增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念及分析

摘 要：介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的概念和產(chǎn)生背景，分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)和其在國(guó)內(nèi)外的部分應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛實(shí)配準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：N04；TP3；TP1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0139-03

Concept and Prospect of Augmented Reality Technology

GUO Dong

Abstract： This paper introduces the concept， background of augmented reality （AR） technology， analyses its main technical characteristics and application at home and abroad. The development of augmented reality technology is also mentioned.

Keywords： augmented reality technology， virtual reality technique， virtualreal registration

收稿日期：2014-06-11

作者簡(jiǎn)介：郭棟（1980—），男，山西太原人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部審查員，碩士，研究方向?yàn)橐壕э@示、有機(jī)電致發(fā)光等。通信方式：guodong@sipo.gov.cn。

引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)是一種既包括真實(shí)世界要素也包括虛擬世界要素的環(huán)境，其通過(guò)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的虛擬物體或其他信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的“增強(qiáng)”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在真實(shí)世界和虛擬世界之間搭建了一座橋梁，也為人機(jī)交互提供了一種新模式。

一 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)首先在游戲領(lǐng)域推廣實(shí)施，它可以讓全球玩家共同進(jìn)入一個(gè)模擬現(xiàn)實(shí)的自然場(chǎng)景，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指把原本在真實(shí)世界的一定空間范圍和時(shí)間范圍內(nèi)難以體驗(yàn)到的實(shí)體信息（包括視覺(jué)信息、聲音、味道、觸覺(jué)等），通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬仿真后疊加到真實(shí)世界，從而使其被人類感官所感知的新興技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度，并且疊加相同位置及角度的三維虛擬圖像，在使用者眼中，真實(shí)物體和虛擬物體同時(shí)存在，互為補(bǔ)充，來(lái)產(chǎn)生更加逼真的場(chǎng)景畫(huà)面合成。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展綜合了計(jì)算機(jī)圖形、光電成像、多傳感器、圖像處理、融合顯示、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等諸多學(xué)科的研究成果。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)的一個(gè)重要分支，是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也稱人工環(huán)境，其通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬產(chǎn)生虛擬的三維空間，給用戶提供各種感官的虛擬環(huán)境輸入，讓使用者能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)的是虛擬世界給人帶來(lái)的沉浸感，其主要目的在于使用戶能夠以自然方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則強(qiáng)調(diào)在真實(shí)世界中融入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的虛擬信息的能力。換言之，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不隔斷觀察者與真實(shí)世界之間的聯(lián)系，由于僅需要模擬部分虛擬信息，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有相對(duì)較低的硬件要求，同時(shí)由于用戶與真實(shí)世界的聯(lián)系仍然存在，人機(jī)交互方式也就顯得更加自然。

二 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特點(diǎn)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)主要特征是[2]：（1）虛實(shí)物體配準(zhǔn)；（2）顯示技術(shù)；（3）真實(shí)感繪制技術(shù)。

1. 虛實(shí)物體配準(zhǔn)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)成像系統(tǒng)的位置和方向進(jìn)行跟蹤，以便使虛體物體疊加在用戶視野內(nèi)的實(shí)際景物中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行三維建模后，實(shí)時(shí)地檢測(cè)出觀察者、成像系統(tǒng)相對(duì)于真實(shí)場(chǎng)景的位置信息，根據(jù)這些信息將虛擬物體投影至觀察者的視域范圍內(nèi)，即將真實(shí)場(chǎng)景圖像和虛擬物體兩者全方位“對(duì)齊”[3]。虛實(shí)物體配準(zhǔn)要求用戶在真實(shí)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終維持正確的配準(zhǔn)關(guān)系，具體的配準(zhǔn)方法主要包括基于硬件跟蹤器的配準(zhǔn)技術(shù)、基于視覺(jué)計(jì)算的配準(zhǔn)技術(shù)以及兩者混合的配準(zhǔn)技術(shù)，上述幾種配準(zhǔn)方法普遍還存在系統(tǒng)安裝不便及成本較高等問(wèn)題。

2. 顯示技術(shù)

通過(guò)在觀察者的眼睛和真實(shí)物體之間的光路上成像，顯示技術(shù)能夠使得虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景融合在一起。根據(jù)成像位置的差別，顯示技術(shù)主要可分為以下三類：手持式顯示技術(shù)、頭戴式顯示技術(shù)及空間顯示技術(shù)[4]。其中，空間顯示技術(shù)將顯示設(shè)備和人體分離，并且成像在離觀察者較遠(yuǎn)的位置，因此能顯示高分辨率、高亮度和高對(duì)比度的影像。例如，CCTV5在轉(zhuǎn)播2014年巴西世界杯時(shí)，在演播室就多次使用了空間顯示技術(shù)。而頭戴式顯示技術(shù)雖然分辨率較低，且視域也存在一定的局限性，但是其造價(jià)比較低，目前已成功應(yīng)用在谷歌眼鏡等智能設(shè)備上，配合谷歌眼鏡本身具有的陀螺儀和攝影鏡頭，可以將電腦或手機(jī)生成的內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)影像相疊加。

3. 真實(shí)感繪制技術(shù)

真實(shí)感繪制技術(shù)用于消除虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景之間的重疊邊緣，最終達(dá)到使觀察者感覺(jué)不到虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景之間差別的目的。

三 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念還比較模糊，經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力，迄今為止，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前比較有名的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)麻省理工學(xué)院的圖像導(dǎo)航外科手術(shù)室、哥倫比亞大學(xué)的圖形和用戶交互實(shí)驗(yàn)室、日本的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)的Arvika組織、新加坡的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)內(nèi)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)主要集中在高校的科研單位，例如北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)人民解放軍國(guó)防大學(xué)、浙江大學(xué)和上海大學(xué)等。其中北京理工大學(xué)自主研制了視頻、光學(xué)穿透式兩類頭盔顯示器，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)重建圓明園的實(shí)驗(yàn)也取得了重要進(jìn)展。上海大學(xué)快速制造工程中心與浙江大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景光源的實(shí)時(shí)檢測(cè)和真實(shí)感繪制框架。此外，在城市規(guī)劃、地下管網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域，我國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)的研究。

據(jù)報(bào)道，“數(shù)字敦煌”游客中心將于2014年9月正式對(duì)外開(kāi)放，游客中心屆時(shí)將循環(huán)播放介紹莫高窟歷史淵源的影片《千年敦煌》和展示莫高窟精美藝術(shù)的高清影片《夢(mèng)幻佛宮》。其中《夢(mèng)幻佛宮》的制作完成屬于“數(shù)字敦煌”工程的一部分，該工程包括虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和交互現(xiàn)實(shí)3個(gè)部分，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所、武漢大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)合完成，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展使敦煌瑰寶數(shù)字化，滿足了公眾對(duì)于敦煌古跡的欣賞、游覽、研究等需求。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了用于傳統(tǒng)文化保護(hù)領(lǐng)域，在軍事、航空、醫(yī)學(xué)和商業(yè)等領(lǐng)域，也具有廣泛的應(yīng)用前景。

四 結(jié) 語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用必將不斷地邁入新的階段。目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在定位較難和顯示效果不盡如人意等問(wèn)題，但是在相關(guān)領(lǐng)域科技進(jìn)步的推動(dòng)下，與人機(jī)交互密切相關(guān)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)不斷為眾多領(lǐng)域的發(fā)展提供新的切入點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用，也必將改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷?，值得引起我們的高度重視?/p>

參考文獻(xiàn)

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