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AR增强装配中的跟踪注册方法研究与应用进展

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系统仿真学报 2023年第7期35卷 1438-1454页

作者：方维许澍虹韩磊李张文驰北京邮电大学现代邮政学院(自动化学院) 北京100876 中国商飞北京民用飞机技术研究中心北京102211

增强现实(augmented reality,AR)可将虚拟辅助信息以合适的位姿叠加在实际作业现场,实现“所见即所操作”的智能装配指引,缓解传统基于图纸装配中工人识图困难,易出现的错装、漏装等现象。其中装配现场环境下稳定的跟踪注册,是实现增强... 详细信息

增强现实(augmented reality,AR)可将虚拟辅助信息以合适的位姿叠加在实际作业现场,实现“所见即所操作”的智能装配指引,缓解传统基于图纸装配中工人识图困难,易出现的错装、漏装等现象。其中装配现场环境下稳定的跟踪注册,是实现增强装配可视化指引中虚实融合的基础,也是现有增强装配在实际应用部署中的关键问题。为此,针对国内外在AR增强装配辅助中跟踪注册方面的研究与应用成果,系统分析了基于视觉、基于传感器和混合式三类不同增强装配跟踪注册方法的研究现状,总结了现有AR增强装配辅助中跟踪注册方法存在的局限及应用发展趋势,对后续AR智能装配系统构建和研究具有借鉴意义。

关键词：增强装配增强现实跟踪注册可视化指引研究和应用进展

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面向增强装配中手部特征检测的改进算法

计算机集成制造系统 2015年第2期21卷 427-433页

作者：侯文君雷雨李铁萌刘亚醉北京邮电大学数字媒体与设计艺术学院北京100876 北京邮电大学网络系统与网络文化北京市重点实验室北京100876 北京邮电大学自动化学院北京100876

针对增强装配引导过程中手部识别检测的问题,提出一种改进自适应均值漂移的特征检测算法。该算法对装配环境中的人手进行跟踪检测,迭代计算中心距获取搜索框,动态优化检测区域,得到包含手指信息的手部完整信息。为得到手指特征点,利用... 详细信息

针对增强装配引导过程中手部识别检测的问题,提出一种改进自适应均值漂移的特征检测算法。该算法对装配环境中的人手进行跟踪检测,迭代计算中心距获取搜索框,动态优化检测区域,得到包含手指信息的手部完整信息。为得到手指特征点,利用图像增强处理过后的手部轮廓进行等距特征点采样,对不同部位的特征点计算曲率信息,聚类分析得到指尖特征点。以增强装配系统中的三维注册为例开发原型系统,验证了所提方法具有可行性、有效性和较好的鲁棒性。

关键词：手部特征跟踪检测增强装配引导

基于图像匹配的增强现实装配系统跟踪注册方法

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计算机集成制造系统 2021年第5期27卷 1281-1291页

作者：张昊鹏郭宇汤鹏洲黄少华刘道元李晗南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

为了改善跟踪注册方法面向弱纹理零件增强现实装配引导的鲁棒性与适用性,提出一种基于图像匹配的跟踪注册方法。采用图像边缘倾角对距离图像的像素值进行加权,提高图像匹配度计算的准确性;准确的初始帧相机位姿是保证跟踪注册准确性的前... 详细信息

为了改善跟踪注册方法面向弱纹理零件增强现实装配引导的鲁棒性与适用性,提出一种基于图像匹配的跟踪注册方法。采用图像边缘倾角对距离图像的像素值进行加权,提高图像匹配度计算的准确性;准确的初始帧相机位姿是保证跟踪注册准确性的前提,采用差分进化策略与禁忌搜索策略对遗传算法进行改进,提高初始帧相机位姿跟踪的准确性与搜索效率;采用禁忌搜索算法连续跟踪相机位姿,保证跟踪注册的准确性与实时性。实验结果表明,所提跟踪注册方法相对于基于ORB的跟踪注册方法具有较好的精度,能够对弱纹理零件进行跟踪注册,对杂乱环境具有较好的鲁棒性,满足跟踪注册的实时性的要求。

关键词：增强装配跟踪注册图像匹配遗传算法差分进化禁忌搜索

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增强装配系统的虚实融合技术研究

增强装配系统的虚实融合技术研究

作者：徐迟华中科技大学

学位级别：硕士

增强装配(Augmented Assembly)是指将增强现实技术应用到装配领域,旨在降低设计成本、提高生产效率的一系列基于虚实混合增强装配环境的装配活动。本文研究了增强装配系统的虚实融合技术,包括增强装配的虚实混合建模、虚实注册和虚实叠... 详细信息

增强装配(Augmented Assembly)是指将增强现实技术应用到装配领域,旨在降低设计成本、提高生产效率的一系列基于虚实混合增强装配环境的装配活动。本文研究了增强装配系统的虚实融合技术,包括增强装配的虚实混合建模、虚实注册和虚实叠加三个模块。首先构建了虚实混合的装配模型,包括零件几何模型、装配约束模型和装配层次模型。与传统装配模型不同的是,增强装配系统中既包含虚拟零件也包含真实零件,融合过程分别对虚实模型采取不同处理方式。针对模型的虚实混合特点,本文研究并实现了增强装配模型的混合建模与统一管理。然后研究了增强装配的虚实注册技术,采用基于计算机视觉的标志物跟踪方法对虚实零件进行注册。本文试验比较了不同图像阈值分割方法并选择了适应性阈值法提取标志物轮廓,提高了注册模块对灯光、阴影等干扰因素的稳定性;重新采样并最小二乘拟合标志物边缘,精确计算标志物角点值,提高了系统的注册精度,降低了动态注册中的抖动现象;使用基于标志物的操作板对用户操作进行注册,使用户能像操作真实零件一样方便的操作虚拟零件。接着研究并实现了增强装配的虚实叠加技术,包括虚实零件几何模型叠加、文字信息叠加和装配特征叠加,重点研究了虚实叠加中的虚实零件遮挡问题。以深度图为索引逐点判断虚拟场景与真实场景视频中对应象素的深度关系并相互叠加,得到了符合光学成像规律的虚实融合装配场景。最后给出了本文的增强装配原型系统,指导用户在增强装配环境中进行虚实零件装配及装配序列评价工作。

关键词：增强现实增强装配虚实融合虚实注册虚实遮挡

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增强装配关键技术研究

增强装配关键技术研究

作者：刘亚醉北京邮电大学

学位级别：硕士

装配(Assembly)是按照一定的技术要求,将不同的零件组成部件(部件装配)或将不同的零件和部件组成产品(总装配)的过程。装配是完成产品加工的最后一个步骤,即使在装配过程中出现一个很小的问题,也会对产品造成巨大的影响,装配的重要性不... 详细信息

装配(Assembly)是按照一定的技术要求,将不同的零件组成部件(部件装配)或将不同的零件和部件组成产品(总装配)的过程。装配是完成产品加工的最后一个步骤,即使在装配过程中出现一个很小的问题,也会对产品造成巨大的影响,装配的重要性不言而喻。增强装配((?)Augmented Assembly)是利用增强现实(Augmented Reality)技术来完成装配的技术。可以避免在传统装配过程中由于加工零件不合适而造成返工的情况,节省了装配时间,提高了装配效率。本文采用基于手部特征的三维注册方式来完成虚拟零件到真实场景的叠加,并通过手势识别辅助完成零件的装配过程。本文的主要研究工作如下：(1)传统的三维注册方式主要是基于标志板或者基于环境中存在的固定物体中的自然特征来实现的,这两种注册方式存在注册环境受限制、交互方式不友好等缺点。因此,本文提出了利用手部特征实现三维注册的方法,该注册方法可以在各种环境下完成注册,相对传统的注册方式更加灵活,而且通过手部的动作识别可以进行丰富的交互操作,使得交互方式更加自然。本文利用改进的CamShift方法和肤色检测相结合的算法完成对手部的实时跟踪和检测,改进的CamShift方法能够完整的捕获整个手部区域。手部特征点的识别和描述采用改进的曲率检测方法和K-MEANS聚类算法,改进的曲率检测方法可以提高指尖的检测效率,K-MEANS聚类算法能够提高指尖识别的鲁棒性。(2)传统的虚实融合采用注册特征与虚拟模型绑定的方式,在一段时间内,某一个注册特征只能显示其对应的虚拟模型,如果在该特征上显示另外的模型,需要进行复杂的操作。本文采用面向对象的方式实现了虚拟模型的动态加载,该方式可以在注册过程中快速的加载和切换虚拟模型,在增强装配过程中可以大大提高装配效率。除此之外,本文提出了手势引导装配方法,将不同的手势对应不同的运动方式,从而引导零件完成装配。

关键词：增强装配增强现实手部注册参数化建模手势引导装配

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工装夹具增强装配技术研究应用

计算机应用 2008年第4期28卷 1087-1090页

作者：高晓兵陶华顾小锋西北工业大学中法虚拟设计与制造技术联合研究室西安710072

为了减少装配操作步骤和提高装配准确度和效率,在现有CAD软件装配功能的基础上提出一种基于装配特征识别的增强装配算法,利用特征识别以及定义的特征之间的装配关系实现增强装配功能,进而能实现装配的自动化。基于该算法实现的增强装配... 详细信息

为了减少装配操作步骤和提高装配准确度和效率,在现有CAD软件装配功能的基础上提出一种基于装配特征识别的增强装配算法,利用特征识别以及定义的特征之间的装配关系实现增强装配功能,进而能实现装配的自动化。基于该算法实现的增强装配系统具有良好的扩充性,在实际装配应用中提高CAD软件装配功能的效率。

关键词：工装夹具增强装配装配特征

基于图像自然特征的增强装配引导应用技术研究

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基于图像自然特征的增强装配引导应用技术研究

作者：陈亭华中科技大学

学位级别：硕士

增强现实通过在真实的环境中叠加计算机生成的虚拟信息，来增强用户对真实环境的感知。增强装配指将增强现实技术应用于装配领域，通过在真实装配环境中叠加虚拟的装配引导信息，实现对操作者装配作业的引导，从而提高装配效率与装配质... 详细信息

增强现实通过在真实的环境中叠加计算机生成的虚拟信息，来增强用户对真实环境的感知。增强装配指将增强现实技术应用于装配领域，通过在真实装配环境中叠加虚拟的装配引导信息，实现对操作者装配作业的引导，从而提高装配效率与装配质量，降低生产成本。首先研究了增强装配引导信息的建模技术。增强装配引导信息主要包括三维虚拟模型信息和二维文字导航信息，通过层次树模型进行信息的组织管理，在装配层次结构的基础上增加其它装配引导信息，建立了增强装配引导信息的模型，并介绍了模型中各类信息的获取和规划方式。采用基于图像自然特征的方法对虚实装配场景的注册进行了研究，包括离线处理阶段和在线实时注册阶段。离线阶段采集真实装配场景参考图像，并对其对应的摄像头位姿矩阵进行求解和验证;在线阶段通过BRIEF算法进行图像自然特征点的提取与匹配，通过单应性矩阵求解实时图像的摄像头位姿信息，实现基于图像自然特征的虚实注册。研究了增强装配的虚实叠加技术，包括虚拟模型信息的叠加和文字导航信息的叠加。实现了虚拟模型信息和文字导航信息的绘制与渲染，通过虚实注册结果实现虚拟模型信息的叠加，通过二维文字布局实现文字导航信息的叠加。开发了基于图像自然特征的装配引导原型系统，通过简洁的交互界面及操作，实现对装配作业的引导。实验证明，该系统能够实时稳定的实现装配作业引导。

关键词：增强装配图像匹配虚实注册虚实叠加装配引导

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移动增强现实装配系统的虚实场景融合研究

移动增强现实装配系统的虚实场景融合研究

作者：闫甲鹏广东工业大学

学位级别：硕士

移动增强装配(Mobile Augmented Reality Assembly, MARA)是指将移动增强现实技术应用于工业装配领域,旨在降低设计成本、提高生产效率。虚实融合即指将计算机渲染的虚拟场景与用户所处的真实环境进行叠加,是增强现实关键技术之一。评... 详细信息

移动增强装配(Mobile Augmented Reality Assembly, MARA)是指将移动增强现实技术应用于工业装配领域,旨在降低设计成本、提高生产效率。虚实融合即指将计算机渲染的虚拟场景与用户所处的真实环境进行叠加,是增强现实关键技术之一。评价虚实融合效果的主要标准有是否具有光照一致性和几何一致性,本文主要关注几何一致性对虚实融合效果的影响,几何一致性主要考虑虚实遮挡。虚实遮挡是指根据虚拟场景与真实场景的正确空间位置关系,呈现出遮挡与被遮挡的效果,主要是实现真实场景对虚拟场景的遮挡。通过虚实遮挡处理可以使得融合场景更具有真实感,从而改善用户体验。目前针对虚实遮挡的处理方法通常有基于模型、基于深度及基于图像分析。本文着重研究在A ndroid系统下通过基于模型的方法实现虚实遮挡处理。首先,实现了基于自然特征点的场景识别及模型注册。对摄像机完成标定以获取内部参数矩阵;通过对三维场景进行特征点提取和训练完成三维场景识别,针对匹配中的错误匹配对进行优化处理;对三个体积规格、结构复杂程度及表面材质不同的目标物进行虚拟模型注册并对注册效果进行稳定性及鲁棒性实验。其次,完成了虚拟模型在移动端的渲染显示。研究OBJ模型数据结构,并实现在移动端的应用层解析;研究OpenGL ES的管线渲染原理及OpenGL ES渲染成像的坐标系转换;实现基于OpenGL ES的三维模型光照模型管理,使模型更具有立体感。然后,研究并实现了虚实遮挡处理。针对传统虚实融合时虚拟场景总是渲染在最顶端以遮挡真实场景的问题设计具有虚实遮挡的融合流程;对系统应用图层设计,针对场景类型的不同进行分层显示,实现了对二维虚拟辅助信息的叠加和三维虚拟模型的高效渲染;借助OpenGL ES渲染引擎获取虚拟场景的深度图,通过“虚拟替身”获取真实场景深度图;通过基于模型的方法进行遮挡处理,实现了三个目标识别物对虚拟模型的遮挡,最终获取具有正确几何关系的融合场景。最后,构建一个完整的移动增强现实引导装配系统,并运行实例。研究了Android系统架构,并设计了系统整体架构;对整体架构进行功能模块设计与划分;分析研究了系统软硬件要求及实例运行环境;进行增强引导装配系统的实例运行,并在引导装配的过程中实现虚实遮挡的处理,以获取更加逼真的融合效果。

关键词：移动设备增强现实增强装配虚实融合虚实遮挡

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基于区域的弱纹理零件三维跟踪方法

计算机集成制造系统 2023年

作者：徐一成里鹏李帅于慧东中国科学院网络化控制系统重点实验室中国科学院机器人与智能制造创新研究院中国科学院大学中国科学院沈阳自动化研究所

为提升增强现实装配系统中对于弱纹理零件的跟踪效果，提出一种基于区域的三维跟踪方法。首先，采用全新的平滑阶跃函数优化了基于水平集函数的图像分割方法，提高了轮廓边缘的分割效果；然后，设计了像素前背景颜色后验概率统计模型，... 详细信息

为提升增强现实装配系统中对于弱纹理零件的跟踪效果，提出一种基于区域的三维跟踪方法。首先，采用全新的平滑阶跃函数优化了基于水平集函数的图像分割方法，提高了轮廓边缘的分割效果；然后，设计了像素前背景颜色后验概率统计模型，增强了连续帧之间的时间一致性，提高了对运动模糊的鲁棒性和准确性；最后，采用高斯—牛顿方法进行姿态优化，利用其快速收敛和数值稳定的性质，保证算法的实时性和稳定性。实验结果表明，所提出的三维跟踪方法能对弱纹理零件进行精确的跟踪。同时，在面对运动模糊或背景杂乱等干扰时，图像分割与位姿估计表现出更强的鲁棒性，满足工业场景中对弱纹理零件跟踪的要求。

关键词：增强装配前背景区域图像分割姿态估计三维目标跟踪