增强现实技术是随着虚拟现实技术的迅速发展而产生的,是对虚拟现实技术的一种拓展。增强现实技术强调将计算机生成的虚拟信息和真实物理环境无逢融合,通过虚拟信息来增强和丰富真实环境所要表达的内容。增强现实技术在过去几十年的发展过程中,在校准技术和显示技术方面取得了巨大的成功。近年来,随着研究的不断深入,增强现实中的人机交互技术吸引了越来越多人的关注,其中基于有形用户界面交互技术的增强现实成为了新的研究热点。有形用户界面的实质是直接将人们在现实生活中同物体、环境的交互动作映射为在信息空间中同虚拟物体的交互。这样用户无需学习就能直接将生活中的一些习惯和经验用于人机交互。抓取与抛掷是人们在日常生活中使用非常频繁的交互动作,将抓取,抛掷虚拟物体作为大型增强现实系统的一种交互方式必然能增加交互的自然性和方便性,但这是一个复杂的处理过程,包括注册、跟踪、虚实遮挡、嵌入式三维立体成像与融合、磁力跟踪设备互干扰自动抑制等等。本文主要从跟踪可靠性、交互自然性和响应真实性三个方面展开研究,取得了如下研究成果:1、大型交互场景中多个磁力跟踪器靠的过近相互间会产生干扰,使头盔中的虚拟物体产生明显抖动。本文提出了基于粒子滤波、卡尔曼滤波及改进了的内在几何量三维离散曲线光顺算法等的头手运动跟踪抗干扰处理策略。对手的跟踪干扰采用粒子滤波;对头的跟踪干扰,静止时采用卡尔曼滤波,缓慢移动时采用改进了的内在几何量三维离散曲线光顺算法。此算法创新性地将准实时模型、双边滤波思想与原算法结合,实现了将图形学中的静态去噪算法应用在了对6DOF动态轨迹的实时滤波。快速移动时,停止滤波;并引入临界阻尼来消弱进入快速移动状态时的突变。2、抓取虚拟物时,由于用户穿戴的是光学透视式头盔,这必然会使虚拟物体呈现在真实物体之前,使用户无法正确判定该在何处抓取虚拟物体。本文首次提出了增强现实系统中的基于视觉感知的抓取识别方法,利用机器人学和光线几何理论实现基于视觉感知的碰撞检测;成功推导了3条抓取知识规则,并创新性地将其与模糊理论结合应用于证据推理,实现了虚拟物体的准确抓取。3、由于现有硬件和检测条件的限制,抓取中手指与虚拟物体之间往往会有穿透和空隙现象出现,无遮挡时就会被用户察觉,缺乏交互真实感。本文提出了一种全新的抓取自然融合方法,利用三维图形学理论判断头手运动时手指与虚拟物体的遮挡关系,将其与灰色预测理论相结合,实现对手的移动预测,并根据预测结果和最大速度差原则,自适应调整虚拟物体的速度,使之与手自然融合。4、虚拟抛体的响应真实性,是体现交互真实性的一个重要方面,即虚拟抛体的空中姿态和飞行轨迹能完全由抛掷动作所决定。本文首次提出了增强现实系统中基于磁力跟踪的抛掷识别方法和抛体实时旋转物理模型,利用刚体运动学、空气动力学原理和抛掷动作的速度变化规律,找出了抛掷动作的特征,以及抛体旋转的原因和方式,建立了抛体运动与抛掷动作的联系,并使抛体具有了更真实的空中旋转姿态。实验表明,本文所述的磁力跟踪器互干扰抑制方法能大大地降低磁力跟踪器间的干扰,尤其是内在几何量改进算法,在缓慢移动下对较大的干扰也能产生很好的抑制作用。基于视觉感知的抓取识别方法具有较强的处理不确定性信息能力,用户能在无需提示的情况下抓取虚拟物体。抓取后手与虚拟物体的自然融合方法具有较高的可靠性,能将预测误差限制在一定的范围内,并且具有很好的实时性和灵活性,能根据手的移动情况及时做出调整。基于磁力跟踪的抛掷识别方法和抛体实时旋转物理模型具有准确、高效的计算性能,用户只需佩戴一个磁力接收器就能抛掷虚拟物体,并且虚拟抛体在空中的实时旋转姿态与抛掷动作有了紧密联系,使参与者获得了如在抛掷真实物体的感受。