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Towards Believable Augmented Reality: Combining the Real and Virtual Worlds

  • Augmented reality (AR) applications typically extend the user's view of the real world with virtual objects. In recent years, AR has gained increasing popularity and attention, which has led to improvements in the required technologies. AR has become available to almost everyone. Researchers have made great progress towards the goal of believable AR, in which the real and virtual worlds are combined seamlessly. They mainly focus on issues like tracking, display technologies and user interaction, and give little attention to visual and physical coherence when real and virtual objects are combined. For example, virtual objects should not only respond to the user's input; they should also interact with real objects. Generally, AR becomes more believable and realistic if virtual objects appear fixed or anchored in the real scene, appear indistinguishable from the real scene, and response to any changes within it. This thesis examines on three challenges in the field of computer vision to meet the goal of a believable combined world in which virtual objects appear and behave like real objects. Firstly, the thesis concentrates on the well-known tracking and registration problem. The tracking and registration challenge is discussed and an approach is presented to estimate the position and viewpoint of the user so that virtual objects appear fixed in the real world. Appearance-based line models, which keep only relevant edges for tracking purposes, enable absolute registration in the real world and provide robust tracking. On the one hand, there is no need to spend much time creating suitable models manually. On the other hand, the tracking can deal with changes within the object or the scene to be tracked. Experiments have shown that the use of appearance-based line models improves the robustness, accuracy and re-initialization speed of the tracking process. Secondly, the thesis deals with the subject of reconstructing the surface of a real environment and presents an algorithm to optimize an ongoing surface reconstruction. A complete 3D surface reconstruction of the target scene offers new possibilities for creating more realistic AR applications. Several interactions between real and virtual objects, such as collision and occlusions, can be handled with physical correctness. Whereas previous methods focused on improving surface reconstructions offline after a capturing step, the presented method de-noises, extends and fills holes during the capturing process. Thus, users can explore an unknown environment without any preparation tasks such as moving around and scanning the scene, and without having to deal with the underlying technology in advance. In experiments, the approach provided realistic results where known surfaces were extended and filled in plausibly for different surface types. Finally, the thesis focuses on handling occlusions between the real and virtual worlds more realistically, by re-interpreting the occlusion challenge as an alpha matting problem. The presented method overcomes limitations in state-of-the-art methods by estimating a blending coefficient per pixel of the rendered virtual scene, instead of calculating only their visibility. In several experiments and comparisons with other methods, occlusion handling through alpha matting worked robustly and overcame limitations of low-cost sensor data; it also outperformed previous work in terms of quality, realism and practical applicability. The method can deal with noisy depth data and yields realistic results in regions where foreground and background are not strictly separable (e.g. caused by fuzzy objects or motion blur).
  • Typischerweise erweitern Augmented Reality (AR)-Anwendungen die Sicht des Benutzers auf die reale Welt um virtuelle Objekte. In den letzten Jahren hat AR zunehmend an Popularität und Aufmerksamkeit gewonnen. Dies hat zu Verbesserungen der benötigten Technologien geführt. AR ist dadurch für fast jeden zugänglich geworden. Forscher sind dem Ziel einer glaubwürdigen AR, in der reale und virtuelle Welten nahtlos miteinander verbunden sind, einen großen Schritt näher gekommen. Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf Themen wie Tracking, Anzeige-Technologien und Benutzerinteraktion und schenken der visuellen und physischen Kohärenz bei der Kombination realer und virtueller Objekte wenig Aufmerksamkeit. Beispielsweise sollen virtuelle Objekte nicht nur auf die Eingaben des Benutzers reagieren, sondern auch mit realen Objekten interagieren. Generell wird AR glaubwürdiger und realistischer, wenn virtuelle Objekte fixiert oder verankert in der realen Szene erscheinen, sich nicht von der realen Szene unterscheiden und auf Veränderungen dieser Szene reagieren. Diese Arbeit untersucht drei Herausforderungen im Bereich Maschinelles Sehen um dem Ziel einer glaubwürdig kombinierten Welt näher zu kommen, in der virtuelle Objekte wie reale erscheinen und sich ebenso verhalten. Diese Dissertation konzentriert sich als erstes auf das bekannte Tracking- und Registrierungsproblem. Hierzu wird die Herausforderung von Tracking und Registrierung diskutiert und ein Ansatz vorgestellt, um die Position und den Blickpunkt des Benutzers zu schätzen, so dass virtuelle Objekte in der realen Welt fest verankert erscheinen. Linienmodelle, die dem Erscheinungsbild entsprechen und nur für Trackingzwecke relevante Kanten beinhalten, ermöglichen eine absolute Registrierung in der realen Welt und ein robustes Tracking. Einerseits ist es nicht notwendig, viel Zeit in die manuelle Erstellung geeigneter Modelle zu investieren, andererseits ist das Tracking in der Lage mit Änderungen innerhalb des zu verfolgenden Objekts oder Szene umzugehen. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von solchen Linienmodellen die Robustheit, Genauigkeit und Re-initialisierungsgeschwindigkeit des Tracking-Prozesses verbessert haben. Zweitens beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Thema der Oberflächenrekonstruk\-tion einer realen Umgebung und präsentiert einen Algorithmus zur Optimierung einer laufenden Oberflächenrekonstruktion. Vollständige 3D-Oberflächenrekonstruktionen einer Szene eröffnen neue Möglichkeiten um realistischere AR-Anwendungen zu erstellen. Verschiedene Interaktionen zwischen realen und virtuellen Objekten, wie Kollisionen und Verdeckungen, können physikalisch korrekt behandelt werden. Während sich die bisherigen Methoden darauf konzentrierten die Oberflächenrekonstruktionen nach einem Aufnahmeschritt zu verbessern, wird die Rekonstruktion während der Aufnahme erweitert, Löcher werden geschlossen und Rauschen wird reduziert. Um eine unbekannte Umgebung zu erkunden muss der Benutzer keine Vorbereitungen treffen. Das Scannen der Szene oder eine vorhergehende Auseinandersetzung mit der zugrundeliegenden Technologie ist somit nicht notwendig. In Experimenten lieferte der Ansatz realistische Ergebnisse, bei denen bekannte Oberflächen für verschiedene Oberflächentypen erweitert und Löcher plausibel gefüllt wurden. Anschließend konzentriert sich diese Dissertation auf die Behandlung von realistischen Verdeckungen zwischen realer und virtueller Welt. Hierzu wird die Herausforderung der Verdeckung als Alpha Matting Problem formuliert. Die vorgestellte Methode überwindet die Grenzen moderner Methoden, indem ein Überblendungskoeffizienten pro Pixel der gerenderten virtuellen Szene schätzt wird, anstatt nur deren Sichtbarkeit zu berechnen. In mehreren Experimenten und Vergleichen mit anderen Methoden hat sich die Verdeckungsbehandlung durch Alpha Matting als robust erwiesen und kann mit Daten, die durch preiswerte Sensoren aufgenommen wurden, umgehen. Hinsichtlich der Qualität, des Realismus und der praktischen Anwendbarkeit übertrifft die Methode die Ergebnisse von bisherigen Ansätzen. Des Weiteren kann die Methode mit verrauschten Tiefendaten umgehen und liefert realistische Ergebnisse in Regionen, in denen Vorder- und Hintergrund nicht strikt voneinander trennbar sind (z.B. bei Objekten mit einer undeutlichen Kontur oder durch Bewegungsunschärfe).

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Metadaten
Author:Anna Katharina Hebborn
URN:urn:nbn:de:kola-22708
Referee:Stefan Müller, Didier Stricker
Advisor:Stefan Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2018/03/21
Date of publication:2021/12/20
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2021/02/03
Release Date:2021/12/20
Number of pages:xi, 158
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG