增強現實技術

增強現實技術，它是一(yī)種将真實世界信息和虛拟世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一(yī)定時間空間範圍内很難體(tǐ)驗到的實體(tǐ)信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學技術，模拟仿真後再疊加，将虛拟的信息應用到真實世界，被人類感官所感知(zhī)，從而達到超越現實的感官體(tǐ)驗。真實的環境和虛拟的物(wù)體(tǐ)實時地疊加到了同一(yī)個畫面或空間同時存在。

增強現實技術，不僅展現了真實世界的信息，而且将虛拟的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。在視覺化的增強現實中(zhōng)，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一(yī)起，便可以看到真實的世界圍繞着它。

增強現實技術包含了多媒體(tǐ)、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。增強現實提供了在一(yī)般情況下(xià)，不同于人類可以感知(zhī)的信息。

AR系統具有三個突出的特點：①真實世界和虛拟的信息集成；②具有實時交互性；③是在三維尺度空間中(zhōng)增添定位虛拟物(wù)體(tǐ)。AR技術可廣泛應用于多等領域。

一(yī)個完整的增強現實系統是由一(yī)組緊密聯結、實時工(gōng)作的硬件部件與相關的軟件系統協同實現的，常用的有如下(xià)三種組成形式。

頭盔式顯示器（Head-mounted displays，簡稱HMD）被廣泛應用于虛拟現實系統中(zhōng)，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現實技術的研究者們也采用了類似的顯示技術，這就是在AR中(zhōng)廣泛應用的穿透式HMD。根據具體(tǐ)實現原理又(yòu)劃分(fēn)爲兩大(dà)類，分(fēn)别是基于光學原理的穿透式HMD（Optical See-through HMD）和基于視頻合成技術的穿透式HMD（Video See-through HMD）。光學透視式增強現實系統實現方案如下(xià)圖所示。

視頻透視式

視頻透視式增強現實系統采用的基于視頻合成技術的穿透式HMD（Video See-through HMD），實現方案如圖5所示。

* 工(gōng)業維修領域：通過頭盔式顯示器将多種輔助信息顯示給用戶，包括虛拟儀表的面闆、被維修設備的内部結構、被維修設備零件圖等。

*網絡視頻通訊領域：該系統使用增強現實和人臉跟蹤技術，在通話(huà)的同時在通話(huà)者的面部實時疊加一(yī)些如帽子、眼鏡等虛拟物(wù)體(tǐ)，在很大(dà)程度上提高了視頻對話(huà)的趣味性。

* 電視轉播領域：通過增強現實技術可以在轉播體(tǐ)育比賽的時候實時的将輔助信息疊加到畫面中(zhōng)，使得觀衆可以得到更多的信息。

* 旅遊、展覽領域：人們在浏覽、參觀的同時，通過增強現實技術将接收到途經建築的相關資(zī)料，觀看展品的相關數據資(zī)料。

國内首次将這項技術應用到普通生(shēng)活中(zhōng)，是在蘋果的AppStore上發布的一(yī)款免費的叫作出行百科（增強現實版）XINGWIKI的軟件。

記事帖，人們希望将來可以很方便的在不同地點獲得同樣的媒體(tǐ)和信息，并且是跨越不同的設備上獲得-從PC到手機，從投影儀到頭戴式顯示器。怎樣能爲用戶提供一(yī)緻的和方便易行的方式來讓他們和對他們而言很重要的信息和媒體(tǐ)進行交互，看以下(xià)的圖你就明白(bái)了，你所能操作的界面已經不再是那一(yī)塊小(xiǎo)小(xiǎo)的電腦屏幕了，而是延伸到了更大(dà)的空間裏，并且可以依據人們最爲簡便的方式随意的記錄下(xià)你某一(yī)時刻突然迸發出的靈感。

* 水利水電勘察設計：在水利水電勘察設計領域，三維協同設計穩步發展，可能會在不遠的将來取代傳統的二維設計，AR技術在設計領域的應用爲水利水電三維模型的應用提供了更好的展示手段，使得三維模型與二維的設計、施工(gōng)圖紙(zhǐ)能更加緊密地結合起來。AR技術在勘察設計領域中(zhōng)可以有效地應用于實時方案比較、設計元素編輯、三維空間綜合信息整合、輔助決策和設計方案多方參與等方面。

增強現實顯示器，将計算機生(shēng)成的圖形疊加到真實世界中(zhōng)。自從二十世紀七十年代早期，Pong進入電子遊戲廳以
來，視頻遊戲走進我(wǒ)們的生(shēng)活已經有30多年了，但是一(yī)直局限在屏幕中(zhōng)的2D世界中(zhōng)，而增強現實這一(yī)新技術的到來，将通過增強我(wǒ)們的見、聲、聞、觸和聽(tīng)，進一(yī)步模糊真實世界與計算機所生(shēng)成的虛拟世界之間的界線。

增強現實将真正改變我(wǒ)們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅車(chē)行駛在路上。通過增強現實顯示器（最終看起來像一(yī)副普通的眼鏡），信息化圖像将出現在您的視野之内，并且所播放(fàng)的聲音将與您所看到的景象保持同步。這些增強信息将随時更新，以反映當時大(dà)腦的活動。在這篇文章中(zhōng)，我(wǒ)們将了解這項未來技術、其技術構成以及如何使用該技術。

移動式增強現實系統的早期原型增強現實的基本理念是将圖像、聲音和其他感官增強功能實時添加到真實世界的環境中(zhōng)。聽(tīng)起來十分(fēn)簡單。而且，電視網絡通過使用圖像實現上述目的不是已經有數十年的曆史了嗎(ma)？的确是這樣，但是電視網絡所做的隻是顯示不能随着攝像機移動而進行調整的靜态圖像。增強現實遠比您在電視廣播中(zhōng)見到的任何技術都要先進，盡管增強現實的早期版本一(yī)開(kāi)始是出現在通過電視播放(fàng)的比賽和橄榄球比賽中(zhōng)，例如Racef/x和添加的第一(yī)次進攻線，它們都是由SporTVision創造的。這些系統隻能顯示從一(yī)個視角所能看到的圖像。下(xià)一(yī)代增強現實系統将顯示能從所有觀看者的視角看到的圖像。

2、跟蹤系統

增強現實的開(kāi)發人員(yuán)的目标是将這三個組件集成到一(yī)個單元中(zhōng)，放(fàng)置在用帶子綁定的設備中(zhōng)，該設備能以無線方式将信息轉播到類似于普通眼鏡的顯示器上。讓我(wǒ)們分(fēn)别來了解這個系統中(zhōng)的每個組件。

現在已經有多種用于AR 系統開(kāi)發的工(gōng)具包和API（application programming interface），如 ARToolKit 、
Coin3D 和 MR Platform等 ， 其中(zhōng) ARTookit是一(yī)套開(kāi)放(fàng)源代碼的工(gōng)具包 ，它主要由日本大(dà)阪大(dà)學的 Hirokazu 博士開(kāi)發， 用于快速編寫 AR 應用。ARTookit 受到了華盛頓大(dà)學人機界面實驗室和新西蘭坎特伯雷大(dà)學人機界面實驗室支持，已成爲在 AR領域使用最廣泛的開(kāi)發包 。許多AR 的應用都使用ARTookit 或在其基礎上改進的版本來進行開(kāi)發的。ARToolkit 采用基于标記的視頻檢測方法進行定位，其工(gōng)具包中(zhōng)包含了攝像頭校準和标記制作的工(gōng)具，它支持将 Direct3D 、OpenGL 圖形和 vrml 場景合并到視頻流中(zhōng)（如圖所示），同時支持顯示器和 S-HMD等多種顯示設備。MR Platform 由日本的混合實境實驗室開(kāi)發 ，其中(zhōng)包含了一(yī)個能減少人眼與頭盔上攝像機之間平行度誤差的 S-HMD 和一(yī)個運行于 Linux 環境下(xià)的用C++語言開(kāi)發的軟件開(kāi)發工(gōng)具包（SDK）。這個工(gōng)具包中(zhōng)提供了攝像機校正工(gōng)具 、視頻捕捉、圖像檢測和操縱6 自由度傳感器等開(kāi)發 AR 應用的基本功能 。 [2]

（1）景物(wù)的生(shēng)成與顯示

幾乎所有的 S-HMD 設備在明亮的環境下(xià)，其顯示的效果都比較暗，另外(wài)，由于頭戴式顯示器上的攝像機的攝像角度與眼睛的位置存在偏差，因此虛拟物(wù)體(tǐ)的定位在真實視場中(zhōng)的定位和顯示角度也會存在偏差且很難調整。

定位錯誤不可避免，民用 GPS 一(yī)般精度在 3m到12m 左右，在較差的天氣中(zhōng)，最大(dà)誤差可達 100m 。電子羅盤也會因爲附近的磁場幹擾産生(shēng)誤差。由于現有許多戶外(wài)的系統中(zhōng)的校正算法需要大(dà)量的輸入和繁瑣的校正步驟，因此不适合商(shāng)業化應用。

多數系統都假設在帶寬滿足的情況下(xià)進行操作，但實際情況并非如此，在絕大(dà)多數分(fēn)布式 AR 應用中(zhōng)，系統能力都要受制于數據傳送的速度。因此在大(dà)型協作 AR 系統中(zhōng)，還有賴于通過動态興趣度管理算法和動作預測算法來降低所需傳輸的數據量。

在戶外(wài)AR 系統中(zhōng)，必須盡量減少客戶端配置，數據處理常由便攜式計算機，甚至是依靠掌上電腦來處理，因此，如何達到實時性和提高渲染效果是必須面對的一(yī)個問題。這也是目前 AR 研究中(zhōng)的熱點之一(yī) 。

維修和建設——增強現實可以将标記器連接到人們正在施工(gōng)的特定物(wù)體(tǐ)上，然後增強現實系統可以在它上面描繪出圖像。

軍事——軍隊數十年來一(yī)直在設計使用增強現實，美國海軍研究所已經資(zī)助了一(yī)些增強現實研究項目。國防先進技術研究計劃署（DARPA）已經投資(zī)了HMD項目來開(kāi)發可以配有便攜式信息系統的顯示器。其理念在于，增強現實系統可以爲軍隊提供關于周邊環境的重要信息，例如顯示建築物(wù)另一(yī)側的入口，這有點像X射線視覺。增強現實顯示器還能突出顯示軍隊的移動，讓士兵可以轉移到敵人看不到的地方。

即時信息——旅行者和學生(shēng)可以使用這些系統了解有關特定曆史事件的更多信息。想像行走在美國内戰的戰場上，并且在頭戴式增強現實顯示器上看到重現的曆史事件。它将使您沉浸在曆史事件中(zhōng)，有身臨其境之感，而且視角将是全景的。

2011年任天堂3DS主機内置的《AR遊戲》是利用攝像頭拍攝AR卡片來遊玩的遊戲，通過利用“AR技術”（虛拟擴展技術），将攝像頭拍攝到的内容以另外(wài)一(yī)種形式出現在屏幕内。

遊戲——增強現實，由Niantic Lab出品的Ingress與Pokemon GO就都是增強現實類遊戲，中(zhōng)國一(yī)家公司開(kāi)發的産品PP GUN也能通過和增強現實顯示器連接玩槍戰遊戲。

AR是充分(fēn)發揮創造力的科學技術，爲人類的智能擴展提供了強有力的手段，對生(shēng)産方式和社會生(shēng)活産生(shēng)了巨大(dà)的深遠的影響。

随着技術的不斷發展，其内容也勢必将不斷增加。而随着輸入和輸出設備價格的不斷下(xià)降、視頻顯示質量的提高以及功能很強大(dà)但易于使用的軟件的實用化，AR的應用必将日益增長。AR技術在人工(gōng)智能、CAD、圖形仿真、虛拟通訊、遙感、娛樂、模拟訓練等許多領域帶來了革命性的變化。