近几年来,增强现实技术不断发展,进入人们的视野。如何将虚拟对象天衣无缝地融入到真实环境中已是计算机图形学最热点的研究问题之一,并且具有广泛的应用场景,例如军事,娱乐,医疗培训等等。高效且真实地交互体验是所有增强现实应用追求的目标,随着增强现实技术的快速发展,真实感将是其中最具挑战的难点之一。为了提高真实感,并且达到实时在线分析的需求,本文将结合计算机视觉、图形学的方法,对单幅室外图像的虚实融合涉及到的关键技术和方法进行研究分析,系统性阐述并实现了基于球谐函数的光照估计算法,提出了基于Median-cut的全局光照估计算法,由这些算法构成了光照一致性技术的核心。本文的主要研究内容为如下几个方面:(1)为了保证几何一致性,本文研究了基于单幅图像利用双消失点进行相机标定的算法,通过边缘检测及筛选消失点组合,恢复相机内外参数信息。提出了一种位置相关的环境映照合成算法,利用标定得到的相机参数。在图像场景中任意指定位置均可生成对应的环境映照。(2)在光照一致性方面,本文研究室外场景光照的各影响因素,研究太阳光、天空光以及周围环境对物体呈现的全局影响,建立全局光照模型。利用球谐函数化简光照模型,结合先验知识约束,求解光照参数,对虚拟物体进行照明。同时,为了达到实时处理需求,本文创新地提出了一种基于改进的median-cut光照估计算法,利用逆向色调映射将LDR图像转换为HDR图像,通过一系列普通点光源集合代替环境映照,对虚拟物体进行照明。(3)在合成一致性方面,本文研究分析室外场景阴影特点,研究虚拟物体与真实物体之间的交互影响。通过阴影映射关系将真实阴影投射到虚拟物体表面上;利用三维/二维转换关系处理常见的虚拟阴影投射到真实物体表面的情况;同时针对软阴影的特点进行平滑处理。利用差分渲染对虚实图像进行融合,得到最终合成结果。(4)针对本文关键算法的描述,将单幅室外图像的虚实融合技术进行实现。对本文提出的两种不同算法与目前效果较好的其他算法进行对比实验,通过实验结果进一步分析与改进。