增強現(xiàn)實及其在導(dǎo)航與位置服務(wù)中的應(yīng)用

劉經(jīng)南，高柯夫

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航研究中心，湖北 武漢 430079）

增強現(xiàn)實技術(shù)的目的是將真實世界中蘊含的信息數(shù)據(jù)，與人們目視的場景實時融合，以增強對真實世界的認(rèn)識。根據(jù)定義，增強現(xiàn)實通常包括3個方面內(nèi)容[1]：虛擬和現(xiàn)實結(jié)合；實時與環(huán)境互動；定位配準(zhǔn)，真實與虛擬全方位匹配。增強現(xiàn)實可視作現(xiàn)實與虛擬的連續(xù)統(tǒng)一[2]，無縫對接和信息深度服務(wù)，其基本流程如圖1所示。

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)基本流程

圖2 基于增強現(xiàn)實的報紙[3]

美國麻省理工學(xué)院（MIT）已將氣象數(shù)據(jù)通過圖像識別和定位配準(zhǔn)方式動態(tài)投影到報紙地圖中對應(yīng)的位置，如圖2所示。目前，位置服務(wù)（LBS）僅做到表層街景的應(yīng)用，與街景的感知內(nèi)容設(shè)備，如攝像頭、多媒體、麥克風(fēng)等無關(guān)。增強現(xiàn)實的LBS服務(wù)可直接利用多視角攝像頭等感知設(shè)備做到道路建筑辨識、肢體動作控制、社會信息推送，并實時疊加各類多媒體信息內(nèi)容，效果直觀，內(nèi)容豐富，更能滿足人們的生活需求。目前在Android、iPhone以及Windows Phone等手機平臺上，已經(jīng)出現(xiàn)了不少采用增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用程序，并開始在泛在測繪的場景分析中展開應(yīng)用。

1 技術(shù)發(fā)展歷程

增強現(xiàn)實的研究最早可以追溯到1968年，美國MIT的Ivan Sutherland 教授研制出世界上第一臺光學(xué)透明頭戴式顯示器[6]，用于實時顯示計算機圖形。20世紀(jì)70、80年代，增強現(xiàn)實技術(shù)研究在美國空軍、NASA、MIT、北卡羅來納大學(xué)等研究機構(gòu)展開。到了20世紀(jì)90年代初期，波音公司的Tom Caudell和他的同事在設(shè)計的輔助布線系統(tǒng)中首次提出了“增強現(xiàn)實”這一名詞[7]。在他們設(shè)計的系統(tǒng)中，把由簡單線條繪制的布線路徑和文字提示信息實時疊加在機械師的視野中，以助其完成拆卸過程，減少日常工作中出錯的概率。

1993年，美國加州大學(xué)的J. Loomis開發(fā)了聽覺增強的戶外導(dǎo)航系統(tǒng)[8]，輔助盲人進(jìn)行語音導(dǎo)航。1997年，美國哥倫比亞大學(xué)Steven Feiner等人開發(fā)了首個移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)Touring Machine[9]，用于校園導(dǎo)航，如圖3所示。用戶通過穿透式頭戴顯示屏，在真實的圖書館上同步顯示相關(guān)的介紹信息，其移動計算交由背負(fù)的電腦，并連入校園無線網(wǎng)絡(luò)。2001年，希臘INTRACO電信的Vlahakis等人開發(fā)了基于移動增強現(xiàn)實的文化遺產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)[10]，用戶通過GPS定位及無線通信，在真實的歷史遺址上感受虛實融合的建筑復(fù)原模型。2002年，奧地利格拉茲工業(yè)大學(xué)Michael Kalkusch等人開發(fā)了基于移動增強現(xiàn)實的室內(nèi)標(biāo)記定位系統(tǒng)[11]。2006年，諾基亞研究院的MARA（Mobile Augmented Reality Applications）項目[12]，首次在配備傳感器和攝像機的手機上實現(xiàn)了移動增強現(xiàn)實應(yīng)用。

圖3 Touring Machine工作示意圖[13]

2007年以來，隨著iPhone對手機的重定義，手機應(yīng)用的可能性得到極大釋放，出現(xiàn)了大量基于移動增強現(xiàn)實的位置服務(wù)應(yīng)用。例如，Wikitude能讓用戶使用手機辨識附近的飯店、商場、地標(biāo)等信息，用戶也可以實時發(fā)表關(guān)于景點的評價；Layar的功能更強大，能夠引導(dǎo)用戶找到附近的ATM機或在當(dāng)前位置上疊加有關(guān)建筑的歷史信息和照片。2個應(yīng)用都是通過手持設(shè)備的GNSS模塊和電子羅盤，定位計算當(dāng)前位置及手機攝像頭朝向，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)獲取興趣點的相關(guān)信息，再將信息疊加、配準(zhǔn)到手機屏幕中，以達(dá)到虛實融合的效果。

2010年11月，微軟推出3D攝影機Kinect，利用光編碼技術(shù)，獲得空間中不同距離的衍射斑點，以對空間進(jìn)行標(biāo)記，從而確定其中物體的位置。歐美出現(xiàn)了很多基于Kinect的應(yīng)用，如在線試衣導(dǎo)購系統(tǒng)[14]，如圖4所示，將衣服圖片與攝影機中的人像配準(zhǔn)，用戶可以實時查看衣服上身效果。

圖4 基于Kinect的增強現(xiàn)實導(dǎo)購系統(tǒng)[15]

2011年3月，臺灣工研院將基于圖像的建模方法和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到3D電視中[16]，采用相機陣列捕獲物體信息，重建物體三維模型，在具有預(yù)定義標(biāo)注點的實拍場景中實現(xiàn)虛擬三維模型與真實場景的融合，開辟了電視技術(shù)發(fā)展的一個新方向。

2012年9月，諾基亞增強現(xiàn)實應(yīng)用City Lens正式登陸Windows Phone應(yīng)用市場，如圖5所示，City Lens 會通過增強現(xiàn)實接口為用戶實時顯示鏡頭中的餐館、商場、機構(gòu)及景點的基本信息，并分別給予評價和推薦。

圖5 City Lens手機界面[17]

目前國內(nèi)增強現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在高校和科研院所。北京理工大學(xué)光學(xué)系對增強現(xiàn)實的頭戴式顯示器進(jìn)行了研究[18]，完成了對圓明園景觀的數(shù)字重建。浙江大學(xué)和Intel合作實現(xiàn)了增強現(xiàn)實環(huán)境下的自然人手3D交互[19]。國內(nèi)許多船舶、航空航天等軍工單位以及汽車企業(yè)都建立了大型虛擬現(xiàn)實環(huán)境和增強現(xiàn)實系統(tǒng)，但其設(shè)備成本相對較高?？傮w來說，增強現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)具有很大的發(fā)展空間。

2 關(guān)鍵技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)的研究范圍十分廣泛，涉及諸如信號處理、計算機圖形和圖像處理、模式識別、人機交互和心理學(xué)、移動計算、計算機網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)、信息獲取和信息可視化，以及新型顯示器和傳感器的設(shè)計等各個領(lǐng)域。

2.1 顯示技術(shù)

增強現(xiàn)實的顯示技術(shù)是信息可視化的基礎(chǔ)，目前對個人使用多采用頭戴式顯示器。頭戴式顯示器主要分2類，一種是頭戴式視頻顯示器，在眼鏡上提供2個屏幕分別給左右眼觀賞，只要分別給兩邊不同的信號即可成像，其缺點在于僅供單一觀眾觀賞，且造價高，頭盔重；另一種是穿戴式光學(xué)顯示器，2012年發(fā)布的Google Glass就屬于這一類。如圖6所示，其眼鏡的右半部，包括攝像頭、觸控板、麥克風(fēng)、陀螺儀、加速度計、GPS、Wi-Fi、藍(lán)牙及處理器模塊。根據(jù)不同需要，在目鏡上可以顯示距離、方向、地圖和導(dǎo)航信息。

圖6 Google Glass功能架構(gòu)及顯示界面[20]

2013年初的開發(fā)版Google Glass很可能還將采用類似全息投影的技術(shù)[21]，將圖像投射到Google Glass透明的目鏡上。更為輕便的還有基于增強現(xiàn)實的隱形眼鏡。華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊將天線、無線接收器、控制電路和LED集成到一枚隱形眼鏡中[22]，這種隱形眼鏡顯示屏由一個遠(yuǎn)程射頻發(fā)射器供電，鏡片上有一個5 mm長的天線，用于接收10 cm外由發(fā)射器發(fā)射的千兆赫范圍內(nèi)的無線電射頻能量，不過目前顯示屏的分辨率還僅為單像素水平。

還有空間顯示技術(shù)，即用數(shù)字投影儀將虛擬信息直接投射在真實場景上，如圖7所示，電話撥號盤被直接投影到人手上，以實現(xiàn)撥號功能。數(shù)字投影儀的投影內(nèi)容一般由強大的處理單元計算和控制,不僅要考慮現(xiàn)實場景的凹凸表面，還要保證不同角度下的投影真實性。

圖7 基于空間顯示技術(shù)的電話撥號鍵盤[3]

全息顯示技術(shù)是一種可供多人同時使用的真三維顯示技術(shù)，是顯示技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。其原理是利用光束的衍射與干涉效應(yīng)，記錄并再現(xiàn)物體的光強與相位的三維顯示，目前主要應(yīng)用于小范圍場景的三維顯示。2012年北京車展，豐田發(fā)布采用全息投影技術(shù)的概念車Fun-Vii[23]，用全息投影生成一位行車助手，如同真人一樣通過語音與駕駛者交流并提供導(dǎo)航信息。

2.2 圖像識別和特征提取技術(shù)

圖像識別和特征提取在增強現(xiàn)實應(yīng)用中是一項將圖像或視頻配準(zhǔn)到實體上以實現(xiàn)虛實融合的重要技術(shù)。識別圖像主要使用模式識別技術(shù)（模板匹配、邊緣檢測等），識別出預(yù)先定義好的標(biāo)記、物體或基準(zhǔn)點，然后根據(jù)其偏移和轉(zhuǎn)動角度計算相應(yīng)標(biāo)記的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，將標(biāo)記的特征信息預(yù)存，在采集的視頻流中查找標(biāo)記并確定其方位，然后將虛擬圖像與標(biāo)記配準(zhǔn)，實現(xiàn)虛實融合。

實景中的自然圖像識別，則通過對所攝圖像進(jìn)行解析，識別出場景的目標(biāo)物體，再在其上疊加相關(guān)信息。該類識別不需要特定標(biāo)記，通過解析圖像建立虛擬坐標(biāo)，能夠很自然地進(jìn)行虛實融合，但對圖像實時處理能力要求高，且受環(huán)境及目標(biāo)實時狀態(tài)的影響，錯誤率較高，目前僅適用于簡單場景。

在目標(biāo)識別過程中，對自然場景及目標(biāo)物體的外觀圖像抽象是一項很重要的任務(wù)。所謂的抽象即尋找出一些具有代表性特征的關(guān)鍵點。圖像特征提取就是以一定的算法加以排列描述，使得同一特征點出現(xiàn)在不同幀時，能夠迅速檢測并識別。其一般步驟，如圖8所示，通過對處理后的原始圖像進(jìn)行特征檢測及形式化描述，按類別對其分類，綜合得出識別結(jié)果。

圖8 物體識別的基本步驟

2.3 定位配準(zhǔn)技術(shù)

定位配準(zhǔn)實際上就是將計算機生成的虛擬物體和真實環(huán)境中影像“對齊”的過程。定位必須先確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后對目標(biāo)物體進(jìn)行識別，計算攝像機相對于目標(biāo)物體的位置和姿態(tài)，確定虛擬物體在圖像平面的渲染位置，再通過正確的幾何投影將虛擬物體配準(zhǔn)到觀察者的視野中。

對目標(biāo)物體進(jìn)行配準(zhǔn)，涉及到圖像坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系等之間的坐標(biāo)變換。我們建立一個坐標(biāo)系，如圖9所示，其坐標(biāo)原點設(shè)為相機的光心C=（0,0,0），X-Y平面和相機的像平面平行，且像平面在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)式為Z=f，此坐標(biāo)系稱為相機坐標(biāo)系{O, Xc , Yc , Zc}。

圖9 相機的針孔模型

計算機中處理的數(shù)字圖像都是以像素為單位的。而在相機坐標(biāo)系中，三維物體是以物理單位定義的，經(jīng)透視變換后形成的圖像中的點也是物理單位的。因此，存在以物理單位表示的圖像坐標(biāo)系和數(shù)字圖像系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

以物理單位表示的圖像坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的變換又稱為透視投影，它是從三維到兩維的變換，也是相機成像過程中的核心變換。

日常生活中，人們依靠多種感官（如視覺、聽覺、觸覺及重力感應(yīng)等）信息，維持自身的方向感。定位配準(zhǔn)過程同樣需要進(jìn)行大量的標(biāo)定，測量值包括攝像機參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對象定位以及變形等。

目前的配準(zhǔn)手段主要有3類：①基于傳感器硬件，采用紅外線、RFID、超寬帶、電磁、超聲波、慣導(dǎo)等感知設(shè)備，確定傳感器和信號源之間的相對距離，其優(yōu)點在于實時性高；②基于機器視覺，對攝入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，檢測出目標(biāo)物體，獲取攝像機相對于目標(biāo)物體的姿態(tài)，并根據(jù)攝像機內(nèi)部參數(shù)，計算投影模型，最后渲染虛擬物體，其中涉及到圖像識別技術(shù)和攝像機姿態(tài)定位技術(shù)，其優(yōu)勢在于成本低；③基于無線網(wǎng)絡(luò)，即利用通信網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、廣播網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行檢測和定位。

2.4 GNSS及其與定向器件組合的輔助定位技術(shù)

GNSS系統(tǒng)為增強現(xiàn)實提供絕對定位。GNSS與Sensor結(jié)合，即通過GNSS取得經(jīng)緯度和高程，通過地磁電子指南針取得方向和傾斜角度，最后根據(jù)這些位置信息提供信息服務(wù)并疊加顯示在終端上。此種輔助定位方式適合于移動終端上的應(yīng)用，目前的Android手機和iPhone等都已具備硬件裝置。在泛在測繪應(yīng)用中的增強現(xiàn)實，則采用高精度的實時GNSS定位和高精度定向技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)RTK和GNSS慣導(dǎo)器件的緊組合或超緊組合設(shè)備以完成輔助定位。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

電影行業(yè)是最早采用增強現(xiàn)實技術(shù)的領(lǐng)域之一，利用增強現(xiàn)實技術(shù)，使得導(dǎo)演能夠形象化地預(yù)覽虛擬場景，并直接看到影視最終的拍攝效果。在電視制作領(lǐng)域，通過增強現(xiàn)實技術(shù)可以在播放電視節(jié)目時，將相關(guān)信息實時疊加到畫面指定位置，如游泳比賽時（見圖10），將世界紀(jì)錄、比賽成績、選手信息實時疊加到對應(yīng)泳道上，使得數(shù)據(jù)更實時，信息更直觀，目前已在賽事直播、文藝演出中廣泛采用。

圖10 基于增強現(xiàn)實技術(shù)的賽事直播[24]

增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域，使得符合學(xué)生自身特點的個性化教學(xué)過程得以展開。學(xué)生可以根據(jù)自身的需求和薄弱環(huán)節(jié)自主學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)教育質(zhì)量的提升。例如，索尼將要發(fā)布的增強現(xiàn)實外設(shè)Wonder Book[25]被設(shè)計得像一本真正的書，用戶通過動作控制器創(chuàng)建與操縱數(shù)字畫面，如揮揮手，就會將其轉(zhuǎn)換成一個圍繞圖書的動畫效果，以此達(dá)到與圖書互動的效果。所有的動作都由攝像頭記錄并識別，互動的效果將同步顯示在電視屏幕上。

在工業(yè)輔助設(shè)計領(lǐng)域，借助增強現(xiàn)實技術(shù)可以更加直觀、高效，低成本地對工業(yè)設(shè)計的效果進(jìn)行評估分析；在工業(yè)維修領(lǐng)域，將多種輔助信息以增強現(xiàn)實的方式呈現(xiàn)給用戶，包括虛擬儀表面板、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備零件圖及維修工序等，有望改變制造業(yè)職工的培訓(xùn)模式。在軍事領(lǐng)域早已廣泛使用增強現(xiàn)實技術(shù)，進(jìn)行輔助駕駛、單兵作戰(zhàn)訓(xùn)練、戰(zhàn)場環(huán)境分析等訓(xùn)練活動。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生借助增強現(xiàn)實技術(shù)，可以輕松地進(jìn)行手術(shù)部位的精準(zhǔn)定位，圖11所示為德國癌癥研究中心采用增強現(xiàn)實的App應(yīng)用輔助外科手術(shù)。在古跡復(fù)原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，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)，圖12所示為由倫敦博物館推出的增強現(xiàn)實手機應(yīng)用。用戶可以使用GNSS定位，把手機對準(zhǔn)目標(biāo)建筑，系統(tǒng)會匹配出該建筑幾十年前的樣子。

圖11 增強現(xiàn)實輔助的外科手術(shù)[26]

圖12 倫敦博物館的“Street Museum”應(yīng)用[27]

4 在導(dǎo)航及位置服務(wù)中的應(yīng)用

導(dǎo)航及位置服務(wù)泛指一切以移動設(shè)備地理位置和移動網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)成的信息綜合服務(wù)，是當(dāng)前信息服務(wù)業(yè)的重要組成部分。增強現(xiàn)實技術(shù)在導(dǎo)航中的應(yīng)用，最早出現(xiàn)于車載導(dǎo)航中。類似于戰(zhàn)斗機中抬頭式顯示器的原理，很多車廠都在其高端車型中將簡單的地圖和導(dǎo)航信息顯示在駕駛員一側(cè)的擋風(fēng)玻璃前的半透明屏幕上，但其缺點是信息單一，無法與所處環(huán)境交互。

隨著智能手機的迅速普及，位置服務(wù)已經(jīng)成為移動互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)配置[29]。人們對手機依賴性的提高，也使得增強現(xiàn)實技術(shù)向移動終端發(fā)展，為位置服務(wù)帶來個性化的深度服務(wù)。其使用攝像頭、GNSS定位模塊，結(jié)合電子地圖向移動終端實時更新位置數(shù)據(jù)，通過基于增強現(xiàn)實的視覺、聽覺提示向用戶傳達(dá)方位，通過挖掘人們的使用行為和偏好，向移動終端推送興趣信息。其深度服務(wù)在于通過與SoLoMo[29]結(jié)合，實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)與位置服務(wù)的深度融合，增強人與人的社交場景感知。

增強現(xiàn)實技術(shù)在移動終端上的應(yīng)用，除了要具備傳統(tǒng)增強現(xiàn)實的虛實結(jié)合、實時交互和定位配準(zhǔn)外，還需要具備較高的自由移動性，不會因為環(huán)境因素而只能固定在一個較小范圍內(nèi)活動，這對終端的計算性能提出了較高要求。而目前高性能智能手機的普及，使得嵌入式實時視覺追蹤和識別成為可能。同時電子地圖平臺逐步從簡單2D模式向關(guān)聯(lián)信息和圖像的3D模式轉(zhuǎn)變，使得基于地圖平臺的非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)信息的獲取成為可能。

目前，位置服務(wù)應(yīng)用都在界面上顯示電子地圖，對于使用者而言，看見了電子地圖，接著再看眼前的實景，需要在心里進(jìn)行整合，才能明白地圖上所繪出的某條路線是所看到的哪一條，還無法做到“知行合一”。而基于增強現(xiàn)實的位置服務(wù)應(yīng)用，則彌補了這種不便，使用者只需將攝像頭對準(zhǔn)興趣地點、建筑或街道，即可在界面上實時看到興趣信息。

為真正做到“知行合一”，建立關(guān)聯(lián)信息的3D實景模型是必不可少的。通過移動測繪系統(tǒng)對路面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以建立3D實景數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)真正的全三維實景導(dǎo)航。該系統(tǒng)通常由定位定姿系統(tǒng)(POS)、激光掃描儀與全景相機(panoramic camera)、工業(yè)相機(CCD)、工業(yè)化計算機系統(tǒng)組成，不僅可以采集街景數(shù)據(jù)，還可以采集道路、標(biāo)線、標(biāo)牌、街邊建筑物，甚至井蓋等所有能看到的地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擴展了泛在測繪[30]的范疇。Google于2007年推出的街景功能，如圖13所示。

圖13 Google街景數(shù)據(jù)的泛在式采集[31]

首先將采集到的街景數(shù)據(jù)（如圖14所示）保存到服務(wù)器端的街景圖像庫，并建立索引；然后在現(xiàn)有2D電子地圖的基礎(chǔ)上（如圖15所示），利用攝影、LiDAR及SAR等方式獲取景物圖像、位置、紋理、高程、景深等多維數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)分割、影像匹配、特征提取和幾何建模等方法，對城市建筑進(jìn)行3D建模，如圖16所示。

圖14 街景全景圖像數(shù)據(jù)[32]

圖15 2D電子地圖[32]

圖16 3D城市建筑模型[33]

用戶使用時，攝像頭捕捉到的圖像信息經(jīng)過圖像識別和特征提取，連同位置數(shù)據(jù)，借助通信網(wǎng)絡(luò)傳到街景圖像數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，再和3D城市建筑模型進(jìn)行配準(zhǔn)，就可以把路網(wǎng)信息、興趣點數(shù)據(jù)、交通信息、街道導(dǎo)航信息等數(shù)據(jù)逐層精確顯示在對應(yīng)的街道、建筑物上了。

目前，不少移動增強現(xiàn)實已應(yīng)用于旅游，以提供實時的自主導(dǎo)游。如App應(yīng)用Triposo[34]，根據(jù)用戶的情況將最相關(guān)的景點信息介紹給用戶，當(dāng)用戶在新城市游走時，會在用戶的前面高亮顯示首個目的地，用戶就可以準(zhǔn)確無誤地到達(dá)了；App 應(yīng)用Museum[35]，為大型場館提供室內(nèi)移動增強現(xiàn)實服務(wù)，向游客推送實時的展示信息；應(yīng)用ARNav[36]，最大的特色是采用了增強現(xiàn)實技術(shù)的三維立體導(dǎo)航，用戶可以在屏幕上看到三維導(dǎo)引標(biāo)記，只需穿過一個個標(biāo)記方框，就可以到達(dá)目的地。

5 在泛在測繪中的應(yīng)用

泛在測繪是指用戶在任何地點、任何時間為認(rèn)知環(huán)境與人的關(guān)系而創(chuàng)建和使用地圖的活動。強調(diào)以人為本，以用戶為中心，以使用者的需求為地圖的主要信息來創(chuàng)建實時、動態(tài)的測繪產(chǎn)品。由此衍生出泛在定位的概念，即用戶在泛在測繪的過程中，利用多種感知技術(shù)來感知目標(biāo)位置、環(huán)境及其變化的活動。在泛在測繪概念的基礎(chǔ)之上，利用泛在定位和多種資源創(chuàng)建用戶感興趣的目標(biāo)和有關(guān)用戶自身的實時動態(tài)場景地圖，則稱為泛在地圖。泛在地圖的產(chǎn)生是由技術(shù)牽引和學(xué)科牽引共同構(gòu)建的。

增強現(xiàn)實技術(shù)將在泛在測繪中得到廣泛的應(yīng)用。例如，上文提到的三維實景導(dǎo)航服務(wù)；在市政建設(shè)規(guī)劃領(lǐng)域，采用增強現(xiàn)實技術(shù)將規(guī)劃效果實地放樣到真實場景中，就可以獲得規(guī)劃的直觀效果。未來還將出現(xiàn)全站儀與增強現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，用于建筑放樣及人工物體形變監(jiān)測，如圖17所示。

圖17 基于增強現(xiàn)實的實景放樣圖[37]

隨著增強現(xiàn)實的發(fā)展和未來新需求的出現(xiàn)，道路或建筑物上的每一個字符都可能成為泛在測繪的內(nèi)容，從而成為現(xiàn)實世界地理索引的一部分。每個人都可以有一張自己的興趣點地圖。泛在測繪可以將每個人不同時間獲取的興趣點地圖通過多次交互后融合，借助增強現(xiàn)實技術(shù)處理成興趣點豐富、具有時間標(biāo)記、且能不斷更新的泛在地圖，從而為每個人提供個性化的深度服務(wù)。

6 結(jié) 語

增強現(xiàn)實作為實現(xiàn)LBS個性化深度服務(wù)的重要手段，未來將重點在多媒體增強、時空定位增強及個性化服務(wù)增強等方面進(jìn)一步發(fā)展。

1）多媒體增強：隨著生物-納米技術(shù)、自組裝、納米制造和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，從視覺、聽覺到姿態(tài)，感官增強技術(shù)將不斷創(chuàng)新，如眼動軌跡分析技術(shù)、體感技術(shù)、智能語音輸入、空間顯示及全息顯示技術(shù)等，將以整體的形式把增強信息融入到現(xiàn)實世界中，為用戶呈現(xiàn)一個立體、全方位、浸入式的增強現(xiàn)實場景，讓用戶可以跟著“感覺” 走。

2）時空定位增強：隨著計算性能的提升，定位精度和方法的改進(jìn)，通信能力的增強及摩爾定律的效用，使得長時間、高性能、高可靠的全時空定位增強成為可能，有條件提供更實時、更精準(zhǔn)、更無縫的深度服務(wù)，大大提高服務(wù)的粘度，改變用戶認(rèn)知世界的模式，讓用戶跟著“認(rèn)知” 走。

3）個性化服務(wù)增強：隨著基于位置的社會感知、大數(shù)據(jù)時代的個人信息挖掘等技術(shù)的發(fā)展，使得基于用戶行為模式的個性化移動增強現(xiàn)實服務(wù)應(yīng)用成為可能，相同位置的增強服務(wù)內(nèi)容將會因人的興趣不同而變化，讓用戶跟著“興趣”走。

同時，位置數(shù)據(jù)與物理實體的融合/混合表達(dá)客觀世界，將促成新測繪標(biāo)準(zhǔn)的研究和誕生。越來越逼真的3D顯示技術(shù)將是研究的前沿，并帶動光學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)及認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展。

增強現(xiàn)實將成為智能手機的標(biāo)準(zhǔn)配置、公眾投資熱點和新的經(jīng)濟(jì)增長點。增強現(xiàn)實面對政府、行業(yè)、企業(yè)及公眾不同的需求，將有不同的表達(dá)方式及虛實融合方式，形成從硬件、軟件、數(shù)據(jù)采集到3D測繪的大跨度產(chǎn)業(yè)鏈，從而提供豐富的創(chuàng)新空間，帶來大量的就業(yè)機會。增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用將是測繪和導(dǎo)航位置服務(wù)提升自己服務(wù)能力，實現(xiàn)智能化的又一次機遇。

[1]Azuma R. A Survey of Augmented Reality Presence[J]Teleoperators and Virtual Environments, 1997:355–385

[2]Milgram P, Kishino A F. Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays [J].IEEE Transactions on Information and Systems,1994, (12):1 321-1 329

[3]http://www.ted.com/talks/pranav_mistry_the_thrilling_potential_of_sixthsense_technology.html

[4]http://www.36kr.com/p/148106.html

[5]http://telecom.chinabyte.com/156/11840156.shtml

[6]Sutherland I E.A Head-mounted Three Dimensional Display[C].Fall Joint Computer conference, 1968

[7]Tom Caudell. AR at Boeing [EB/OL]. http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentations/HCI-history/tsld096.htm,1990

[8]Loomis J, Golledge R, Klatzky R. Personal Guidance System for the Visually Impaired Using GPS, GIS, and VR Technologies[C].Proceedings of Conference on Virtual Reality and Persons with Disabilities, 1993 :17-18

[9]Feiner S, MacIntyre B, H?llerer T, et al. A Touring Machine:Prototyping 3D Mobile Augmented Reality Systems for Exploring the Urban Environment[C].Proceedings of First IEEE International Symposium on Wearable Computers (ISWC '97),Cambridge MA, 1997

[10]Vlahakis V, Karigiannis J. Archeoguide: First Results of an Augmented Reality, Mobile Computing System in Cultural Heritage Sites[C].Proceedings of Virtual Reality, Archaeology,and Cultural Heritage International Symposium (VAST01), 2001

[11]Kalkusch M, Lidy T, Knapp M, et al. Schmalstieg, Structured Visual Markers for Indoor Path-finding[C].Proceedings of the First IEEE International Workshop on ARToolKit (ART02),2002

[12]Markus Kahari, David J,Murphy. MARA-sensor Based Augmented Reality System for Mobile ImagingIn[C]. Proc.ISMAR 2006,New York, USA,2006:67-73

[13]http://graphics.cs.columbia.edu/projects/mars

[14]http://www.36kr.com/p/24864.html

[15]http://techblog.orl.ucla.edu/?p=291

[16]Jeng T R, Huang D R, Liu K C, et al. New 3D Image Technologies Developed in Taiwan [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(3): 663-668

[17]http://www.thinkdigit.com/Apps/Nokia-introduces-City-Lens-augmented-reality-app_10878.html

[18]陳靖,王涌天,林精敦,等.基于增強現(xiàn)實技術(shù)的圓明園景觀數(shù)字重現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010(2):424-428

[19]孫超,張明敏,李揚,等.增強現(xiàn)實環(huán)境下的人手自然交互[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2011(4):697-704

[20]http://www.travopia.com/2012/04/how-googles-projectglass-is-going-to.html

[21]http://www.36kr.com/p/123619.html

[22]http://www.leiphone.com/ar-contact-lense.html

[23]http://www.chexun.com/2012-04-16/100715332_2.html

[24]http://2012.sohu.com/20120805/n349865160.shtml

[25]http://www.36kr.com/p/115797.html

[26]http://medicalaugmentedreality.com/2012/03/mobile-medicalaugmented-reality-app-for-the-apple-ipad-interview-withprof-hans-peter-meinzer/

[27]http://www.museumoflondon.org.uk/Resources/app/you-arehere-app/home.html

[28]劉經(jīng)南,郭遲,彭瑞卿.移動互聯(lián)網(wǎng)時代的位置服務(wù)[J].中國計算機學(xué)會通訊，2011(12):40-49

[29]http://zh.wikipedia.org/wiki/SoLoMo

[30]劉經(jīng)南.泛在測繪與泛在定位的概念與發(fā)展[J].數(shù)字通信世界，2011(S1):28-30

[31]http://network.pconline.com.cn/news/1210/3046185_all.html

[32]http://cens.ucla.edu/～mhr/cs219/presentations/cs219_Outdoors_Augmented_Reality_on_Mobile_Phone.ppt

[33]http://vision.cs.uiuc.edu/～vhedau2/Publications/3dimpvt2012_3dcity_modeling.pdf

[34]http://www.36kr.com/p/107490.html

[35]http://mashable.com/2010/07/29/american-museum-ofnatural-history-app

[36]http://www.36kr.com/p/107490.html

[37]http://www.metaio.com/uploads/tx_templavoila/IMG-eng_layout_plan-010.jpg