增强现实中的空间深感知问题论文社科文章_论文-社科文章.pdf

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1、增强现实中的空间深度感知问题 多年来，对头戴式增强现实（AR）的研究得到了诸如 手持式 AR 和投影摄像机系统等新平台研究的补充。随着手 机应用的快速发展，AR 应用概念已逐渐成为市场新兴增长 点。然而，研究人员和从业者仍在尝试解决 AR 设计开发中 的许多根本问题。目前，众多研究人员正在解决由跟踪注册 算法引起的定位精度问题，但在 AR 应用中正确地感知仍然 是 AR 应用中的一个关键挑战。这些障碍可以追溯到增强显 示中相互关联的深度感知和照明感知问题，或是与环境感知 有关的问题。这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感 知失真的情况。虽然其中的一些问题源于技术限制，然而许 多是由于有限的理

2、解或显示信息方法的不足所造成的。感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程。我们经 常从观察到的环境中获得不同的线索，并尝试匹配那些线 索。线索提示可以是互相重叠，或者是互相冲突的。其中重 要的是，不正确的感知通常是线索提示冲突的结果。在文中，我们仅关注与视觉感知相关的问题，而忽略与其他感知的相 互作用。感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观 察和解释时出现的一些问题，不仅可能由真实信息和虚拟信 息的组合引起，也可能源自于现实世界本身的表现。针对深度感知失真的问题，目前的研究大多是针对深度 相关线索进行修正以达到增强的目的。Christoph 等人 1 通过 增加景深和选择性的局部？p榷忍

3、嵘？来对单目深度线索进行 增强。Athena 等人2指出运动视差等动态透视线索能够提升 深度感知。Chiuhsiang 等人3调查了使用立体眼镜观看近场 增强现实虚拟目标的中心距离感知精度，指出当目标是垂直 放置，靠近观察者位置并且目标间隔较小时精度会有提高。Ernst 等人4详细探讨了增强现实应用过程中与感知相关的 问题，并按各种感知类别给出了总结。Chen 等人5给出了 一种感知导向的深度线索增强方法，该方法展示了一种非线 性视差映射，能增加观察者关注的深度范围。刘自强 6研究 了增强现实中深度一致性问题，并提出了一种基于双目摄像 机的深度计算方法来解决深度一致性问题。郑毅7则介绍了 增强

4、现实应用中存在的虚实遮挡问题。相比前述工作，文中 我们提供了一种感知问题分类方法，将信息增强作为一个感 知理解管道从而对各个环节分别组织阐述，图 1 给出了感知 理解管道中存在的影响因素的分层关系。1 增强现实中感知问题的 来源 我们可以从影响感知的因素入手，了解增强显示时用户 对内容不正确感知的几个问题。对于某一些任务，不正确的 增强现实感觉可能没有影响，而对于其他一些任务，这类问 题是至关重要的。这些问题大致可分为 3 类：究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精

5、度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的结果在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实（1）场景扭曲和抽象。场景增强可能会出现扭曲和部 分抽象变形，使得对象识别、尺寸感知、对象分割或对象内 部关系的感知变得困难。（2）深度失真和物体排序。与上一个问

6、题相关，不正 确的深度解释是 AR 应用程序中最常见的感知问题。AR 中 的深度是指第一人称视角，视野中的物体与重叠的信息之间 在空间关系上的解释和相互作用。深度失真和物体排序问题 使用户无法正确地将重叠的信息匹配到现实的世界中。（3）能见度。用户可能无法查看内容本身，主要是由 屏幕问题引起的，例如：屏幕大小、屏幕反射和亮度，或环 境干扰中颜色和纹理图案。AR 中的目标是将真实世界对象和数字内容之间在感知 上正确连接，正确地解释真实和虚拟对象之间的空间关系。不正确的深度感知是 AR 应用程序中最常见的感知问题，妨 碍了第一人称视角下视图中的真实对象与叠加（嵌入）信息 之间的空间关系理解。1.1

7、 增强叠加 增强是指在光学图像或视频图像上注册数字内容，并可 能因技术水平限制而产生一系列相关的深度感知问题。（1）注册错误。精确注册依赖于跟踪设备的正确定位 和方向信息（姿势）。当前的手机具有相对不精确的位置和 方位传感器，导致跟踪精度和方向测量存在显著漂移。所需 的跟踪精度取决于所观察对象的环境和距离要求：较低精度 跟踪对于距离较远究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其

8、中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的结果在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实的大型环境中的物体可能是可以接受的，即使产生偏移也不太明显，而对增强设备附近物体准确地增 强则显得较为困难。（2）视觉遮挡。物体视觉上被遮挡。与遮挡相关的主 要问题是前景和背景的分割不正确：需要在特定对象后面呈 现对象，而不是出现在特定对象的前面，否则会导

9、致不正确 的深度排序，使得对象看起来像它们不属于当前场景。自 AR 出现以来，研究人员试图使遮挡或隐形物体再次可见，主要是利用称为 X 射线视觉的叠加显示技术，允许用户通过 前面的对象来查看遮挡对象。然而，X 射线视觉也容易发生 深度排序问题，因为重叠的顺序是相反的。（3）层间干扰。环境物体的排列组合模式会限制增强 感知和识别。根据环境背景和增强后的特征，感知干扰可能 发生在图形相交或者是视觉合并的地方，并因此导致前景背 景的视觉解释问题。这些特征受到图案的方向、透明度、密 度和规律性以及使用的颜色方案的影响。另外，前景背景图 案问题与在多层 AR 系统中发生的问题有关，其中多层 AR 是指多

10、个虚拟对象被渲染在彼此之上。这带来的问题是容易 出现层间干扰，这取决于虚拟对象的数量及各自的不透明 度。一旦层数太大，对象可能会重叠，这可能会降低环境增 强信息的可读性（4）渲染质量。渲染质量定义了屏幕上显示数字对象 的保真度。在保真度和数字再现图形中的深度判断之间没有 发现直接究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息

11、方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的结果在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实的关系。除了渲染质量之外，照明可以影响增强物 体的保真度及其正确的感知。在分辨率和清晰度之间的差异 可能导致不正确的立体感知。1.2 显示装置 显示装置向用户显示增强的环境，并且像其他阶段一样 可以引起空间感知问题。大多数问题可能与屏幕相关联，但 是还有一些问题来自于处理器和图形单元。（1）立体显示。主要存在于头

12、戴显示器（HWD），典型 的问题包括实际和预设瞳孔间距的差异、视力和对比效应，对齐和校准问题以及与瞳孔汇聚有关的问题。然而，当使用 HWD 来查看完全人工合成的虚拟环境时出现的一些感知问 题可以用 AR 来减轻。目前来说，立体显示问题对于手持设 备和投影摄像机系统来说还不重要。2 增强现实中 感知问题的 解决思路 研究人员提出了各种方法来解决增强现实中感知渠道 的问题。在本节中，我们概述除用户之外的主要解决思路。2.1 环境分析 物体在杂乱场景中的增强通常需要使用一种视觉辅助 机制，来对物体进行独特的增强绑定。具体来说，当增强信 息重叠在几个对象上时，正确的对象布局判断可以辅助正确 的增强叠加

13、，可以使用计算机视觉分析方法来分离前景和背 景层。增强也可能需要一些颜色上的拮抗，以避免增强信息 与被覆盖物体的出现视觉融合现象。然而，如果对象颜色发 生改变，则对象和增强信息可究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的结果

14、在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实能会出现分离的情况。2.2 捕获设备 捕获受到镜头和摄像机参数两者的限制。然而，解决由 镜头引起的问题通常很困难，目前只有少数解决方案存在。对于广角镜头，观察者不一定会注意到广角引入的扭曲，而 双重视图条件下真实世界的视图可以纠正包括由低分辨率 引起的线索提示之间的潜在冲突。然而，双重观图的情况会 增加视差平面切换和认知负荷，并且当对象快速移动时无 效。2.3 增强提示 对于与遮挡对象相关的问题，大多数研究人员通

15、过避免 对象裁剪来纠正深度排序问题。此外，已经出现了许多技术 能够改善被遮挡对象的 X 射线可视化。正确的光照渲染也有 助于与遮挡物体相关的深度排序，例如使用阴影信息能够提 供重要的深度提示。正确的光照渲染也可以使场景深度更加 可信，防止增强的虚拟物体看起来像一个突兀的平面模型。此外，可以使用诸如网格或深度标签（距离指示器）的人造 深度提示来直接向用户提供深度线索判别。2.4 显示设备 目前的显示技术水平不断提高，预计将出现新的显示技 术，以更好地应对亮度和对比度问题。尽管显示内容在阳光 充足的条件下还难以清晰呈现，但目前显示技术经常使用背 光和抗反射涂层使内容更加可见。可以通过增加涂层来最小

16、 化反射光，但这也可能降低屏幕的亮度。类似地，在 HWD 壳体的内部应避免设计反射表面。匹配环境光照的动态范围 同样是一个问题。飞机中使用的平视显示器可以匹配该动态 范围，并且基于激究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的

17、结果在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实光的显示技术具有匹配该动态范围的应用 潜力，但是目前还没有被广泛使用。3 结束语 文章中，我们概述了主流 AR 平台上影响用户正确感知 增强信息的主要问题来源，特别是影响空间深度感知的一些 因素。?而言之，除去对内容主体增强，如何使用户在感知上 也获得正确的增强仍然是一个困难的问题，并对 AR 平台的 用户体验构成了潜在困扰。从技术和方法看，还有很大的改 进空间。由于涉及到人的主观感受，通过改进的硬件和软件

18、来实现感知正确的增强是非常具有挑战性的研究方向。相关 技术平台开发也是未来研究的基础方向。究的补充随着手机应用的快速发展应用概念已逐渐成为市场新兴增长点然而研究人员和从业者仍在尝试解决设计开发中的许多根本问题目前众多研究人员正在解决由跟踪注册算法引起的定位精度问题但在应用中正确地感知仍然是应题这些问题均可能会导致场景感知失真和深度感知失真的情况虽然其中的一些问题源于技术限制然而许多是由于有限的理解或显示信息方法的不足所造成的感觉刺激的识别和解释是一个复杂的构造过程我们经常从观察到的环境中获线索提示冲突的结果在文中我们仅关注与视觉感知相关的问题而忽略与其他感知的相互作用感知问题涉及对生成的虚拟世界以及现实世界在观察和解释时出现的一些问题不仅可能由真实信息和虚拟信息的组合引起也可能源自于现实