三维注册技术在多媒体技术与虚拟现实中的应用

三维注册技术是决定AR系统性能优劣的关键技术。为了实现虚拟信息和真实环境的无缝结合，必须将虚拟信息显示在现实世界中的正确位置，这个定位过程就是注册(Registration)。

三维注册技术所要完成的任务是实时检测用户头部的位置以及方向，根据检测的信息确定所要添加的虚拟对象在摄像机坐标系下的位置，并将其投影到显示屏的正确位置。三维注册需要将虚拟的信息实时、动态地叠加到增强的真实场景中去，做到无缝融合。

AR系统必须实时地检测摄像头的位置、角度及运动方向，帮助系统决定显示虚拟信息，并按照摄像头的视场建立坐标系，这个过程称为跟踪。

衡量一个AR系统的跟踪注册技术性能的优劣，主要由精度(无抖动)、分辨率、响应时间(无延迟)、鲁棒性(不受光照、遮挡、物体运动的影响)和跟踪范围等性能指标决定。在增强现实应用中的跟踪注册系统应该具有高精度、高分辨率、时滞短和大范围等特性。

在目前的AR系统中，三维注册技术可以分为三类:基于硬件跟踪设备的注册技术、基于视觉的跟踪注册技术和基于混合跟踪注册技术。

1.基于硬件跟踪设备的注册

早期的AR系统普遍采用惯性、超声波、无线电波、光学式等传感器对摄像机进行跟踪定位，这些技术在VR应用中已经得到了广泛的发展。

这类跟踪注册技术虽然速度较快，但是大多采用一些大型设备，价格昂贵，而且容易受到周围环境的影响，如超声波式跟踪系统易受环境噪声、湿度等因素影响，因此，无法提供AR系统所需的精确性和轻便性。基于硬件跟踪设备的注册几乎不能单独使用，通常要与视觉注册方法结合起来实现稳定的跟踪。(www.xing528.com)

2.基于视觉的跟踪注册

近年来，国际上普遍采用的是设备简单、成本低廉、通用性强的基于视觉的注册技术。

基于视觉跟踪注册方法的原理是:将CCD摄像机固定在头盔显示器上，摄像机摄取真实场景的信息，将其以数字图像的形式输入到计算机中，计算机利用图像分析处理的方法从图像中获得跟踪信息，从而判断出摄像机在环境空间坐标中所处的位置和方向。这种方法需要添加标志点，标志点可以置于真实环境中，也可以置于真实环境的可移动物体上。计算机通过识别这些标志，实现对摄像机的定位跟踪。

基于视觉的AR应用的典型代表是由美国华盛顿大学与日本广岛城市大学联合开发的ARToolKit，它是目前比较流行的AR系统开发工具。利用计算机视觉技术来计算观察者视点相对于已知标识的位置和姿态，开发人员可以根据需要设计形象的标识。由于该方法对已知标识的依赖性很强，因此当标识被遮挡的时候就无法进行注册，这是其不足之处。

3.混合跟踪注册

混合跟踪注册技术是指在一个AR系统中采用两种或两种以上的跟踪注册技术，以此来实现各种跟踪注册技术的优势互补。综合利用各种跟踪注册技术，可以扬长避短，产生精度高、实时性强、鲁棒性好的跟踪注册技术。