基于物理引擎和增强现实技术的虚拟机器人系统设计与实现

摘要

虚拟机器人在教育培训、工业生产、仿真设计与遥控作业等方面有很广泛的应用。在虚拟环境下对真实设备进行仿真模拟，可以减少成本并且给用户提供良好的显示效果，虚拟机器人目前还较少用于服务以及用户交互方面。本文依据电子科技大学机器人中心自主研发的“SRU服务机器人”以及增强现实技术（Augmented Reality，AR）设计实现了一套虚拟机器人交互系统，能对真实机器人的各项功能与运动情况进行演示，并提供交互功能。虚拟机器人可以提供更炫丽的展示效果，节省机器人在不同环境下进行演示所需的人力物力，减少调试过程中对设备产生的大量损耗，还能替代真实机器人的部分功能（交流互动功能）。
　　增强现实是一种通过计算机视觉技术实时计算摄像机位置与角度并将计算机生成的二维图像或者三维虚拟物体叠加到真实图像中的技术。它继承了虚拟现实的诸多优点并弥补了其不足之处，相比虚拟现实具有更真实的展示效果。
　　文中将进行以下几个方面的工作：
　　1.通过摄像机标定实时求解摄像机外部参数进而确定摄像机的位置与角度；分析了图像数据的贮存结构以及发送方法，设计并实现数据发送模块。
　　2.对三维场景进行布局，其中包括摄像机、三维模型、光源、模型材质等基本组件，并根据真实场景对以上组件进行配置。此外在虚拟环境中加载物理引擎，并根据SRU机器人对虚拟机器人的各项物理属性进行了配置，在此基础上实现了虚拟机器人的自动漫游功能。设计并实现了系统服务器端的数据接收模块，通过实时更新场景背景与摄像机位置与角度，实现场景的虚实融合效果。
　　3.通过采集光照信息来合成高动态范围的球面环境映照，并通过色调映射（Tone Mapping）技术将高动态图像转换成系统可以直接显示的低动态图像，然后将球面环境映照转换为立方体纹理，对虚拟机器人表面进行渲染。最后分析并设计了环境光动态调整方法，根据背景的亮度对虚拟环境下的光照情况进行实时调整。
　　4.实现系统的交互功能。其中包括用户手动控制与指定目标点（使用射线定位方法）两种模式。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2研究现状

1.3 相关技术简介

1.4本文主要工作与创新点

1.5论文章节安排

第二章 系统需求分析与总体架构设计

2.1 系统需求分析

2.2 系统总体架构

2.3 系统功能模块划分与设计

2.4 开发环境

2.5 本章小结

第三章 相机标定与数据传输

3.1 虚实配准流程

3.2 坐标系统

3.3 针孔模型

3.4透镜畸变

3.5相机标定

3.6 相机旋转的向量表示

3.7求解内参数与畸变参数

3.8实时计算相机位置及角度

3.9数据传输模块设计与实现

3.10本章小结

第四章 虚拟场景构建与虚实融合

4.1 三维场景布局

4.2加载物理引擎

4.3运动控制

4.4场景虚实融合

4.5本章小结

第五章 光照模拟与阴影合成

5.1光照估计方法

5.2基于高动态范围环境映照的光照估计

5.3光照模拟

5.4阴影合成

5.5环境光模拟

5.6 本章小结

第六章 虚拟机器人交互系统

6.1用户交互模块

6.2 SRU机器人运动同步

6.3用户界面

6.4系统测试与分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文工作总结

7.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果