增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

技術(shù)原理

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)(臺灣)。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。

主要特點(diǎn)

　　AR系統(tǒng)具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；②具有實(shí)時(shí)交互性；③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術(shù)可廣泛應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、建筑、教育、工程、影視、娛樂等領(lǐng)域。

組成形式

　　一個(gè)完整的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是由一組緊密聯(lián)結(jié)、實(shí)時(shí)工作的硬件部件與相關(guān)的軟件系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的，常用的有如下三種組成形式。

　　Monitor-Based

　　在基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR實(shí)現(xiàn)方案中，攝像機(jī)攝取的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器。用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場景圖片。它雖然簡單，但不能帶給用戶多少沉浸感。Monitor-Based增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示。

　　Monitor-based增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

　　光學(xué)透視式

　　頭盔式顯示器(Head-mounted displays,簡稱HMD)被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶的視覺沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于光學(xué)原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示。

　　光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

　　光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)也存在著定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價(jià)格高等不足。

　　視頻透視式

　　視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD(Video See-through HMD)，實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示。

　　視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域

　　AR技術(shù)不僅在與VR技術(shù)相類似的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂與藝術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而且由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域，具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢。

　　* 醫(yī)療領(lǐng)域：醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，輕易地進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位。

　　* 軍事領(lǐng)域：部隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行方位的識別，獲得實(shí)時(shí)所在地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。

　　* 古跡復(fù)原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)：文化古跡的信息以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過HMD看到古跡的文字解說，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構(gòu)。

　　* 工業(yè)維修領(lǐng)域：通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等。

　　*網(wǎng)絡(luò)視頻通訊領(lǐng)域：該系統(tǒng)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和人臉跟蹤技術(shù)，在通話的同時(shí)在通話者的面部實(shí)時(shí)疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，在很大程度上提高了視頻對話的趣味性。

　　* 電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域：通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在轉(zhuǎn)播體育比賽的時(shí)候?qū)崟r(shí)的將輔助信息疊加到畫面中，使得觀眾可以得到更多的信息。

　　* 娛樂、游戲領(lǐng)域：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲可以讓位于全球不同地點(diǎn)的玩家，共同進(jìn)入一個(gè)真實(shí)的自然場景，以虛擬替身的形式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)。

　　* 旅游、展覽領(lǐng)域：人們在瀏覽、參觀的同時(shí)，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將接收到途經(jīng)建筑的相關(guān)資料，觀看展品的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

　　* 市政建設(shè)規(guī)劃：采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將規(guī)劃效果疊加真實(shí)場景中以直接獲得規(guī)劃的效果。

　　國內(nèi)比較權(quán)威的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)者是北京理工大學(xué)光電工程系的王涌天教授

　　國內(nèi)首次將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到普通生活中，是在蘋果的AppStore上發(fā)布的一款免費(fèi)的叫作出行百科(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)版)XINGWIKI的軟件。

　　記事帖，人們希望將來可以很方便的在不同地點(diǎn)獲得同樣的媒體和信息，并且是跨越不同的設(shè)備上獲得-從PC到手機(jī)，從投影儀到頭戴式顯示器。怎樣能為用戶提供一致的和方便易行的方式來讓他們和對他們而言很重要的信息和媒體進(jìn)行交互，看以下的圖你就明白了，你所能操作的界面已經(jīng)不再是那一塊小小的電腦屏幕了，而是延伸到了更大的空間里,并且可以依據(jù)人們最為簡便的方式隨意的記錄下你某一時(shí)刻突然迸發(fā)出的靈感。

發(fā)展歷史

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器，將計(jì)算機(jī)生成的圖形疊加到真實(shí)世界中。自從二十世紀(jì)七十年代早期，Pong進(jìn)入電子游戲廳以來，視頻游戲走進(jìn)我們的生活已經(jīng)有30多年了，但是一直局限在屏幕中的2D世界中，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這一新技術(shù)的到來，將通過增強(qiáng)我們的見、聲、聞、觸和聽，進(jìn)一步模糊真實(shí)世界與計(jì)算機(jī)所生成的虛擬世界之間的界線。

　　從虛擬現(xiàn)實(shí)（創(chuàng)建身臨其境的、計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境）和真實(shí)世界之間的光譜來看，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)更接近真實(shí)世界。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將圖像、聲音、觸覺和氣味按其存在形式添加到自然世界中。由此可以預(yù)見視頻游戲會推動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，但是這項(xiàng)技術(shù)將不僅僅局限于此，而會有無數(shù)種應(yīng)用。從旅行團(tuán)到軍隊(duì)的每個(gè)人都可以通過此技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的圖像放在其視野之內(nèi)，并從中獲益。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將真正改變我們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅(qū)車行駛在路上。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器（最終看起來像一副普通的眼鏡），信息化圖像將出現(xiàn)在您的視野之內(nèi)，并且所播放的聲音將與您所看到的景象保持同步。這些增強(qiáng)信息將隨時(shí)更新，以反映當(dāng)時(shí)大腦的活動。在這篇文章中，我們將了解這項(xiàng)未來技術(shù)、其技術(shù)構(gòu)成以及如何使用該技術(shù)。

　　google 發(fā)布的 google glass是全球唯一一款真正意義上實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件設(shè)備。

　　Ingress 是全球最受歡迎的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)APP。

工作原理

　　移動式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的早期原型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的基本理念是將圖像、聲音和其他感官增強(qiáng)功能實(shí)時(shí)添加到真實(shí)世界的環(huán)境中。聽起來十分簡單。而且，電視網(wǎng)絡(luò)通過使用圖像實(shí)現(xiàn)上述目的不是已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了嗎？的確是這樣，但是電視網(wǎng)絡(luò)所做的只是顯示不能隨著攝像機(jī)移動而進(jìn)行調(diào)整的靜態(tài)圖像。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比您在電視廣播中見到的任何技術(shù)都要先進(jìn)，盡管增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的早期版本一開始是出現(xiàn)在通過電視播放的比賽和橄欖球比賽中，例如Racef/x和添加的第一次進(jìn)攻線，它們都是由SporTVision創(chuàng)造的。這些系統(tǒng)只能顯示從一個(gè)視角所能看到的圖像。下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將顯示能從所有觀看者的視角看到的圖像。

　　在各類大學(xué)和高新技術(shù)企業(yè)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還處于研發(fā)的初級階段。最終，可能到這個(gè)十年結(jié)束的時(shí)候，我們將看到第一批大量投放市場的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。一個(gè)研究者將其稱為“21世紀(jì)的隨身聽”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)要努力實(shí)現(xiàn)的不僅是將圖像實(shí)時(shí)添加到真實(shí)的環(huán)境中，而且還要更改這些圖像以適應(yīng)用戶的頭部及眼睛的轉(zhuǎn)動，以便圖像始終在用戶視角范圍內(nèi)。下面是使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正常工作所需的三個(gè)組件：

　　1.頭戴式顯示器

　　2.跟蹤系統(tǒng)

　　3.移動計(jì)算能力

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)人員的目標(biāo)是將這三個(gè)組件集成到一個(gè)單元中，放置在用帶子綁定的設(shè)備中，該設(shè)備能以無線方式將信息轉(zhuǎn)播到類似于普通眼鏡的顯示器上。讓我們分別來了解這個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)組件。

實(shí)際應(yīng)用

　　這項(xiàng)技術(shù)有數(shù)百種可能的應(yīng)用，其中游戲和娛樂是最顯而易見的應(yīng)用領(lǐng)域?？梢越o人們提供即時(shí)信息的不需要人們參與任何研究的任何系統(tǒng)，在相當(dāng)多的領(lǐng)域?qū)λ腥硕际怯袃r(jià)值的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以立即識別出人們看到的事物，并且檢索和顯示與該景象相關(guān)的數(shù)據(jù)。：

　　維修和建設(shè)——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以將標(biāo)記器連接到人們正在施工的特定物體上，然后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以在它上面描繪出圖像。

　　軍事——軍隊(duì)數(shù)十年來一直在設(shè)計(jì)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，美國海軍研究所已經(jīng)資助了一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究項(xiàng)目。國防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署（DARPA）已經(jīng)投資了HMD項(xiàng)目來開發(fā)可以配有便攜式信息系統(tǒng)的顯示器。其理念在于，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以為軍隊(duì)提供關(guān)于周邊環(huán)境的重要信息，例如顯示建筑物另一側(cè)的入口，這有點(diǎn)像X射線視覺。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器還能突出顯示軍隊(duì)的移動，讓士兵可以轉(zhuǎn)移到敵人看不到的地方。

　　即時(shí)信息——旅行者和學(xué)生可以使用這些系統(tǒng)了解有關(guān)特定歷史事件的更多信息。想像行走在美國內(nèi)戰(zhàn)的戰(zhàn)場上，并且在頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器上看到重現(xiàn)的歷史事件。它將使您沉浸在歷史事件中，有身臨其境之感，而且視角將是全景的。

　　游戲——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，中國一家公司開發(fā)的產(chǎn)品PP GUN已經(jīng)能通過和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器連接玩槍戰(zhàn)游戲。

國內(nèi)現(xiàn)狀

　　作為新型的人機(jī)接口和仿真工具，AR受到的關(guān)注日益廣泛，并且已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，顯示出了巨大的潛力。

　　AR是充分發(fā)揮創(chuàng)造力的科學(xué)技術(shù)，為人類的智能擴(kuò)展提供了強(qiáng)有力的手段，對生產(chǎn)方式和社會生活產(chǎn)生了巨大的深遠(yuǎn)的影響。

　　隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)容也勢必將不斷增加。而隨著輸入和輸出設(shè)備價(jià)格的不斷下降、視頻顯示質(zhì)量的提高以及功能很強(qiáng)大但易于使用的軟件的實(shí)用化，AR的應(yīng)用必將日益增長。AR技術(shù)在人工智能、CAD、圖形仿真、虛擬通訊、遙感、娛樂、模擬訓(xùn)練等許多領(lǐng)域帶來了革命性的變化。

　　總體來講，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在中國處于起步階段，許多虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)開始專注于“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的研發(fā)和應(yīng)用。比如中視典數(shù)字科技研發(fā)的VRP12.0就集成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

　　城市鏡頭是國內(nèi)首款聚合了目前移動互聯(lián)最新AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的智能手機(jī)應(yīng)用。并致力打造全新的城市導(dǎo)游、導(dǎo)覽、導(dǎo)購，景點(diǎn)與游客、商戶與用戶無縫鏈接全新的移動互聯(lián)多資源整合平臺。

　　舉起愛機(jī)，面向要去的方向。整街商鋪、公共設(shè)施悉數(shù)羅列。攝像頭實(shí)景展現(xiàn)功能，讓您看到、聽到、聞到，給您身臨其境，新奇有趣的導(dǎo)航體驗(yàn)。換個(gè)方向，又是完全不同的搜索結(jié)果，所謂“城市鏡頭手機(jī)中，前后左右鋪不同”。 給用戶以新奇實(shí)用的導(dǎo)航體驗(yàn)。

　　應(yīng)用整合了各城市旅游、餐飲、娛樂、購物、生活、媒體等人們生活中所需的一切信息，并有精準(zhǔn)的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）朝向數(shù)據(jù)導(dǎo)航，為用戶輕松定位、準(zhǔn)確指引。從而方便、快捷、有效的幫助人們對所需品的選擇，提高城市生活質(zhì)量。

　　該軟件還提供了全面的城市室內(nèi)導(dǎo)航、景點(diǎn)園區(qū)導(dǎo)航等攻略：如城市概況、景點(diǎn)園區(qū)導(dǎo)航（游覽項(xiàng)目介紹、距離、等待時(shí)間等）、商圈室內(nèi)導(dǎo)航、城市特色及文化推薦等，讓用戶輕松感受本地精華，做最好最全面的城市導(dǎo)游、導(dǎo)覽、導(dǎo)購新平臺。