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从上世纪六十年代以来计算机图形学技术迅速发展。在图形学领域中发展起来的虚拟现实技术已经成功的应用于各行各业,虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)就是增强现实技术的前身。目前,增强现实也越来越多的应用到工业、医疗、教育等领域,能够更好地协助人们完成各种各样的工作。因此,对增强现实技术的学习和研究具有深刻的现实意义。而三维注册技术是增强现实的关键技术之一,它是把计算机生成的虚拟物体等融合到用户感知的真实世界中的一种技术,对人的视觉系统增强或行为指引的技术。三维注册的根本任务就是要确定虚拟模型在不同坐标系中的坐标关系,并将这个虚拟物体实时地显示在正确的位置。本文通过研究特征平面映射实现三维注册。首先,针对单目摄像头环境下增强现实系统的三维注册研究现状,确定了室内实验环境和实验对象,利用OpenCV来实现视频图像的采集,简要的介绍了基于颜色特征的直方图。并在此基础之上,通过对图像的阈值分割描述来确定合适的阈值,将目标区域从背景分离开来；将目标区域的边缘从图像中检测出来,从而了限定模板的搜索区域。其次,定义了目标对象的自然特征点,并据此提出了特征点的筛选方法,实现了在本文实验室环境下,对有效的目标对象的特征角点进行识别。另外,介绍了三维注册中的图像平面坐标系、世界坐标系和摄像机坐标系之间的坐标转换关系。注册定位技术要解决的问题就是实时地计算出视频捕捉部分的摄像头坐标系相对于自然特征点坐标系之间的位姿关系,根据这些信息确定所要添加的虚拟信息的映射位姿(位置与姿态)。在摄像机的透视投影变换情况下,摄像机与一个图像平面之间的变换是透视投影变换。通过这个原理以及坐标转换关系,本文利用图像特征点和它在摄像机成像平面点的对应关系,由特征点建立的世界坐标系,分析了三对坐标的转换关系,并得到摄像机坐标相对世界坐标系关系转换矩阵,实现虚拟物体在实验环境中的注册。最后,本文依托图形图像工具以及计算机视觉库,分析了实验环境和实验中的系统架构,完成了基于单目摄像头三维注册的增强现实系统实验,对整个运行流程框架进行了研究,并分析了注册误差来源。实验结果表明,本文的方法能够较好的完成注册,并且满足准确性和实时性要求。