面向室内家具布置的增强现实移动终端系统设计与实现
增强现实是二十世纪九十年代推出的在电子产品上将真实与虚拟进行叠加的技术，发展到现在国内外已经出现了为数不少的相关产品。目前家居设计更多地是使用三维设计软件来实现家具的摆放与居所的设计。利用增强现实技术实现家居布置可以让人们更加便捷地在电子产品上不受时空限制地布置自己想要的家居。本文利用ARToolkit增强现实技术结合三维模型的展示实现了虚拟家具的展现。首先用测试的方法使用已有的模版文件标定课题所用的不同情况下的摄像头，之后的实验应该在相同的光照及空气条件下进行；按需决定是否需要自定义标识；接下来追踪默认或者自定义的标识，识别标识后把预先加载的三维模型渲染到标识物上；在用户退出之前追踪与加载都在循环执行。实验结果表明，在识别到的标识上能渲染三维家居模型。
目 录
第一章 引言 4
1.1课题意义 2
1.2 课题背景 3
1.3 国内外研究现状 4
1.4 研究内容 5
第二章 智能家居增强现实系统设计 6
2.1 图像捕捉设计 6
2.2 三维模型嵌入图像设计 7
2.3小结 7
第三章 智能家居增强现实系统实现 8
3.1 实现过程 8
3.3 小结 16
第四章 实验结果 17
4.1 VS环境配置 17
4.2 设置视频流获取参数 19
4.3 载入标识 20
4.4 实验结果 20
第五章 结论 21
图表目录
图 1.1 智能家居示意图 2
图 1.2 MonitorBased增强现实系统实现方案 4
图 2.1 图像捕捉设计流程图 6
图 2.2 三维模型嵌入图像设计 7
图 3.1 Calib_dis.pdf文件 8
图 3.2 Calib_cparam.pdf文件 8
图 3.3 使用矩形包含点 9
图 3.4 不同角度的点阵图 10
图 3.5 另一个角度的点阵图 10
图 3.6 检查标定图 10
图
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.7 另一张标定图 10
图 3.8 网格图水平线的标定 11
图 3.9 网格图竖直线的标定 12
图 3.10 网格图标定完成 12
图 3.15 标识物 13
图 3.16 二值后的标识物 13
图 3.17 寻找Marker 13
图 3.18 边框 13
图 3.19 准备开始嵌入三维物体 13
图 3.20 嵌入三维物体 13
图 3.21 算法流程图 14
图 4.1 VS中项目属性的配置1 17
图 4.2 VS中项目属性的配置2 18
图 4.3 VS中项目属性的配置3 18
图 4.4 设置参数 19
图 4.5 载入标识 19
图 4.7 实验结果 20
第一章 引言
1.1课题意义
智能家居是伴随着国家大力推动的物联网的兴起与发展而火热起来的一个概念。其概念早在二十世纪九十年代或者更早就已经出现雏形，在国内厂商的推动与人们对家居更高的要求的合力的推动下，近几年国内的智能家居不管在理念还是成果上都有了长足的进步。智能家居是一种相对优秀的寓居环境，它集视频监控、智能防盗报警、智能照明、智能电器管制、智能门窗管制、智能影音管制于一体，在配套的软件的相关管理与控制下，经平板电脑、智能手机和笔记本电脑等电子设备，能够不受距离限制地即时或者回放观看家里的监控画面，实时操控家里的灯光、窗帘、电器等能够联网的物件。简略地说，安装了智能家居之后，家里的一切能够连到互联网的电器都可以经过联网的手机或电脑一键操控，使家庭生活更加安全、节能、智能、便利和舒适。[1]
图 1.1 智能家居示意图
如图1.1所示，智能家居通常由两部分组成：用户的控制端与室内的联网家具或电器。鉴于目前智能移动设备的发展迅速，用户所使用的控制端大多是使用智能手机或者平板电脑，这为用户提供了诸多便利。房屋内的各个开关只要能联网就可以被用户远程控制。目前智能家居的控制中心大多是由智能路由器担任。用户控制电器就不再受时间与空间的限制。
把增强现实适配到智能家居上可以为用户提供更多的选择余地。本课题使用ARToolkit增强现实技术把用户需要的三维家居模型加载到自定义或默认的模版上。
1.2 课题背景
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。 简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。[12]
增强现实大部分的功能与原理都是由计算机图形学辅助完成的，因而计算机图形学对于本课题所使用的增强现实系统就特别重要。增强现实技术，它是一种将我们所生活的世界信息和虚构世界信息“无缝”集成的新技术，是交互设计的一个令人兴奋的领域，在增强现实中虚拟内容可以无缝地整合到真实场景的现实中，是对真实世界的一种补充。随着可产生有趣的增强现实效果的个人移动设备的兴起，增强现实的巨大潜能开始被发掘出来。多个趋势正导致增强现实行业的爆炸式增长。其中一个明显的趋势是计算机视觉技术的稳步提高，这个技术可以让开发者实现更加细小的、更加不明显的、更加粗糙的标记的识别。甚至实现完全不需要标记的增强现实技术。另一个趋势是用于实现增强现实的显示技术的快速提高，包括头戴式显示器和基于投影的显示器，以及手持移动设备。[1]
一个完备的增强现实系统是由一组紧密相接、实时起作用的硬件部件与相关的软件程式协同实现的，主要有三种组成形式：1.光学透视式。2.视频透视式。3.MonitorBased。本课题主要用的是第三种方式。
MonitorBased增强现实系统实现方案如下图所示。
图 1.2 MonitorBased增强现实系统实现方案
目前的增强现实平台与软件主要有国内的中视典数字科技有限公司开发的VRP（Virtual Reality Platform，简称VRPlatform或VRP）即虚拟现实平台、美国高通公司推出的vuforia开发套件、德国的metaio开发组件。开发环境以Unity3D和VS系列为主。VRP是直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，它所有的操作都是以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。不过需操作者有良好的3DMAX建模和渲染基础，对VRPLATFORM平台稍加学习和研究就可以很快制作出自己的虚拟现实场景。Vuforia,是高通的AR解决方案，使用Vuforia需要在Vuforia的网站上进行Target Manage（图像预处理）。Vuforia支持立体贴图（铅块，立方体，圆台），使用的时候需要自己先上传图片，等待Vuforia的网站处理好后下载下来给应用程序使用。Vuforia识别度不高，经测试传了10多张都没成功。最成熟的是metaio的sdk，下载安装后就可以直接在unity里运行example，丰富的教学资源。免费(限制+水印) 与付费授权相结合。
目 录
第一章 引言 4
1.1课题意义 2
1.2 课题背景 3
1.3 国内外研究现状 4
1.4 研究内容 5
第二章 智能家居增强现实系统设计 6
2.1 图像捕捉设计 6
2.2 三维模型嵌入图像设计 7
2.3小结 7
第三章 智能家居增强现实系统实现 8
3.1 实现过程 8
3.3 小结 16
第四章 实验结果 17
4.1 VS环境配置 17
4.2 设置视频流获取参数 19
4.3 载入标识 20
4.4 实验结果 20
第五章 结论 21
图表目录
图 1.1 智能家居示意图 2
图 1.2 MonitorBased增强现实系统实现方案 4
图 2.1 图像捕捉设计流程图 6
图 2.2 三维模型嵌入图像设计 7
图 3.1 Calib_dis.pdf文件 8
图 3.2 Calib_cparam.pdf文件 8
图 3.3 使用矩形包含点 9
图 3.4 不同角度的点阵图 10
图 3.5 另一个角度的点阵图 10
图 3.6 检查标定图 10
图
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.7 另一张标定图 10
图 3.8 网格图水平线的标定 11
图 3.9 网格图竖直线的标定 12
图 3.10 网格图标定完成 12
图 3.15 标识物 13
图 3.16 二值后的标识物 13
图 3.17 寻找Marker 13
图 3.18 边框 13
图 3.19 准备开始嵌入三维物体 13
图 3.20 嵌入三维物体 13
图 3.21 算法流程图 14
图 4.1 VS中项目属性的配置1 17
图 4.2 VS中项目属性的配置2 18
图 4.3 VS中项目属性的配置3 18
图 4.4 设置参数 19
图 4.5 载入标识 19
图 4.7 实验结果 20
第一章 引言
1.1课题意义
智能家居是伴随着国家大力推动的物联网的兴起与发展而火热起来的一个概念。其概念早在二十世纪九十年代或者更早就已经出现雏形，在国内厂商的推动与人们对家居更高的要求的合力的推动下，近几年国内的智能家居不管在理念还是成果上都有了长足的进步。智能家居是一种相对优秀的寓居环境，它集视频监控、智能防盗报警、智能照明、智能电器管制、智能门窗管制、智能影音管制于一体，在配套的软件的相关管理与控制下，经平板电脑、智能手机和笔记本电脑等电子设备，能够不受距离限制地即时或者回放观看家里的监控画面，实时操控家里的灯光、窗帘、电器等能够联网的物件。简略地说，安装了智能家居之后，家里的一切能够连到互联网的电器都可以经过联网的手机或电脑一键操控，使家庭生活更加安全、节能、智能、便利和舒适。[1]
图 1.1 智能家居示意图
如图1.1所示，智能家居通常由两部分组成：用户的控制端与室内的联网家具或电器。鉴于目前智能移动设备的发展迅速，用户所使用的控制端大多是使用智能手机或者平板电脑，这为用户提供了诸多便利。房屋内的各个开关只要能联网就可以被用户远程控制。目前智能家居的控制中心大多是由智能路由器担任。用户控制电器就不再受时间与空间的限制。
把增强现实适配到智能家居上可以为用户提供更多的选择余地。本课题使用ARToolkit增强现实技术把用户需要的三维家居模型加载到自定义或默认的模版上。
1.2 课题背景
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。 简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。[12]
增强现实大部分的功能与原理都是由计算机图形学辅助完成的，因而计算机图形学对于本课题所使用的增强现实系统就特别重要。增强现实技术，它是一种将我们所生活的世界信息和虚构世界信息“无缝”集成的新技术，是交互设计的一个令人兴奋的领域，在增强现实中虚拟内容可以无缝地整合到真实场景的现实中，是对真实世界的一种补充。随着可产生有趣的增强现实效果的个人移动设备的兴起，增强现实的巨大潜能开始被发掘出来。多个趋势正导致增强现实行业的爆炸式增长。其中一个明显的趋势是计算机视觉技术的稳步提高，这个技术可以让开发者实现更加细小的、更加不明显的、更加粗糙的标记的识别。甚至实现完全不需要标记的增强现实技术。另一个趋势是用于实现增强现实的显示技术的快速提高，包括头戴式显示器和基于投影的显示器，以及手持移动设备。[1]
一个完备的增强现实系统是由一组紧密相接、实时起作用的硬件部件与相关的软件程式协同实现的，主要有三种组成形式：1.光学透视式。2.视频透视式。3.MonitorBased。本课题主要用的是第三种方式。
MonitorBased增强现实系统实现方案如下图所示。
图 1.2 MonitorBased增强现实系统实现方案
目前的增强现实平台与软件主要有国内的中视典数字科技有限公司开发的VRP（Virtual Reality Platform，简称VRPlatform或VRP）即虚拟现实平台、美国高通公司推出的vuforia开发套件、德国的metaio开发组件。开发环境以Unity3D和VS系列为主。VRP是直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，它所有的操作都是以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。不过需操作者有良好的3DMAX建模和渲染基础，对VRPLATFORM平台稍加学习和研究就可以很快制作出自己的虚拟现实场景。Vuforia,是高通的AR解决方案，使用Vuforia需要在Vuforia的网站上进行Target Manage（图像预处理）。Vuforia支持立体贴图（铅块，立方体，圆台），使用的时候需要自己先上传图片，等待Vuforia的网站处理好后下载下来给应用程序使用。Vuforia识别度不高，经测试传了10多张都没成功。最成熟的是metaio的sdk，下载安装后就可以直接在unity里运行example，丰富的教学资源。免费(限制+水印) 与付费授权相结合。
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