增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

吳雪薇　王利雙　張盈盈

【摘 要】近幾年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅猛發(fā)展，本文將基于在華專利申請(qǐng)分析，對(duì)現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行綜述性的介紹。本文的研究重點(diǎn)是在全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，著重研究中國(guó)境內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)的發(fā)展，通過分析近幾年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，為國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者提供參考。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);智能交互;虛擬顯示

中圖分類號(hào)： TP18;TU984 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）30-0223-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.114

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的升級(jí)，人們不滿足于能夠呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，越來越期待能夠與虛擬世界進(jìn)行交互，因而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)Augment Reality（AR）能夠?qū)⑻摂M場(chǎng)景和真實(shí)世界中的場(chǎng)景無縫融合，并將融合后的場(chǎng)景呈現(xiàn)給用戶，使得用戶能夠通過自然的操作與虛擬世界進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視鏡仿真和信息交流。隨著跟蹤注冊(cè)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)性能的飛速發(fā)展，深度攝像機(jī)的普及等技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成為近年來的技術(shù)研究熱點(diǎn)，在娛樂、游戲等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

AR技術(shù)的原理主要是通過追蹤虛擬物體在真實(shí)環(huán)境中的三維坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)環(huán)境的實(shí)時(shí)融合，由此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要表現(xiàn)出三個(gè)特點(diǎn)：（1）真實(shí)環(huán)境與虛擬世界的融合;（2）具備實(shí)時(shí)交互性;（3）在三維空間中定位展現(xiàn)虛擬物體。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)

2.1 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)

三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)是指系統(tǒng)實(shí)時(shí)精確計(jì)算攝像機(jī)相對(duì)于真是世界的位置和姿態(tài)，以便將虛擬場(chǎng)景正確的安置到它所應(yīng)處的位置，以便于按照觀察者的視場(chǎng)重建坐標(biāo)系。常用的三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)主要有三類：一種是基于硬件設(shè)備的跟蹤注冊(cè)技術(shù)，即基于位置的跟蹤技術(shù)，一種是基于機(jī)器視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)，還有一種是基于混合的跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

近年來的國(guó)內(nèi)相關(guān)專利申請(qǐng)情況如圖1所示。

圖1 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1.1 基于位置的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于位置的三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)類方案主要特點(diǎn)在于根據(jù)信號(hào)的發(fā)射器和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對(duì)空間位置和方向以及移動(dòng)信息，進(jìn)而計(jì)算出攝像機(jī)或者智能設(shè)備相對(duì)于正式世界的姿態(tài)?；谖恢玫娜S跟蹤注冊(cè)技術(shù)主要涉及全球定位系統(tǒng)（GPS），超聲波定位儀，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺儀，磁跟蹤器，加速度傳感器，3維電子羅盤，機(jī)械跟蹤器等等硬件傳感器，通過搭載上述傳感器的便攜設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

2.1.2 基于視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)即是從真實(shí)環(huán)境中獲取一幅或者多幅圖像，然后標(biāo)定攝像機(jī)與目標(biāo)間的相對(duì)位置和方向。

2.2 虛實(shí)融合顯示技術(shù)

將虛擬目標(biāo)添加到真實(shí)視頻場(chǎng)景中并顯示給用戶，給用戶以良好的視覺感觀是虛實(shí)融合顯示需要解決的問題。將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息與用戶所處真實(shí)環(huán)境融合在一起，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的第二核心技術(shù)。目前，顯示常常依托的技術(shù)有手持式顯示器，空間投影顯示以及可穿戴式顯示器例如頭盔等。

近年來的國(guó)內(nèi)相關(guān)專利申請(qǐng)情況如圖2所示。

圖2 虛擬融合顯示技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.2.1 移動(dòng)手持式顯示

手持式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備借用手持式移動(dòng)終端如手機(jī)、平板電腦等的顯示屏幕作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像的顯示設(shè)備。手持式顯示設(shè)備所生成的圖像可以在手臂伸展的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，然而顯然需要至少占用一只手，將會(huì)對(duì)使用者的操作與控制帶來不便，同時(shí)使用移動(dòng)終端顯示屏幕作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備時(shí)，還對(duì)移動(dòng)終端自身的性能和能耗都提出了較高的要求。

2.2.2 空間式顯示

空間式顯示設(shè)備通過多種技術(shù)使得用戶可以直接參與到三維空間的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互中，具體包括基于屏幕的視頻穿透顯示、空間光學(xué)穿透顯示和基于投影的空間顯示燈。投影設(shè)備能夠?qū)D像投影到大范圍的環(huán)境中，更適合室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境。然而空間式顯示設(shè)備由于其體積龐大，只能應(yīng)用于固定的顯示領(lǐng)域，缺乏沉浸式體驗(yàn)，但對(duì)于演示三維模型等應(yīng)用具有突出的優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 可穿戴式顯示

可穿戴顯示設(shè)備一般都集成有雙攝像頭，以及雙目顯示器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬場(chǎng)景融合的立體顯示效果。除了這種基于攝像機(jī)視頻捕捉到雙目顯示器的視頻透視穿戴顯示設(shè)備，透過將疊加的虛擬物體和數(shù)字信息直接投影到光學(xué)眼鏡片的光學(xué)透視可穿戴顯示設(shè)備也是未來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)穿戴顯示設(shè)備便攜化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 智能交互技術(shù)

交互技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中與顯示技術(shù)和跟蹤注冊(cè)技術(shù)密切相關(guān)的技術(shù)，滿足了人們?cè)谔摂M和現(xiàn)實(shí)世界自然交互的愿望。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身作為一種新型的人機(jī)交互接口，存在多種方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可分為四類：鼠標(biāo)、鍵盤及手柄交互技術(shù)、觸敏顯示屏交互技術(shù)、三維手勢(shì)交互技術(shù)、投影交互技術(shù)，人機(jī)交互技術(shù)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)帶來了廣泛的應(yīng)用。

近年來的國(guó)內(nèi)相關(guān)專利申請(qǐng)情況如圖3所示。

圖3 智能交互技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 鼠標(biāo)、鍵盤及手柄交互技術(shù)

傳統(tǒng)的人機(jī)交互手段，如鼠標(biāo)，鍵盤及手柄，其操作方式并不能很好的適應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這種需要在現(xiàn)實(shí)三維空間進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)的全新應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3.2 觸敏顯示屏交互技術(shù)

觸摸屏雖然在一定程度上方便了人的輸入操作，提高了一些用戶體驗(yàn)，只能將人手固定于物理存在的二維屏幕平面上進(jìn)行操作，這也不符合人最自然的操作習(xí)慣，會(huì)受設(shè)備物理尺寸的限制，需要占據(jù)一定的物理空間，且屏幕易受環(huán)境光線影響，操控起來并不方便，用戶體驗(yàn)也受到很大的限制。

2.3.3 三維手勢(shì)交互技術(shù)

使用電子設(shè)備捕獲用戶手勢(shì)、動(dòng)作作為輸入，降低了用戶對(duì)操作設(shè)備的學(xué)習(xí)成本，符合人體自然地交互操控與便攜信息處理硬件設(shè)備的分體設(shè)計(jì)，使人能夠更集中精力于其所關(guān)注的信息而不是硬件設(shè)備本身，無需物理存在的鍵盤或觸摸屏，人體動(dòng)作捕捉或手勢(shì)識(shí)別這種全新的三維空間交互技術(shù)，能夠以更準(zhǔn)確的方式讓使用者在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)與虛擬物體的互動(dòng)，同時(shí)輔助逐漸成熟的語音識(shí)別、3D虛擬環(huán)繞聲、虛擬觸感反饋等多模態(tài)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更自然的虛實(shí)融合的人機(jī)交互方式，從而極大地增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。

2.3.4 投影交互技術(shù)

投影互動(dòng)觸摸技術(shù)，將操作菜單等可交互操作的畫面投影到一平面內(nèi)，區(qū)別于將圖像生成與固定的設(shè)備表面，投影交互技術(shù)能夠?qū)D像投影到大范圍的環(huán)境之中，更適合室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)中文專利庫中與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：現(xiàn)有技術(shù)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心技術(shù)主要在于三塊：三維跟蹤注冊(cè)、虛實(shí)融合顯示以及智能交互技術(shù)。其中，這三類技術(shù)的申請(qǐng)量差距并不太大，主要原因在于，一個(gè)完整的能給用戶實(shí)現(xiàn)良好體驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，給目標(biāo)物體定位并進(jìn)行虛實(shí)場(chǎng)景融合顯示給用戶，并進(jìn)行交互，這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)無法繞開。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這個(gè)領(lǐng)域目前比較活躍，將虛擬環(huán)境與真實(shí)場(chǎng)景無縫結(jié)合，使用戶能不僅能夠與真實(shí)場(chǎng)景交互，同時(shí)也能與虛擬物體交互，擴(kuò)大了用戶對(duì)世界的認(rèn)知，其重點(diǎn)在于增加用戶的沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)從2010年開始猛增，隨后一直保持著增長(zhǎng)趨勢(shì)，VR技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。但是目前，AR技術(shù)也存在一些問題，技術(shù)核心難點(diǎn)在于，圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合觀察者的相對(duì)位置以及三維坐標(biāo)等信息進(jìn)行定位來判斷物體所處的位置，如何做到對(duì)應(yīng)的精確性和實(shí)時(shí)性;虛實(shí)融合的可穿戴式設(shè)備如何做到小而精致，且能夠提供良好的融合沉浸感。