14浅谈增强现实

14浅谈增强现实

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浅谈增强现实（AR）技术；摘要:；增强现实技术是近年来的一个研究热点，有着广泛的应；引言：；所谓增强现实技术，即AugmentedReali；一．背景介绍；增强现实的产生得益于二十世纪六十年代以来计算机图；1986年，Furness研制的VCASS系统采；1986年，美国北卡大学（UNCatChapel；1993年，美国哥伦比亚大学的Feiner教授等；20

浅谈增强现实（AR）技术

摘要:

增强现实技术是近年来的一个研究热点，有着广泛的应用前景增强。现实是把计算机产生的虚拟物体或其他信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术。它是对真实世界的补充，而不是完全替代真实世界。随着计算机技术的发展，增强现实技术逐渐成为下一代人机接口技术发展的主要方向之一。增强现实技术通过跟踪用户在真实场景中所处的位置，将计算机生成的图形图像以及声音等信息“叠加”在用户感知的真实世界上，是用户可以容易地进入人们本来不能进入的微观世界，以及人们不能直接进入的特殊环境，并为人们的研究工作构造理想的交互环境，比如观察分子立体结构、探索基因芯片本质的增强现实系统等。增强现实技术与计算机图形学、人机交互技术、网络多媒体技术相结合，广泛应用于医学、工业、娱乐等方面。Azuma是这样定义增强现实的：虚实结合，实时交互，三维注册。 关键词：增强现实技术；虚拟现实，用户交互，三维注册。

引言：

所谓增强现实技术，即Augmented Reality ，其实就是把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等)，通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，这种技术叫做增强现实技术,简称AR技术。它是一种全新的人机交互技术，利用这样的一种技术，可以模拟真实的现场景观，它是以交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其它客观限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。AR把虚拟的图像和文字讯息与现实生活景物结合在一起,现在，很多AR应用已经在Android和iPhone智能手机上纷纷亮相 ，呈现效果让大家惊艳不已。

一．背景介绍

增强现实的产生得益于二十世纪六十年代以来计算机图形学技术的迅速发展，实际上图形学领域的虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）就是AR技术的前身。当时，美国哈佛大学Ivan Sutherland教授发明了光学头盔显示器（see-through Head-Mounted Display,简称STHMD）显示计算机生成的3D图形。20世纪80年代到90年代，AR的发展较为成熟，一些公司和高校不断研制出完善的AR系统，其中比较好的有：

1986年，Furness研制的VCASS系统采用头盔显示器将射程、射击目标等作战信息显示在飞行员的视野上。

1986年，美国北卡大学（UNC at Chapel Hill)研制出用于实现生物化学和建筑可视化的STHMD系统。

1993年，美国哥伦比亚大学的Feiner教授等人设计了一个基于知识的AR系统，即KARMA系统。该系统用于指导机械维修，可以将有关技术说明叠加在激光打印机上，辅助技术人员完成维修工作，这样，技术人员再也不用带着大量笨重的资料在身边，边进行维修工作，边查阅身边的资料，一旦出现难题、紧急情况，就会不知所措。

20世纪90年代初期，另一个非常著名的AR系统，是美国波音公司的Tom Caudell和

他的同事设计了一个辅助布线系统。该系统应用S-HMD把简单线条绘制的布线路径和文字提示信息实时地叠加在机械师的视野中，而这些信息则可以帮助机械师一步一步地完成一个拆卸过程，减少日常工作中出错的机会。

此外，用于快速开发的开源软件工具ARToolkit也由华盛顿大学的图形实验室成功开发并维护至今。

二．应用领域

增强现实的应用是一个虚、实结合的应用，它借助于计算机图形和可视化技术，产生现实环境中不存在的虚拟现象，并通过传感技术将虚拟对象准确放在真实环境中，借助显示设备将虚拟现象与真实环境融为一体。基于这样一个背景，增强现实硬件平台的组成包括：计算机系统、视频输入切换、人机交互系统、动作捕捉跟踪系统、视频显示系统、传感系统。 增强现实要求的硬件系统比较容易实现，因此被广泛的应用于多个领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等。同时，由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等方面应用也越来越多。以下简列几个主要的应用领域：

1.医疗领域：

医生可以利用增强现实技术，轻易地进行手术部位的精确定位。由于成像技术在医疗方面的普遍应用，增强现实技术也发展成为辅助医疗的一种重要手段，在医学领域得到广泛应用，它可作为一种可视化的手术辅助工具，用图像来指导外科手术的完成。比如：北卡罗莱纳大学的AR辅助B超检查和胸部活组织

切片；伦敦Guy's医院MAGI项目协助医生从耳道中去出神经瘤；卡内基梅隆大学的“魔眼”工程；布朗大学的外壳手术培训系统。

2.教育、娱乐、游戏领域：

增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家，共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。美国华盛顿大学人机界面技术实验室设计的名为MagicBook的增强现实系统，使用户在看到书上文字时可以看到文字所描述物体的三维模型。欧洲计算机工业研究中心的机械模型注解，使人们在看到模型的同时看到模型各个部件的名称。

3.工业领域

SONY公司TransVision增强现实样机系统，参与者可以看到逼真的图像。通过头盔显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。

4.生活领域

应用于大型活动、产品发布会、舞台剧场表演等各种现场。将虚拟对象与真实舞台环境或活动现场完美叠加，透过大屏幕或投影仪为观众呈现出一个梦幻与现实混合的三维奇境。

5.文化领域

文化古迹的信息以增强显示的方式提供给参观者，用户不仅可以通过HMD看到古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。由中国科学院计算机研究所、武汉大学和浙江大学联手攻关的“数字敦煌”工程，预计完成需要10年至20年的时间，包括虚拟现实、增

强现实和交互现实3个部分。

6.商业领域

人们逛街的时候有没有试过看中了很多件衣服，可是却不好意思跟售货员说你全部想试一下? 或许你根本也没有这么多时间把所有衣服都换上？科技改变生活，也改变我们的购物习惯。从前我们从实体店购物，到近几年疯狂的网上购物。今天我们把传统的服装零售模式也可以改变过来。 即“虚拟试衣”，“虚拟试衣”的概念很早就已经存在，可是当时技术还未跟上，以至试衣体验未能如意。但今天我们的科技发展迅速，不只可以做到面部识别，体感识别亦已经做得相当准确。要介绍的是Total Immersion最新推出的Trylive Clothing的虚拟试衣系统。Total Immersion早前推出的眼镜试戴等应用的效果反应亦非常好，如今推出的Trylive Clothing就更加展示了它们于体感技术方面的成果。3D的衣服是可随着试衣者的动作而产生变化。而3D的衣服亦是360度前后可看，非旧式的虚拟系统般只作2D展示或只可作正面观看。而系统亦加入了立即购买的功能，用户可把试后合心意的衣服直接加入购物篮。这样的试衣方式不但节省空间，亦为试身者减去了更衣的麻烦。当然，这个新的创意技术还可为你的店铺吸引不少顾客。日本新宿高岛屋百货公司内的数字化妆镜，使用者站在机器面前，选择相应的化妆用品，通过反复比较，最终选择自己心仪的化妆品。

三、技术特点

构造一个AR系统需要解决很多的关键技术问题，这主要有显示技术，跟踪和定位技术，界面和可视化技术以及标定技术。

1.显示技术

用于AR的显示显示器有头盔显示器、手持显示器和投影显示器。

头盔显示器是将显示器戴在头上，在眼睛前方呈现图像，分两种：光学透视和视频透视。光学透视HMD在用户眼睛前面放置光学合成器，合成器是部分透明的，用户透过它可以直接看到真实世界。手持显示器是一种平面LCD显示器，使用捆绑的摄像机提供基于视频透视的增强，手持显示器充当一个窗口或放大镜，显示用AR覆盖的真实对象。投影显示器是将所需的虚拟信息直接投影到真实对象上进行增强，最简单的情况是，将增强信息直接投影到对象表面上，这样无需戴特殊的眼镜。

目前使用较多的还是透视显示器，但是透视显示器的缺点是没有足够的亮度、分辨率和视域以及对比度，因而无法支持广泛的虚实结合。另外，还有两个问题：一是，大多数视频透视显示器存在视差错误，这是由于捆绑摄像机的位置偏离了真实的眼睛位置；二是，大多数显示器需要固定眼睛的位置。

2.跟踪和定位技术

为了交互，AR需要进行定位，因而准确地跟踪用户的位置和视域方向是十分重要的，对于室内环境，通常预先在已知的位置上放置基准的标记，通过跟踪这些标记跟踪真实对象，从而扩大跟踪范围。对于室外，移动的AR应用，一般使用GPS和Dead Reckoning技术跟踪计算对象在户外的实时位置，另外还可以根据跟踪可见的水平轮廓或已绘制的周围建筑物的预知视图，与视频进行匹配。但是目前这些方法还不支持实时运行，而更适于特殊效果和后期制作的应用。

3.界面和可视化

目前许多研究人员在考虑用户如何与AR应用进行交互，以及如何有效地在AR显示器

上表现信息，与虚拟信息进行交互式很困难的，AR交互手段研究有两个趋势：第一，使用不同的设备，取各家之长；第二，通过切实可行的界面，使虚拟对象与自然界成为一个整体。

4.标定技术

为了生成准确的定位，AR系统需要进行大量的标定，测量的值包括：摄像机参数，视域范围，传感器的偏移，对象定位以及变形等。目前AR标定使用摄像机标定原理，以及许多手动AR标定技术，避免进行标定的一个方法是开发标定自由的绘制器。为了减少标定需要，必须自动标定，这需要使用冗余的传感器信息，自动地测量和补偿变化的标定参数。

四、未来发展

20 年来取得了很大的发展，但是还是存在很多技术方面的难

题。例如透视式系统没有足够的亮度、分辨率和对比度。目前的大多数系统都是运用于预知的环境中，而在非预知的环境中的增强现实系统比较少。同时，如果增强现实系统运用于户外用户必须戴上计算机、传感器、显示器、电池等许多设备。从而使得系统显得笨重，所以系统的微型化和低能耗也是一个重要的研究方向。

在网络高度发展的今天，增强现实系统的网络化也是一个重要的发展趋势。通过网络，可以减少一些装备，同时也可以大大提高增强现实系统的效能。图4 是Keith 等提出的增强现实系统网络化的构想图，通过GPS 无线接入网络可以将增强现实系统连上因特网。 和虚拟现实系统不同,增强现实系统的实时性要求非常高。前者的某些数据可以事先计算好，而增强现实系统中的虚拟物体必须实时地生成，并被准确地描绘到现实世界的景象中。这就要求降低系统的延迟性，提高软件的计算速度。 虽然增强现实技术在近

五、我的看法

增强现实技术会给我们的生活带来巨大的方便，也会给我们的世界造成巨大的影响，可以说是好处多多。但目前国内致力于增强现实技术的公司屈指可数，除了个别大型互联网公司在现有业务外对其进行试水之外（如盛大的“切客”），真正拥有移动增强现实技术并能进行开发的公司几乎是凤毛麟角。下一阶段我国应该着重致力于增强现实技术的开发。我觉得在今后的10年里，谁能抓住这一技术的前沿，谁就能成为IT新行业的领航者，它也会让我们的未来变得更加方便，更有乐趣。

参考文献：

1.百度百科：http://www.

2.霍明霞 齐文炎 基丁----增强现实的机器人遥操作系统----【期刊论文】

3.陈靖，王涌天，闰达远-----增强现实系统及其应用----计算机工程与应用

4.哈涌刚, 周雅, 王涌天, 闫达远. 用于增强现实的头盔显示器的设计[J]. 光学技术

5. 刘聚卑, 庄天戈. 虚拟现实在医学上的应用[J]. 北京生物医学工程, 2000, 19(1).

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