增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

技術(shù)原理

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR)，也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)(臺(tái)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(cè)、場(chǎng)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(chǎng)景圖片。它雖然簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(shì)。

　　* 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(shí)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(duì)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(chǎng)景，以虛擬替身的形式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)。

　　* 旅游、展覽領(lǐng)域：人們?cè)跒g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(chǎng)景中以直接獲得規(guī)劃的效果。

　　國(guó)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(guó)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(duì)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(jiǎn)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(huì)推動(dòng)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(huì)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(dòng)。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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(jí)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(chǎng)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(dòng)，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(dòng)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(shí)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(guó)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(guó)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(dòng)，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(guó)內(nèi)戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)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(guó)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(duì)生產(chǎn)方式和社會(huì)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(shì)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(zhǎng)。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(guó)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(guó)內(nèi)首款聚合了目前移動(dòng)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(dòng)互聯(lián)多資源整合平臺(tái)。

　　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(duì)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(tái)。