增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），是在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，也被稱之為混合現(xiàn)實。是通過計算機系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實世界感知的技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的增強。AR通常是以透過式頭盔顯示系統(tǒng)和注冊（AR系統(tǒng)中用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體的定位）系統(tǒng)相結(jié)合的形式來實現(xiàn)的。

簡介

　　增強現(xiàn)實是近年來國外眾多知名大學和研究機構(gòu)的研究熱點之一。AR技術(shù)不僅在與VR技術(shù)相類似的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓練、娛樂與藝術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用 

增強現(xiàn)實

而且由于其具有能夠?qū)φ鎸嵀h(huán)境進行增強顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓練、精密儀器制造和維修、軍用飛機導(dǎo)航、工程設(shè)計和遠程機器人控制等領(lǐng)域，具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢。

　　增強現(xiàn)實（AR），也被稱之為混合現(xiàn)實。它通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬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(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展現(xiàn)了真實世界的信息,而且將虛擬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(xiàn)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著它。

　　增強現(xiàn)實借助計算機圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對象準確“放置”在真實環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個感官效果真實的新環(huán)境。因此增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊的新特點。

定義

　　增強現(xiàn)實(AR汽車展 gmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現(xiàn)實(臺灣)。

　　定義:把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過科學技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知,從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗,這種技術(shù)叫做增強現(xiàn)實技術(shù),簡稱AR技術(shù).

應(yīng)用領(lǐng)域

　　* 醫(yī)療領(lǐng)域：醫(yī)生可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)，輕易地進行手術(shù)部位的精確定位。* 軍事領(lǐng)域：部隊可以利用增強 生活中的AR現(xiàn)實技術(shù)，進行方位的識別，獲得目前所在地點的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。

　　* 古跡復(fù)原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護：文化古跡的信息以增強現(xiàn)實的方式提供給參觀者，用戶不僅可以通過HMD看到古跡的文字解說，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構(gòu)。

　　* 工業(yè)維修領(lǐng)域：通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等。

　　* 網(wǎng)絡(luò)視頻通訊領(lǐng)域：該系統(tǒng)使用增強現(xiàn)實和人臉跟蹤技術(shù)，在通話的同時在通話者的面部實時疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，在很大程度上提高了視頻對話的趣味性。

　　* 電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域：通過增強現(xiàn)實技術(shù)可以在轉(zhuǎn)播體育比賽的時候?qū)崟r的將輔助信息疊加到畫面中，使得觀眾可以得到更多的信息。

　　* 娛樂、游戲領(lǐng)域：增強現(xiàn)實游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，以虛擬替身的形式，進行網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)。

　　* 旅游、展覽領(lǐng)域：人們在瀏覽、參觀的同時，通過增強現(xiàn)實技術(shù)將接收到途經(jīng)建筑的相關(guān)資料，觀看展品的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

　　* 市政建設(shè)規(guī)劃：采用增強現(xiàn)實技術(shù)將規(guī)劃效果疊加真實場景中以直接獲得規(guī)劃的效果。

　　國內(nèi)比較權(quán)威的增強現(xiàn)實學者是北京理工大學 光電工程系的王涌天教授

　　國內(nèi)首次將這項技術(shù)應(yīng)用到普通生活中，是在蘋果的AppStore上發(fā)布的一款免費的叫作出行百科(增強現(xiàn)實版)XINGWIKI的軟件。

　　記事帖,人們希望將來可以很方便的在不同地點獲得同樣的媒體和信息，并且是跨越不同的設(shè)備上獲得-從PC到手機，從投影儀到頭戴式顯示器。怎樣能為用戶提供一致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進行交互,看以下的圖你就明白了,你所能操作的界面已經(jīng)不再是那一塊小小的電腦屏幕了,而是延伸到了更大的空間里,并且可以依據(jù)人們最為簡便的方式隨意的記錄下你某一時刻突然迸發(fā)出的靈感。

發(fā)展歷史

　　增強現(xiàn)實顯示器將把計算機生成的圖形疊加到真實世界中自從二十世紀七十年代早期Pong進入電子游戲廳以   

增強現(xiàn)實

來，視頻游戲走進我們的生活已經(jīng)有30多年了。增強現(xiàn)實的新技術(shù)，將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擬世界之間的界線。

　　從虛擬現(xiàn)實（創(chuàng)建身臨其境的、計算機生成的環(huán)境）和真實世界之間的光譜來看，增強現(xiàn)實更接近真實世界。增強現(xiàn)實將圖像、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(yù)見視頻游戲會推動增強現(xiàn)實的發(fā)展，但是這項技術(shù)將不僅僅局限于此，而會有無數(shù)種應(yīng)用。從旅行團到軍隊的每個人都可以通過此技術(shù)將計算機生成的圖像放在其視野之內(nèi)，并從中獲益。

　　增強現(xiàn)實將真正改變我們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅(qū)車行駛在路上。通過增強現(xiàn)實顯示器（最終看起來像一副普通的眼鏡），信息化圖像將出現(xiàn)在您的視野之內(nèi)，并且所播放的聲音將與您所看到的景象保持同步。這些增強信息將隨時更新，以反映當時大腦的活動。在這篇文章中，我們將了解這項未來技術(shù)、其技術(shù)構(gòu)成以及如何使用該技術(shù)。

工作原理

　　移動式增強現(xiàn)實系統(tǒng)的早期原型增強現(xiàn)實的基本理念是將圖像、聲音和其他感官增強功能實時添加到真實世界的環(huán)境中。聽起來十分簡單。而且，電視網(wǎng)絡(luò)通過使用圖像實現(xiàn)上述目的不是已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了嗎？的確是這樣，但是電視網(wǎng)絡(luò)所做的只是顯示不能隨著攝像機移動而進行調(diào)整的靜態(tài)圖像。增強現(xiàn)實遠比您在電視廣播中見到的任何技術(shù)都要先進，盡管增強現(xiàn)實的早期版本一開始是出現(xiàn)在通過電視播放的比賽和橄欖球比賽中，例如Racef/x和添加的第一次進攻線，它們都是由SporTVision創(chuàng)造的。這些系統(tǒng)只能顯示從一個視角所能看到的圖像。下一代增強現(xiàn)實系統(tǒng)將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(shù)企業(yè)中，增強現(xiàn)實還處于研發(fā)的初級階段。最終，可能到這個十年結(jié)束的時候，我們將看到第一批大量投放市場的增強現(xiàn)實系統(tǒng)。一個研究者將其稱為“21世紀的隨身聽”。增強現(xiàn)實要努力實現(xiàn)的不僅是將圖像實時添加到真實的環(huán)境中，而且還要更改這些圖像以適應(yīng)用戶的頭部及眼睛的轉(zhuǎn)動，以便圖像始終在用戶視角范圍內(nèi)。下面是使增強現(xiàn)實系統(tǒng)正常工作所需的三個組件：

　　1.頭戴式顯示器

　　2.跟蹤系統(tǒng)

　　3.移動計算能力

　　增強現(xiàn)實的開發(fā)人員的目標是將這三個組件集成到一個單元中，放置在用帶子綁定的設(shè)備中，該設(shè)備能以無線方式將信息轉(zhuǎn)播到類似于普通眼鏡的顯示器上。讓我們分別來了解這個系統(tǒng)中的每個組件。

相關(guān)介紹

頭戴式顯示器

　　增強現(xiàn)實顯示器仍相當笨重，但開發(fā)人員相信他們可以開發(fā)出類似眼鏡的顯示器就像監(jiān)視器能讓我們看到計算機生成的文本和圖像一樣，頭戴式顯示器(HMD)可以讓我們看到由增強現(xiàn)實系統(tǒng)生成的圖像和文本。到目前為止，還沒有很多專門為理想中的增強現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的頭戴式顯示器。大多數(shù)顯示器最初都是為虛擬現(xiàn)實而設(shè)計的，類似于某種類型的滑雪護目鏡。目前有兩種基本類型的頭戴式顯示器。

光學透視式

　　視頻透視式顯示器通過使用連接到護目鏡外側(cè)的小型視頻攝像機來捕獲影像，勾畫出佩戴者的周圍環(huán)境。在顯示器的內(nèi)側(cè)，實時播放視頻影像，并且將圖像添加到視頻上。使用視頻攝像機的一個問題是在時間上有較長的延遲，即當觀看者轉(zhuǎn)動他的頭的時候，影像調(diào)整會有延遲。

透視式顯示器

　　大多數(shù)制作光學透視式顯示器的企業(yè)已經(jīng)停業(yè)。索尼公司生產(chǎn)過一款供某些研究人員使用的透視式顯示器，名字叫Glasstron。佐治亞理工學院增強環(huán)境實驗室主任Blair MacIntyre相信，Microvision的虛擬視網(wǎng)膜顯示器(Virtual Retinal Display)最有希望成為未來的增強現(xiàn)實系統(tǒng)。此設(shè)備通過迅速移動的光源在縱橫兩個方向上掃過視網(wǎng)膜，因此實際上是利用光將影像映射到視網(wǎng)膜上。Microvision顯示器的問題是目前價格大約在10,000美元左右。MacIntyre表示視網(wǎng)膜掃描顯示器之所以有望成為未來的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，因為其體積有可能變小。他設(shè)想通過在一副外形普通的眼鏡側(cè)面安裝光源，來將影像投射到視網(wǎng)膜上。

跟蹤系統(tǒng)

　　Hiball跟蹤系統(tǒng)使用光學感應(yīng)設(shè)備和內(nèi)嵌LED的天花板跟蹤小范圍內(nèi)的移動增強現(xiàn)實開發(fā)人員面臨的最大挑戰(zhàn)是需要知道用戶相對于其周圍的環(huán)境所處的位置。另外還有跟蹤用戶的眼睛和頭部轉(zhuǎn)動的問題。所以跟蹤系統(tǒng)必須能識別這些運動，并且映射出與用戶在任何特定時刻看到的真實世界相關(guān)的圖像。限于當前的跟蹤技術(shù)，目前的視頻透視式顯示器和光學透視式顯示器通常在疊加的內(nèi)容上都會有延遲。

　　增強現(xiàn)實要發(fā)揮其最大潛力，就必須在室外和室內(nèi)都可以使用。目前，可用于大范圍開放區(qū)域的最佳跟蹤技術(shù)是全球定位系統(tǒng)(GPS)。但是，GPS接收器的精確度大致為10到30米，一般而言這個精確度還算不錯，但是對于需要以毫米或更小單位來度量精確度的增強現(xiàn)實系統(tǒng)來說卻不夠好。如果映射的圖像與您實際看到的事物距離大約10到30米，則增強現(xiàn)實系統(tǒng)就沒有什么價值了。

　　有一些方法可以提高跟蹤精確度。例如，軍隊使用的多重GPS信號。還有差分GPS，這種方法使用在已經(jīng)過測量的區(qū)域。然后，系統(tǒng)會用帶有天線的、能非常精確地知道其位置的GPS接收器，來跟蹤您在該區(qū)域內(nèi)的位置。這使用戶可以確切地知道他們的GPS接收器有多么不準確，從而可以相應(yīng)地調(diào)整增強現(xiàn)實系統(tǒng)。差分GPS可以達到分米級別的精確度。而正在開發(fā)中的一種更為精確的實時動態(tài)GPS甚至可以達到厘米級別的精確度。

　　在小空間內(nèi)進行跟蹤比在大空間內(nèi)要容易。北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種非常精確的系統(tǒng)，它可以在大約46平方米的范圍內(nèi)工作。HiBall跟蹤系統(tǒng)是由以下兩個部分組成的光電跟蹤系統(tǒng)：

　　六個用戶佩戴式光學傳感器

　　嵌入在特殊天花板內(nèi)的紅外線發(fā)光二極管（LED）

　　該系統(tǒng)利用已知的LED位置、已知的用戶佩戴式光學傳感器的幾何原理，以及特殊的算法來計算和報告用戶的位置和方向。該系統(tǒng)可以解析0.2毫米內(nèi)的線性移動和0.03度以內(nèi)的轉(zhuǎn)動。它的更新速率超過1500Hz，延遲保持在大約一毫秒。

移動計算能力

　　對于可佩戴增強現(xiàn)實系統(tǒng)，還沒有足夠的計算能力來創(chuàng)建三維立體圖形。因此，研究人員目前正在使用能夠從筆記本電腦和個人電腦所獲得的各種圖形處理能力。筆記本電腦現(xiàn)在剛開始配備圖形處理器（GPU）。

　　東芝剛剛在其筆記本電腦內(nèi)添加了英偉達GPU，它每秒鐘能夠處理超過1700萬個三角形和2.86億個像素，從而能夠支持需占用大量CPU的程序，如3D游戲。但是筆記本電腦仍然落后許多——英偉達已經(jīng)開發(fā)了定制的300-MHz 3-D圖形處理器將用于微軟即將推出的Xbox游戲機，它每秒鐘可以生成1.5億個多邊形，而且這些多邊形比三角形復(fù)雜得多。由此可以看出移動圖形芯片還有多遠的路要走，才能產(chǎn)生在家庭視頻游戲系統(tǒng)中看到的那么流暢的圖像。

　　MacIntyre表示實用便攜式3D系統(tǒng)至少要到2005年才能上市。他的研究實驗室目前使用ThinkPad來驅(qū)動移動式增強現(xiàn)實系統(tǒng)。而頂級的ThinkPads則使用16MB的冶天Mobility 128芯片。 　　一旦研究人員克服了目前所面臨的各種挑戰(zhàn)，增強現(xiàn)實將很可能遍及我們生活的各個角落。它可能應(yīng)用到幾乎所有行業(yè)中，包括：

　　維修和建設(shè)——這很可能是應(yīng)用增強現(xiàn)實的第一個行業(yè)。可以將標記器連接到人們正在施工的特定物體上，   

實際應(yīng)用

然后增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以在它上面描繪出圖像。這是一個比較簡單的增強現(xiàn)實形式，因為系統(tǒng)只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確切物理位置。

　　軍事——軍隊數(shù)十年來一直在設(shè)計使用增強現(xiàn)實。事實上，美國海軍研究所已經(jīng)資助了一些增強現(xiàn)實研究項目。國防先進技術(shù)研究計劃署（DARPA）已經(jīng)投資了HMD項目來開發(fā)可以配有便攜式信息系統(tǒng)的顯示器。其理念在于，增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以為軍隊提供關(guān)于周邊環(huán)境的重要信息，例如顯示建筑物另一側(cè)的入口，這有點像X射線視覺。增強現(xiàn)實顯示器還能突出顯示軍隊的移動，讓士兵可以轉(zhuǎn)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(tǒng)了解有關(guān)特定歷史事件的更多信息。想像行走在美國內(nèi)戰(zhàn)的戰(zhàn)場上，并且在頭戴式增強現(xiàn)實顯示器上看到重現(xiàn)的歷史事件。它將使您沉浸在歷史事件中，有身臨其境之感，而且視角將是全景的。

　　游戲——將視頻游戲帶到戶外會有多酷呢？您可以將游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(chuàng)作了一個將流行的視頻游戲Quake和增強現(xiàn)實結(jié)合起來的原型游戲。他將一個大學校園的模型放進了游戲軟件中?，F(xiàn)在，如果他使用該系統(tǒng)，那么在他繞著校園行走時，就會處于該游戲場景中。

　　這項技術(shù)有數(shù)百種可能的應(yīng)用，其中游戲和娛樂是最顯而易見的應(yīng)用領(lǐng)域?？梢越o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(tǒng)，在相當多的領(lǐng)域?qū)λ腥硕际怯袃r值的。增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以立即識別出人們看到的事物，并且檢索和顯示與該景象相關(guān)的數(shù)據(jù)。

國內(nèi)的增強現(xiàn)實現(xiàn)狀

　　作為新型的人機接口和仿真工具，AR受到的關(guān)注日益廣泛，并且已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，顯示出了巨大的潛力。

　　AR是充分發(fā)揮創(chuàng)造力的科學技術(shù)，為人類的智能擴展提供了強有力的手段，對生產(chǎn)方式和社會生活產(chǎn)生了巨大的深遠的影響。

　　隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)容也勢必將不斷增加。而隨著輸入和輸出設(shè)備價格的不斷下降、視頻顯示質(zhì)量的提高以及功能很強大但易于使用的軟件的實用化，AR的應(yīng)用必將日益增長。AR技術(shù)在人工智能、CAD、圖形仿真、虛擬通訊、遙感、娛樂、模擬訓練等許多領(lǐng)域帶來了革命性的變化。

　　總體來講，增強現(xiàn)實在中國處于起步階段，現(xiàn)在許多虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)開始專注于“增強現(xiàn)實”的研發(fā)和應(yīng)用。