In the domain of computer vision, registration is the process of calculating the transformation between a known object, called a marker, and a camera which is viewing it. Registration is the foundation for a number of applications across a range of disciplines such as augmented reality, medical imaging and robotic navigation. In the set of two dimensional planar markers, there are two classes: (1) fiducial, which are designed to be easily recognisable by computers but have little to no semantic meaning to people, and (2) natural features, which have meaning to people, but can still be registered by a computer. As computers become more powerful, natural feature markers are increasingly the more popular choice; however there are still a number of inherent problems with this class of markers. This thesis examines the most common shortcomings of natural feature markers, and proposes and evaluates solutions to these weaknesses. The work starts with a review of the existing planar registration approaches, both fiducial and natural features, with a focus on the strengths and weaknesses of each. From this review, the theory behind planar registration is discussed, from the different coordinate systems and transformations, to the computation of the registration transformation. With a foundation of planar registration, natural feature registration is decomposed into its main stages, and each stage is described in detail. This leads into a discussion of the complete natural feature registration pipeline, highlighting common issues encountered at each step, and discussing the possible solutions for each issue. A new implementation of natural feature registration called the Optical-flow Perspective Invariant Registration Augmentation (OPIRA) is proposed, which provides vast improvements in robustness to perspective, rotation and changes in scale to popular registration algorithms such as SIFT, SURF, and the Ferns classifier. OPIRA is shown to improve perspective invariance on average by 15% for SIFT, 25% for SURF and 20% for the Ferns Classifier, as well as provide complete rotation invariance for the rotation dependent implementations of these algorithms. From the investigation into problems and potential resolutions at each stage during registration, each proposed solution is evaluated empirically against an external ground truth. The results are discussed and a conclusion on the improvements gained by each proposed solution and the feasibility of use in a real natural feature registration application is drawn. Finally, some applications which use the research contained within this thesis are described, as well as some future directions for the research.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第17796号 / エネ博第279号 / 新制||エネ||58(附属図書館) / 30603 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー社会・環境科学専攻 / (主査)教授 下田 宏, 教授 手塚 哲央, 教授 釜江 克宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Tesis por compendio / [ES] La RA consiste en la superposición de elementos virtuales sobre el entorno real, de manera que el usuario percibe estos elementos como si formaran parte de la realidad que está visualizando. Las aplicaciones de RA en dispositivos móviles permiten visualizar el contenido virtual a través de la cámara del dispositivo. La RA es una herramienta de divulgación muy potente ya que permite añadir a la realidad cualquier tipo de información, desde un simple texto informativo a un modelo 3D interactivo. Tiene infinitas utilidades, puede servir de guía en un museo, puede mostrar la recreación de un monumento destruido, o como en el caso de estudio aquí presentado, ayudar a la interpretación de pinturas rupestres. Esta tesis parte de la idea de que la RA puede mejorar mucho la interpretación del arte rupestre sin alterar ni dañar las pinturas. Puede servir para atraer a un público mayor, dar a conocer la historia de las pinturas rupestres y que al mismo tiempo el visitante tenga una experiencia mucho más enriquecedora. A lo largo de la tesis se ha estudiado en profundidad la técnica de visualización de RA mediante dispositivos móviles. Se han analizado las diferentes librerías de programación mediante casos de estudio en entornos reales y examinado los factores que pueden afectar al reconocimiento de las pinturas. Se ha desarrollado una aplicación de RA aplicada a un caso real de pinturas rupestres y posteriormente ha sido evaluada por un grupo de personas. Finalmente, se ha estudiado el efecto de la luz solar y sus cambios a lo largo del día sobre el reconocimiento de imágenes en entornos al aire libre. Este trabajo proporciona un punto de partida para el desarrollo de aplicaciones de RA aplicadas a la difusión del patrimonio cultural, especialmente centrado en el arte rupestre, un entorno que sufre de unas dificultades añadidas debido a su localización, dificultad de reconocimiento de puntos característicos en las pinturas y los cambios en la luz solar, problemas que se han tratado de resolver a lo largo del estudio. Las principales conclusiones han sido muy favorables, partiendo de librerías de programación disponibles y gratuitas. Se han podido desarrollar un conjunto de aplicaciones de RA en diferentes lugares. Las valoraciones han sido muy positivas, los usuarios que han probado las aplicaciones afirman que la interpretación de las pinturas les resulta más fácil y consiguen entender mejor el propósito de las mismas. El principal inconveniente encontrado es la falta de conocimiento sobre esta técnica y la pérdida de realismo en algunos casos debido a la oclusión, es decir, que los objetos virtuales no se posicionen por detrás de los objetos reales. La buena noticia es que esta tecnología evoluciona muy rápido y durante el desarrollo de la tesis ha habido avances muy grandes, entre ellos, el desarrollo de nuevas librerías de programación desarrolladas por Google y Apple, que proporcionan las herramientas necesarias para crear aplicaciones muy potentes e immersivas, donde el usuario se sentirá parte de los entornos creados. / [CA] La RA consisteix en la superposició d'elements virtuals sobre l'entorn real, de manera que l'usuari percep aquests elements com si formaren part de la realitat que està visualitzant. Les aplicacions de RA en dispositius mòbils permeten visualitzar el contingut virtual a través de la cambra del dispositiu. La RA és una eina de divulgació molt potent ja que permet afegir a la realitat qualsevol tipus d'informació, des d'un simple text informatiu a un model 3D interactiu. Té infinites utilitats, pot servir de guia en un museu, pot mostrar la recreació d'un monument destruït, o com en el cas d'estudi ací presentat, ajudar a la interpretació de pintures rupestres. Aquesta tesi parteix de la idea que la RA pot millorar molt la interpretació de l'art rupestre sense alterar ni danyar les pintures. Pot servir per a atraure a un públic major, donar a conéixer la història de les pintures rupestres i que al mateix temps el visitant tinga una experiència molt més enriquidora. Al llarg de la tesi s'ha estudiat en profunditat la tècnica de visualització de RA mitjançant dispositius mòbils. S'han analitzat les diferents llibreries de programació mitjançant casos d'estudi en entorns reals i analitzat els factors que poden afectar el reconeixement de les pintures. S'ha desenvolupat una aplicació de RA aplicada a un cas real de pintures rupestres i posteriorment ha sigut avaluada per un grup de persones. Finalment, s'ha estudiat l'efecte de la llum solar i els seus canvis al llarg del dia sobre el reconeixement d'imatges en entorns a l'aire lliure. Aquest treball proporciona un punt de partida per al desenvolupament d'aplicacions de RA aplicades a la difusió del patrimoni cultural, especialment centrat en l'art rupestre, un entorn que pateix d'unes dificultats afegides a causa de la seua localització, dificultat de reconeixement de punts característics en les pintures i els canvis en la llum solar, problemes que s'han tractat de resoldre al llarg de l'estudi. Les principals conclusions han sigut molt favorables, partint de llibreries de programació disponibles i gratuïtes. S'han pogut desenvolupar un conjunt d'aplicacions de RA en diferents llocs. Les valoracions han sigut molt positives, els usuaris que han provat les aplicacions afirmen que la interpretació de les pintures els resulta més fàcil i aconsegueixen entendre millor el propòsit d'aquestes. El principal inconvenient trobat és la falta de coneixement sobre aquesta tècnica i la perduda de realisme en alguns casos a causa de l'oclusió, és a dir, que els objectes virtuals no es posicionen per darrere dels objectes reals. La bona notícia és que aquesta tecnologia evoluciona molt ràpid i durant el desenvolupament de la tesi hi ha hagut avanços molt grans, entre ells, el desenvolupament de noves llibreries de programació per Google i Apple, que proporcionen les eines necessàries per a crear aplicacions molt potents i immersives, on l'usuari se sentirà part dels entorns creats. / [EN] AR consists of superimposing virtual elements on the real environment, so that the user perceives these elements as if they were part of the reality they are looking at. AR applications on smartphones allow virtual content to be visualised through the device's camera. AR is a very powerful tool for dissemination as it allows any type of information to be added to reality, from a simple informative text to an interactive 3D model. It can be used as a guide in a museum, it can show the recreation of a destroyed monument, or, as in the case study presented here, it can help in the interpretation of cave paintings. This thesis is based on the idea that AR can greatly enhance the interpretation of rock art without affecting or damaging the paintings. It can be used to attract a wider audience, to introduce the history of the rock art paintings and at the same time provide the visitor with a much more enriching experience. Throughout the thesis, the technique of AR visualisation using mobile devices has been studied in-depth. The different programming libraries have been analysed by means of case studies in real environments as well as the factors that can affect the paintings recognition. An AR application applied to a real case of rock art paintings has been developed and subsequently evaluated by a group of people. Finally, the effect of sunlight and its changes throughout the day on image recognition in outdoor environments has been studied. This work provides a starting point for the AR applications development applied to the dissemination of cultural heritage, especially focused on rock art, an environment that suffers from additional difficulties due to its location, the difficulty of characteristic points recognition and changes in sunlight, problems that have been tried to solve throughout the study. The main outcomes have been very favourable, using freely available programming libraries, and it has been possible to develop a set of AR applications in different places. The evaluations have been very positive, with users who have tested the applications confirming that the interpretation of the paintings is easier for them and they can better understand the purpose of the paintings. The major drawback is the lack of knowledge about this technique and the loss of realism in some cases due to occlusion, i.e. the virtual objects are not positioned behind the real objects. The good news is that this technology is evolving very fast and during the development of the thesis there have been great advances, among them, the development of new programming libraries developed by Google and Apple, which provide the necessary tools to create very powerful and immersive applications, where the user will feel part of the virtual environments created. / Blanco Pons, S. (2021). Analysis and Development of Augmented Reality Applications for the Dissemination of Cultural Heritage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178895 / TESIS / Compendio