增強現實:現代新興技術-中文百科頻道

概述

增強現實技術是一種将虛拟信息與真實世界巧妙融合的技術.其通過跟蹤注冊技術、顯示技術、人機交互技術等多種技術,将計算機生成的虛拟信息添加到真實世界中,在各領域中廣泛應用.近年來,随着其核心技術的進步,計算機及各類移動設備性能的提升,增強現實技術逐漸成為國内外學者研究的熱點.文章首先綜述了增強現實技術的國内外研究現狀,然後詳細介紹了增強現實技術的核心技術,最後對增強現實開發工具及增強現實技術應用領域進行闡釋,并展望了其未來的發展趨勢.

發展曆史

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），也被稱之為混合現實。它通過電腦技術，将虛拟的信息應用到真實世界，真實的環境和虛拟的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

自從二十世紀七十年代早期Pong進入電子遊戲廳以來，視頻遊戲走進我們的生活已經有30多年了。增強現實的新技術，将通過增強我們的所見、所聽、所感和所聞，進一步模糊真實世界與計算機所生成的虛拟世界之間的界線。

從虛拟現實（創建身臨其境的、計算機生成的環境）和真實世界之間的光譜來看，增強現實更接近真實世界。增強現實将圖像、聲音、觸覺和氣味按其存在形式添加到自然世界中。由此可以預見視頻遊戲會推動增強現實的發展，但是這項技術将不僅僅局限于此，而會有無數種應用。從旅行團到軍隊的每個人都可以通過此技術将計算機生成的圖像放在其視野之内，并從中獲益。

增強現實将真正改變我們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅車行駛在路上。通過增強現實顯示器（最終看起來像一副普通的眼鏡），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，以反映當時大腦的活動。

微軟公司于2015年1月22日發布的HoloLens全息眼鏡。

技術原理

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現實(台灣)。

增強現實技術，它是一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定時間空間範圍内很難體驗到的實體信息(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，從而達到超越現實的感官體驗。真實的環境和虛拟的物體實時地疊加到了同一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，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、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般情況下，不同于人類可以感知的信息。

主要特點

AR系統具有三個突出的特點：

①真實世界和虛拟世界的信息集成；

②具有實時交互性；

③是在三維尺度空間中增添定位虛拟物體。

工作原理

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。聽起來十分簡單。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？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見到的任何技術都要先進，盡管增強現實的早期版本一開始是出現在通過電視播放的比賽和橄榄球比賽中，例如Racef/x和添加的第一次進攻線，它們都是由SporTVision創造的。這些系統隻能顯示從一個視角所能看到的圖像。下一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。

在各類大學和高新技術企業中，增強現實還處于研發的初級階段。最終，可能到這個十年結束的時候，我們将看到第一批大量投放市場的增強現實系統。一個研究者将其稱為“21世紀的随身聽”。增強現實要努力實現的不僅是将圖像實時添加到真實的環境中，而且還要更改這些圖像以适應用戶的頭部及眼睛的轉動，以便圖像始終在用戶視角範圍内。

下面是使增強現實系統正常工作所需的三個組件：

1.頭戴式顯示器

2.跟蹤系統

3.移動計算能力

增強現實的開發人員的目标是将這三個組件集成到一個單元中，放置在用帶子綁定的設備中，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。

組成形式

一個完整的增強現實系統是由一組緊密聯結、實時工作的硬件部件與相關的軟件系統協同實現的，常用的有如下三種組成形式。

Monitor-Based

在基于計算機顯示器的AR實現方案中，攝像機攝取的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統産生的虛拟景象合成，并輸出到屏幕顯示器。用戶從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然簡單，但不能帶給用戶多少沉浸感。

光學透視式

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，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中廣泛應用的穿透式HMD。根據具體實現原理又劃分為兩大類，分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具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優點，但它同時也存在着定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價格高等不足。

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)。

應用領域

醫療領域：醫生可以利用增強現實技術，輕易地進行手術部位的精确定位。

軍事領域：部隊可以利用增強生活中的AR現實技術，進行方位的識别，獲得實時所在地點的地理數據等重要軍事數據。

古迹複原和數字化文化遺産保護：文化古迹的信息以增強現實的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過HMD看到古迹的文字解說，還能看到遺址上殘缺部分的虛拟重構。

工業維修領域：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，在通話的同時在通話者的面部實時疊加一些如帽子、眼鏡等虛拟物體，在很大程度上提高了視頻對話的趣味性。

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

娛樂、遊戲領域：增強現實遊戲可以讓位于全球不同地點的玩家，共同進入一個真實的自然場景，以虛拟替身的形式，進行網絡對戰。

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料，觀看展品的相關數據資料。

市政建設規劃：采用增強現實技術将規劃效果疊加真實場景中以直接獲得規劃的效果。

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為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、施工圖紙能更加緊密地結合起來。AR技術在勘察設計領域中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。

行業概況

供求關系是一個增強現實行業能否快速發展的前提。目前來看，市場需求是很大的，而供應方面卻略顯不足，尤其是擁有核心知識産權，專利産品及服務質量過硬的企業并不多，行業整體缺乏品牌效應。在需求旺盛的階段，行業需求巨大，發展前景好，這是毋庸置疑的。企業共同努力，尤其需要發揮盡善盡美的研發精神，進一步提高研發技藝，降低成本，真正解決客戶的實際困難，嚴把質量關，提供最可靠的産品及服務。

實際應用

一旦研究人員克服了目前所面臨的各種挑戰，增強現實将很可能遍及我們生活的各個角落。它可能應用到幾乎所有行業中，許多行業廣泛的應用虛拟現實技術，其中包括：

維修和建設——這很可能是應用增強現實的第一個行業。可以将标記器連接到人們正在施工的特定物體上，然後增強現實系統可以在它上面描繪出圖像。這是一個比較簡單的增強現實形式，因為系統隻需要知道用戶相對于他看到的物體所在的位置，而不必跟蹤那個人的确切物理位置。

軍事——軍隊數十年來一直在設計使用增強現實。事實上，美國海軍研究所已經資助了一些增強現實研究項目。國防先進技術研究計劃署（DARPA）已經投資了HMD項目來開發可以配有便攜式信息系統的顯示器。其理念在于，增強現實系統可以為軍隊提供關于周邊環境的重要信息，例如顯示建築物另一側的入口，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，有身臨其境之感，而且視角将是全景的。

遊戲——将視頻遊戲帶到戶外會有多酷呢？您可以将遊戲映射到周圍的真實世界中，并可以真正成為其中的一個角色。澳大利亞的一位研究人員創作了一個将流行的視頻遊戲Quake和增強現實結合起來的原型遊戲。他将一個大學校園的模型放進了遊戲軟件中。現在，如果他使用該系統，那麼在他繞着校園行走時，就會處于該遊戲場景中。

這項技術有數百種可能的應用，其中遊戲和娛樂是最顯而易見的應用領域。可以給人們提供即時信息的不需要人們參與任何研究的任何系統，在相當多的領域對所有人都是有價值的。增強現實系統可以立即識别出人們看到的事物，并且檢索和顯示與該景象相關的數據。