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增强现实中的空间深度感知问题

作者：陈东义

来源：《中兴通讯技术》2017年第06期

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对比度提升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。

增强现实中感知问题的1

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：

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（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。

中的AR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。

增强叠1.1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