增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR），也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)（中國臺(tái)灣地區(qū)）。

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、多傳感器融合、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。

AR系統(tǒng)具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬的信息集成；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)用于多等領(lǐng)域。

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。

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)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(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。

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(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(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。

* 水利水電勘察設(shè)計(jì)：在水利水電勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域，三維協(xié)同設(shè)計(jì)穩(wěn)步發(fā)展，可能會(huì)在不遠(yuǎn)的將來取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，AR技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用為水利水電三維模型的應(yīng)用提供了更好的展示手段，使得三維模型與二維的設(shè)計(jì)、施工圖紙能更加緊密地結(jié)合起來。AR技術(shù)在勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域中可以有效地應(yīng)用于實(shí)時(shí)方案比較、設(shè)計(jì)元素編輯、三維空間綜合信息整合、輔助決策和設(shè)計(jì)方案多方參與等方面。

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)。

微軟公司于2015年1月22日發(fā)布的HoloLens 全息眼鏡。

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。

現(xiàn)在已經(jīng)有多種用于AR 系統(tǒng)開發(fā)的工具包和API（application programming interface），如 ARToolKit 、
Coin3D 和 MR Platform等 ， 其中 ARTookit是一套開放源代碼的工具包 ，它主要由日本大阪大學(xué)的 Hirokazu 博士開發(fā)， 用于快速編寫 AR 應(yīng)用。ARTookit 受到了華盛頓大學(xué)人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)室和新西蘭坎特伯雷大學(xué)人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)室支持，已成為在 AR領(lǐng)域使用最廣泛的開發(fā)包 。許多AR 的應(yīng)用都使用ARTookit 或在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的版本來進(jìn)行開發(fā)的。ARToolkit 采用基于標(biāo)記的視頻檢測方法進(jìn)行定位，其工具包中包含了攝像頭校準(zhǔn)和標(biāo)記制作的工具，它支持將 Direct3D 、OpenGL 圖形和 vrml 場景合并到視頻流中（如圖所示），同時(shí)支持顯示器和 S-HMD等多種顯示設(shè)備。MR Platform 由日本的混合實(shí)境實(shí)驗(yàn)室開發(fā) ，其中包含了一個(gè)能減少人眼與頭盔上攝像機(jī)之間平行度誤差的 S-HMD 和一個(gè)運(yùn)行于 Linux 環(huán)境下的用C++語言開發(fā)的軟件開發(fā)工具包（SDK）。這個(gè)工具包中提供了攝像機(jī)校正工具 、視頻捕捉、圖像檢測和操縱6 自由度傳感器等開發(fā) AR 應(yīng)用的基本功能 。 [2]

雖然經(jīng)過了十幾年的研究，開發(fā)了以上的許多種工具包，但是幾乎所有 AR 系統(tǒng)仍然處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，研究者已經(jīng)開始考慮 AR在實(shí)用中面臨的一些基本問題，主要有以下幾個(gè)方面： [2]

（1）景物的生成與顯示

幾乎所有的 S-HMD 設(shè)備在明亮的環(huán)境下，其顯示的效果都比較暗，另外，由于頭戴式顯示器上的攝像機(jī)的攝像角度與眼睛的位置存在偏差，因此虛擬物體的定位在真實(shí)視場中的定位和顯示角度也會(huì)存在偏差且很難調(diào)整。

（2）定位錯(cuò)誤

定位錯(cuò)誤不可避免，民用 GPS 一般精度在 3m到12m 左右，在較差的天氣中，最大誤差可達(dá) 100m 。電子羅盤也會(huì)因?yàn)楦浇拇艌龈蓴_產(chǎn)生誤差。由于現(xiàn)有許多戶外的系統(tǒng)中的校正算法需要大量的輸入和繁瑣的校正步驟，因此不適合商業(yè)化應(yīng)用。

（3）通訊設(shè)備

多數(shù)系統(tǒng)都假設(shè)在帶寬滿足的情況下進(jìn)行操作，但實(shí)際情況并非如此，在絕大多數(shù)分布式 AR 應(yīng)用中，系統(tǒng)能力都要受制于數(shù)據(jù)傳送的速度。因此在大型協(xié)作 AR 系統(tǒng)中，還有賴于通過動(dòng)態(tài)興趣度管理算法和動(dòng)作預(yù)測算法來降低所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

（4）計(jì)算能力

在戶外AR 系統(tǒng)中，必須盡量減少客戶端配置，數(shù)據(jù)處理常由便攜式計(jì)算機(jī)，甚至是依靠掌上電腦來處理，因此，如何達(dá)到實(shí)時(shí)性和提高渲染效果是必須面對(duì)的一個(gè)問題。這也是目前 AR 研究中的熱點(diǎn)之一 。

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(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。

AR游戲最早的起源并非手機(jī)，而是NDS上的AR游戲。此類游戲大多數(shù)的玩法都是在桌面上擺放識(shí)別卡，識(shí)別卡片后通過手機(jī)屏幕與識(shí)別出來的內(nèi)容進(jìn)行交互。

2011年任天堂3DS主機(jī)內(nèi)置的《AR游戲》是利用攝像頭拍攝AR卡片來游玩的游戲，通過利用“AR技術(shù)”（虛擬擴(kuò)展技術(shù)），將攝像頭拍攝到的內(nèi)容以另外一種形式出現(xiàn)在屏幕內(nèi)。

游戲——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，由Niantic Lab出品的Ingress與Pokemon GO就都是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類游戲，中國一家公司開發(fā)的產(chǎn)品PP GUN也能通過和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器連接玩槍戰(zhàn)游戲。

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。