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增强现实(AR)是一种将计算机产生的虚拟物体或信息与真实环境进行合成并对景象加以增强或扩充的技术。文中介绍了AR的基本概念、主要应用及研究现状，分析了AR的关键技术及开发平台。本文分析了ARToolKit平台的基本建模与渲染方法，指出了其存在的问题并进行了改进，将基于3DS的建模方法与基于可编程图形硬件的Cg图形渲染方法应用于ARToolKit平台，设计并实现了一个基于单目视觉的桌面AR人机交互系统。本文的主要工作包括：1．研究了AR中基于视觉的跟踪注册方法，主要分析了标识物的识别及多个坐标系的矩阵转换等问题。基于视觉的跟踪注册方法识别效率高，能够满足AR系统对实时性的要求。2．分析了ARToolKit平台的基本建模方法并对其进行了改进，将基于3DS的建模方法引入ARToolKit平台。分析了3DS文件的基本结构、3D编辑器块结构及关键帧块结构，给出了系统实现以及实验结果与分析。将3DS模型信息应用于AR系统的虚拟物体建模，提高了模型的复杂度和建模的效率。3．分析了ARToolKit平台的基本渲染方法并对其进行了改进，将基于可编程图形硬件与Cg语言的渲染方法引入ARToolKit平台。分析并实现了Cg光照渲染、雾化渲染和变形动画效果，给出了各部分的实验结果及分析。将Cg应用于AR系统的图形渲染，提高了渲染效率，增强了AR场景的真实感。4．将3DS模型信息的导入、基于Cg的图形渲染、交互信息的分析与处理等模块与ARToolKit平台进行整合，设计并实现了一个基于单目视觉的桌面AR人机交互系统，给出了系统实验结果及分析。该系统兼容性好，对硬件要求低，性能稳定，具有可扩展性以及良好的可移植性。