(xiàn)。增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的顯示器可以分為頭盔顯示器（hmd）和非頭盔顯示設(shè)備。目前，一般的增強現(xiàn)實系統(tǒng)主要使用透視式頭盔顯示器。透視式頭盔顯示器主要由三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：虛擬信息顯示通道、真實環(huán)境顯示通道、圖像融合及顯示通道。其中，虛擬信息的顯示原理與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所用的浸沒式頭盔顯示器基本相同；圖像融合與顯示通道是與用戶交互的最終接口，根據(jù)其中真實環(huán)境的表現(xiàn)

7、方式，可分為基于ccd攝像原理的視頻透視式頭盔顯示器和基于光學(xué)原理的光學(xué)透視式頭盔顯示器兩類。光學(xué)透視技術(shù)是通過安裝在設(shè)備眼前的光學(xué)透鏡來呈現(xiàn)出真實和虛擬世界。首先計算機生成的虛擬信息經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)放大后反射后進入視野，透過透鏡又能直接看到現(xiàn)實場景，兩部分的信息匯聚到人眼的視網(wǎng)膜上實現(xiàn)ar的效果。視頻透視技術(shù)是借助安裝在頭顯上的攝像頭來捕捉獲取外部真實環(huán)境，計算機將數(shù)字模擬信息疊加到攝像機的視頻信號上，再將真實場景和虛擬場景進行融合。相比較光學(xué)透視技術(shù)，它的視角場更大，而且不受外界的強光干擾。不過一旦攝像機與用戶的視點不能保持完全重合，會產(chǎn)生一些偏差。（二）跟蹤注冊技術(shù)?；谟嬎銠C視覺的注冊技術(shù)

8、主要是指利用計算機視覺獲取真實場景的信息后，經(jīng)過圖像處理方面的知識來識別和跟蹤定位真實場景。細分可以劃為基于傳統(tǒng)標志的注冊算法和基于自然特征點無標志注冊算法?；谟嬎銠C視覺的注冊技術(shù)的精度較高，但是對計算量非常大，而且算法復(fù)雜，對系統(tǒng)的要求非常高。為了取長補短，得到更加精確的注冊結(jié)果，現(xiàn)在有結(jié)合兩種技術(shù)的混合注冊方法。通常是先由跟蹤傳感器大概估計位置姿態(tài)，再通過視覺法進一步精確調(diào)整定位。一般采用的復(fù)合法有視覺與電磁跟蹤結(jié)合、視覺與慣導(dǎo)跟蹤結(jié)合、視覺與gps跟蹤結(jié)合等。三、結(jié)論在國外，增強現(xiàn)實早已在醫(yī)學(xué)、遙操作、制造與維修、可視化與教育培訓(xùn)、娛樂、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。在國內(nèi)，不少單位和個人對增強現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù)和算法進行了研究，并且以牙科醫(yī)學(xué)、設(shè)備維修等許多背景得到了初步應(yīng)用研究。但國內(nèi)的研究目前仍多限于實驗階段，與國外的應(yīng)用水平還有一定距離。目前，隨著增強現(xiàn)實的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的研究方向，如新的顯示方式、照片真實感圖形繪制、調(diào)節(jié)現(xiàn)實、基于網(wǎng)絡(luò)的增強現(xiàn)實和針對戶外隨身增強現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)等等。其中涉及到的技術(shù)包括基于圖像的繪制（ibmr）、多通道信息融合、普適計算技術(shù)、顯示設(shè)備和跟蹤設(shè)備的隨身便攜化等。隨著系統(tǒng)性能的提高、操作過程的簡化和設(shè)備成本的降低，增強現(xiàn)實會在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。參考