本文關鍵詞：海洋環(huán)境移動增強現(xiàn)實混合三維注冊方法研究與應用　出處：《上海海洋大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展,海洋災害、海洋生態(tài)、海洋環(huán)境等問題給海洋科學的研究提出了許多具有挑戰(zhàn)性的課題,這些問題需迫切得到解決,然而受我國海洋實情的制約,廣大海洋科研人員缺乏充足的海洋數(shù)據(jù),許多的研究工作無法順利開展。因此,要打破這種僵局,我國應該大力加強和完善海洋監(jiān)測能力建設,發(fā)展先進的海洋監(jiān)測新技術來大量獲取第一手豐富的海洋數(shù)據(jù),從根本上加強我國海洋科技的研究基礎。近海視頻監(jiān)測方式相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方式具有成本低、適應性強、覆蓋域廣等優(yōu)勢,可及時了解近海動態(tài)變化的海況,但僅能顯示肉眼能識別的基本海況,更為復雜的海洋信息需作后期處理;ROMS(Regional Ocean Model System)區(qū)域海洋模式作為一個新興的海洋模式系統(tǒng)正被廣泛應用于物理海洋、海洋地質(zhì)、海洋聲學等方面,其中物理海洋的應用可以預報海洋流場反映海洋流場基本要素,但其信息展示不如視頻監(jiān)測便捷、直觀。因此,本文將移動視頻監(jiān)測方式與海洋流場預報信息相結(jié)合,利用當前流行的增強現(xiàn)實(Augmented Reality,簡稱AR)技術衍生出應用于海洋環(huán)境下的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng),直觀、動態(tài)反映較為復雜的海況。增強現(xiàn)實系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接取決于三維注冊的精度,三維注冊作用是檢測用戶所處的位置和視線方向,計算機由位姿信息計算虛擬信息在實際三維空間中的位置,虛擬信息實時疊加在視頻序列上,從而增強視覺體驗。主流的三維注冊方式分為兩種:基于計算機視覺和基于傳感器,基于計算機視覺注冊方式的匹配精度較高、不需要借助其他的硬件傳感器,但是圖像匹配算法較復雜,系統(tǒng)延遲性高、魯棒性弱等;基于傳感器的三維注冊方式具有跟蹤速度快、魯棒性好等特點,但該三維注冊方式受傳感器精度影響較大,使得跟蹤注冊的精度不高。因此,單一三維注冊方式的增強現(xiàn)實技術無法應對現(xiàn)實環(huán)境的復雜性,在注冊精度和實效性上都受到限制,實際場景的應用需要綜合各種跟蹤定位方式來實現(xiàn),這種綜合多種跟蹤定位的方式稱為混合三維注冊。為此,本文所做的主要工作為:1、針對單一三維注冊方式很難解決海洋環(huán)境AR系統(tǒng)中跟蹤注冊的問題,提出了融合智能手機AGPS、電子羅盤和加速度傳感器測定視線方向的多傳感器注冊與基于海天線特征標識的視覺跟蹤注冊的混合注冊方法,以海天線標識輔助校正傳感器測量的姿態(tài)角以提高三維注冊精度。2、針對洋山港附近海域海面和天空對比度低的問題,本文提出了基于相位編組的Hough變換海天線提取算法來彌補單一Hough變換算法識別低對比度直線段能力弱的不足。3、以真實海洋環(huán)境及海洋數(shù)值預報為例,提出了適應海洋動態(tài)環(huán)境的增強現(xiàn)實框架,利用Android實現(xiàn)了原型系統(tǒng),并對混合注冊方法進行了驗證。通過混合三維注冊方式與單一傳感器三維注冊方式的精度對比分析以及系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)傳輸效率測試,結(jié)果表明,此技術框架及混合三維注冊方法有較強的可用性和實用性,在海洋動態(tài)環(huán)境的增強現(xiàn)實中具有廣泛應用前景。
[Abstract]:Along with the development of marine economy, marine disasters, marine ecology, marine environmental issues and put forward many challenging topics for marine scientific research, these problems need to be solved urgently, but restricted by China's marine truth, the majority of marine scientific research personnel lack sufficient marine data, many research works can not be carried out smoothly. Therefore, in order to break this stalemate, China should strengthen and improve the capacity building of marine monitoring and develop advanced marine monitoring technologies to acquire first-hand abundant marine data and fundamentally enhance the research foundation of marine science and technology in China. Compared with the traditional video monitoring offshore monitoring method has the advantages of low cost, strong adaptability, wide coverage and other advantages, can understand the dynamic changes of the offshore sea, but only the basic sea eye can display recognition, more complex information required for marine processing; ROMS (Regional Ocean Model System) as a regional ocean model a new ocean model system is widely used in physical oceanography, marine geology, marine acoustics etc., which applied physics can forecast ocean ocean flow field reflect the basic elements of ocean flow field, but the video monitoring information display as easy and intuitive. Therefore, the mobile video monitoring mode and ocean flow forecast information combined with the current popular use of augmented reality (Augmented Reality, referred to as AR) technology applied to real mobile system derived from the marine environment is enhanced, intuitive, dynamic reflection of complex sea conditions. Enhance the pros and cons of the actual system performance depends directly on the accuracy of 3D registration, 3D registration function is to detect the user's position and view direction of computer by position information calculation in the actual position of the virtual information in 3D space, virtual real-time information superimposed on the video sequence, so as to enhance visual experience. The main way of 3D registration is divided into two types: Based on computer vision and sensor based on computer vision registration matching accuracy, without the help of other hardware sensors based on image matching, but the algorithm is complex, the system delay high, weak robustness; 3D registration method based on sensor has the characteristics of fast tracking and good robustness, but the registration accuracy is greatly influenced by the sensor, the tracking accuracy of registration is not high. Therefore, the complexity of augmented reality technology in single mode 3D registration can not cope with the reality, is restricted in the registration accuracy and effectiveness of the application, the actual scene needs a comprehensive range to achieve tracking and positioning, the comprehensive tracking and positioning is called hybrid 3D registration. Therefore, the main work of this paper is: 1, for a single 3D registration is difficult to solve the registration problem in the marine environment AR system, put forward the multi-sensor registration AGPS, intelligent mobile phone gaze direction determination of electronic compass and accelerometer and hybrid registration method of sea antenna characteristic identification based on visual tracking. The sea antenna marking auxiliary correction sensor attitude angle to improve the 3D registration accuracy. 2, in view of the low sea surface and sky contrast near the Yangshan Port, this paper proposes a Hough transform sea antenna extraction algorithm based on phase marshalling to compensate for the weakness of single Hough transform algorithm in identifying low contrast straight lines. 3, taking the real marine environment and marine numerical prediction as an example, we propose an augmented reality framework to adapt to the marine dynamic environment. The prototype system is implemented by Android, and the hybrid registration method is verified. By mixing the 3D registration methods of data transmission efficiency test, operation accuracy comparison and the analysis of the system with a single sensor of the 3D registration results show that the framework and hybrid 3D registration method has the usability and practicability, in enhancing the marine dynamic environment has wide application prospect in reality.
【學位授予單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P714;TP391.41

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