浅谈增强现实技术

摘要：近年来，增强现实因其具有虚实结合的特点，逐渐成为研究的热点。通过增强现实电视节目中的应用引出对增强现实概念、特点和关键技术的介绍，简述了国内外增强现实的发展现状，并对其应用作了简要说明，最后展望增强现实未来对人类生活的影响。

关键词：增强现实；虚拟现实；跟踪注册；关键技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）28-6411-04

2013年央视春晚早已经落下帷幕，其科技感和观赏性十足的舞台效果让亿万观众有一个全新的体验，其中增强现实等3D互动技术的应用，使舞台空间变化、意象环境等呈现在电视屏幕上，给电视观众带来了前所未有的视觉冲击。如图1所示，为李玉刚的《嫦娥》，舞台里面的琼楼玉宇皆是通过增强现实技术实现的。

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是在虚拟现实技术——Virtual Reality，简称VR）的基础上发展起来的一个分支，由于它将计算机产生的文本信息、图像、虚拟3D模型、视频或场景等实时准确的叠加到用户所感知的真实世界中，在虚拟环境和真实环境之间搭起一个桥梁，实现对现实世界信息的增强，提高用户对真实世界的感知能力[1]。

1 增强现实的特点

增强现实技术作为现实世界和虚拟世界的桥梁，是现实世界力量的延伸，同时，也对虚拟世界进行补充，不至于迷失于虚拟世界。如图2所示为1994年Paul Milgram和Fumio Kishino提出的虚拟现实连续体[2]。该图相当于一个坐标轴，轴最左侧表示真实世界，最右侧表示虚拟环境，混合实境连接了真实世界和虚拟环境，其中混合实境又分为增强现实和扩增虚境，偏向于虚拟环境部分的为扩增虚境，而偏向于真实世界部分的则定义为增强现实。由此可见，增强现实具有虚实结合、实时交互和三维注册的特点[3]。

1） 虚实结合

增强现实技术不同于虚拟现实，它没有完全取代现实环境，相反它比较依赖现实世界，它的存在就是为现实服务的。如图3所示为增强现实的一个典型应用，通过移动设备摄像头对准《灵魂战车》的电影海报，pad显示屏上就会显示该部电影的精彩预告。这种便是将虚拟信息应用到真实世界中，二者叠加成一个画面，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。

2） 实时交互

实时交互是指用户能够通过现实世界的信息比较及时的得到相应的反馈信息。因为增强现实需要迅速识别现实世界的事物，在设备中进行迅速合成，并通过传感技术将混合信息传达给用户，这样才能实现所见即能所知的效果[4]。如《灵魂战车》的增强现实电影海报，通过pad摄像头对准，即刻就能呈现出精彩片段；2013春晚上所呈现的增强现实效果，实现了虚拟影像与真实场景的同步传播。

3） 三维注册

增强现实中需要通过实时跟踪摄像机姿态，实时计算出摄像机影像位置及角度，定位出虚拟图像于真实场景中的注册位置，以实现虚拟世界与真实世界更自然的融合[5]。比如图3所示的例子需要检测需要“增强”的物体特征点以及轮廓，跟踪物体特征点并生成坐标信息，即识别出海报的内容和在摄像头中的位置。增强现实必须经过三维注册才能识别，它不是对任何一个物体都能实现增强的。

2 增强现实的关键技术

增强现实技术要完成虚实的叠加并呈现给用户，首先需要通过相机获取真实场景信息，然后传输到设备对真实场景和相机相对位置进行分析，最后将获得的虚拟信息与真实场景融合。如图4所示为增强现实系统架构图，在该过程中涉及到跟踪注册技术、虚拟物体生成技术和显示技术[6]。

1） 跟踪注册技术

为了实现虚拟信息和真实场景的无缝叠加，这就要求虚拟信息与真实环境在三维空间位置中进行“配准”，即注册。而移动设备摄像头与虚拟信息的位置需要相对应，这就需要通过跟踪技术来实现。跟踪注册技术首先检测需要“增强”的物体特征点以及轮廓，跟踪物体特征点并生成二维或三维坐标信息，例如在谷歌眼镜要显示某一物体的信息需要识别出该物体的特征点和轮廓。跟踪注册技术的好坏直接决定着增强现实系统的成功与否，常用的跟踪注册方法有四种：基于硬件的跟踪注册、基于机器视觉、基于无线网络的和混合跟踪注册技术。

2） 虚拟物体生成技术

增强现实的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动，所以在准确的跟踪注册技术的基础上，要提高增强现实系统的效果，还需要保证所生成的虚拟物体真实感和实时性强。如谷歌眼镜推出的增强现实眼镜，在用户观测到一个物体后，镜片上就能迅速呈现该物体的相关信息；再如《灵魂战车》增强现实电影海报，当Pad摄像头对准该海报时，显示设备上就能立即呈现对应的精彩片段。因此真实感和实时性是虚拟物体生成的两个最主要的性能判断标准。

3） 显示技术

典型的增强现实应用除了上述的技术外，还依赖于设备的显示技术，为了达到逼真的虚实融合的展示效果，高效率的显示技术和显示设备是必不可少的。目前，应用于增强现实系统的硬件显示设备，除了一般的PC机显示屏幕外，用于增强现实系统中的还有头戴式可视设备（Head Mount Display），即增强现实中广泛应用的穿透式HMD。根据具体的实现原理又划分为两大类，分别是基于光学原理的穿透式HMD（Optical See-through HMD）和基于视频合成技术的穿透式HMD（Video See-through HMD）[7]。

3 增强现实的国内外现状

增强现实是在虚拟现实的发展过程中应运而生的，它的诞生一方面是应运了时代的发展，另一方面是为了弥补虚拟现实完全脱离现实而独自呈现的不足。自1990年波音公司的研究员Thomas Caudell[8]创造增强现实以来，越来越多的研究所、高校以及企业都开始对增强现实展开大量的研究，并取得了一定的科研成果。

目前，哥伦比亚大学的Steve Feiner团队使用AR制造了一套激光打印机维修系统，用户戴上这套系统就能通过系统中的操作指示对打印机进行维护，如去下纸托盘等，如图5所示。

而较早提出增强现实概念的波音公司正在利用该技术帮助技术人员安装组成飞机电路系统的线束，通过增强现实技术开发出一套数字化的操作流程，取代巨大的实体布局板来制作线束，从而节省开间和开支。如果这项技术能成功运用到工厂中，将会带来巨大的收益。如图6所示，为延时波音的线束制作系统。2012年4月4日，谷歌正式对外公布了谷歌眼镜的产品计划，这款增强现实产品具有智能手机所能提供的各类服务，镜片具有微型显示屏的功能，其可将信息传送至镜片，并且允许可穿戴用户通过声音控制收发信息。另外，在著名打印机生产商爱普生的协助下，创业公司Meta也开发出了一款现实增强眼镜。它主要借助独特的双手立体空间手势识别功能，搭载了爱普生生产的Moverio BT-100可穿戴式双眼显示器，并在设备顶端配备了低延迟的三维摄像机。虽然这款设备扔处于原型研发阶段，但该设备有望给增强现实设备领域带来革命性的影响[9]。

相对发达国家来说，我国的虚拟现实起步较晚，大概在20年代90年代初，这样增强现实相对也晚于别的国家。但是近年来，我国政府和科学界都给予高度重视，并制定了相应的科研进展计划，不断追赶先进技术。各大高校对增强现实技术也展开了研究并取得了一定进展。华中科技大学对基于增强现实的遥操作关键技术进行了研究，提出了一种基于视觉的增强现实跟踪注册方法和基于实时定标策略的虚实配准方法，设计了一种基于标示角点与全局单应性矩阵相结合的三维注册方法；上海交通大学提出了空间增强现实流水线概念；浙江大学以基于定位标记的视频检测为基础，从增强现实环境中的阴影生成方法和光线检测算法入手，提出以场景管理为核心的增强现实软件框架ARSGF。除此之外，我国在很多方面都开始采用增强现实技术，从2012春晚开始，增强现实开始更多的应用于媒体界，这使得媒体节目更具有观赏性。

另外，随着移动互联网应用开发热度日益升高，应用开发者开始围绕大平台开发出满足用户需求的应用，日益丰富着各大平台的App Store。目前小型手持式移动设备（掌上电脑PDA、智能手机）的兴起为移动增强现实技术提供了崭新的发展平台。五维时空推出了一款基于增强现实的娱乐互动移动社区——OSEE游戏[10]，用户进入OSEE世界后，基于真实的位置信息，可以了解周边正在发生的新鲜事，分享别人心情，同时也可以将自己的心情感言和随拍分享给其他朋友，而这一切都在现实场景中，给用户一个全新的视觉感受。

4 增强现实的应用

增强现实技术作为虚拟现实的一个补充发展充分利用了虚拟现实的优势，近年来成为一个研究热点。它综合了计算机图形、多媒体、实时跟踪及注册、融合显示等多门学科，在文化遗产保护、医学、军事、工业维修、多媒体传播等领域都有着广泛的应用前景。

1） 在媒体娱乐方面的应用

自2012年开始将增强现实搬到春晚中，其在电视节目中的应用越来越多，一方面能让节目更有观赏性，使单调的画面变得丰富多彩，另一方面也能节约成本，比较丰富的画面通过虚拟合成便能实现，避免了很多现实物体制作的成本。网络上热门转播的“真人水果忍者”视频中，一位蒙面的“忍者哥”在摄像头前，他通过各种肢体运动切从屏幕上飞来的水果。该游戏就充分利用了增强现实技术，使得游戏更具有娱乐性。

2） 在工业医疗中的应用

通过各种硬件设备的辅助能够将机器不易看到的部分显示给用户，包括机器的内部结构、零件图等。医生可以利用增强现实技术，准确的进行手术部位定位。

3） 在文化遗产保护中的应用

将增强现实技术应用于博物馆展览中，采用虚实结合的方式，将被动式的参观方式转变成互动式的多感官参观方式，使得博物馆展览更直观形象，充分发挥其存在的作用。对于一些已经损坏的文物，通过增强现实技术使其再现。

4） 在教育培训中的应用

通过移动设备扫描纸质课本上的图片，显示器上就能呈现多姿多彩的动态图，方便孩子们对抽象事物的理解。在一些培训项目中，被培训者坐在屏幕前，手动操作显示器前的手柄，屏幕上的物体就会有相应的运动。

5 结论

增强现实正在充分发挥其重要作用，虽然尚有许多亟待解决的技术问题，比如如何实现虚实物体精准实时叠加，但是随着技术的不断发展，这些问题将会逐一被解决，增强现实将会为人类的智能扩展提供强有力的手段，对生产方式和社会生活产生深远的影响。

参考文献：

[1] Ronald T.Azuma. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and Virtual Environments， 1997，6（4）：1-3.

[2] Paul Milgram， Fumio Kishino.A Taxonomy of Mixed Reality Visula Display[J]. IEICE Transactions on Information Systems，1994，77（12）.

[3] Azuma， Ronald T. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and virtual environments， 1997，6（4）：355-385.

[4] 蔡攀.基于增强现实的实时交互技术研究与实现[D].电子科技大学，2009.7-13.

[5] 蒋钦云.增强现实中三维注册算法研究[D].华中科技大学，2006.8-10

[6] 朱淼良，姚远，蒋云良. 增强现实综述[J].Journal of Image and Graphics，2004，7（9）：767-769.

[7] 马志艳.面向数控加工仿真的增强现实关键技术研究 [D].华中科技大学，2006.10-13.

[8] Suzanne Weghors. Augmented Tangible Molecular Moels[EB/OL]. [2012-02-06]. http：//www.hitl.washington. Edu/projects/scripp.

[9] AR技术网.Meta推出双手手势识别功能的3D眼镜亮相[EB/OL]. http：///home.php？mod=space&uid=1&do=blog&id=19，2013-1-29.

[10] 唐笑. 增强现实技术在移动互联网中的应用[J]. 华章，2013（2）：330-331.