增强现实(Augmented Reality)是通过将虚拟信息无缝地嵌入真实场景中以扩展人类感知范围与能力的新兴技术。随着相关硬件、软件以及理论的不断成熟,增强现实技术开始活跃在越来越多的领域。由于增强现实技术可以让人们与周边环境实现互动,因此其在游戏领域的应用已经是一个研究热点。本文开展了增强现实游戏软件的设计和实现工作。首先,以一个基于三维小球的人机互动游戏为例,归纳了增强现实(AR)游戏软件典型的功能和性能需求,进而提出了AR游戏软件的总体设计架构,由视频输入与处理、场景融合渲染、显示与交互三个主要部分组成。然后,针对增强现实游戏存在的高实时性与高准确性要求,引入了一种新的L-K光流算法作为AR游戏软件中场景融合部分的核心并开展了相关的理论和仿真分析工作,结果表明,在跟踪识别过程中,该方法能够实现目标与背景像素的分别匹配,减少背景像素干扰,从而有效改善跟踪效果。其次,利用统一建模语言(Unified Modeling Language,UML),完成了AR游戏软件的概要设计,主要包括领域模型(静态)设计和动态模型设计两个部分,为软件的具体编程实现提供支持。其中,领域模型部分主要包括用例图和类图,动态模型部分主要包括时序图和各个软件功能模块的流程图。接下来,基于Python编程语言,完成了一个具有三维小球人机互动功能的AR游戏软件原型设计,该系统采用PyGame工具包开发,采用Maya进行3D建模与渲染。重点介绍了基于Python的AR游戏开发和运行环境构建,基于几何一致性的场景融合效果实现,以及上述领域模型中归纳的各个主要类的编码实现过程等相关内容。最后,本文介绍了AR游戏原型测试和验证方面的相关工作,主要包括针对核心的检测和跟踪部分算法的性能测试,以及软件整体运行时间性能等的测试工作,结果表明,该原型检测和跟踪速度性能满足需求,具备良好的几何一致性和准确的虚实遮挡关系,原型整体运行时间性能也能满足需求,取得了较好的效果。