增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述

胡天宇+張權(quán)福+沈永捷+董惠媛

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)。其通過跟蹤注冊(cè)技術(shù)、顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等多種技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息添加到真實(shí)世界中，在各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著其核心技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)及各類移動(dòng)設(shè)備性能的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文章首先綜述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后詳細(xì)介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心技術(shù)，最后對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行闡釋，并展望了其未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；跟蹤注冊(cè)技術(shù)；人機(jī)交互技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）34-0194-03

1 概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，兩種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念最早于20世紀(jì)90年代由波音公司的Tom Caudell和他的同事提出，數(shù)十年來，國內(nèi)外各大高校、實(shí)驗(yàn)室、研究所乃至企業(yè)不斷投入到對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究中，并取得了顯著成果。

目前對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有兩種較為權(quán)威的定義。第一種定義是Paul Milgram和Fumio Kishino于1994年提出的，在論文中他們提出“現(xiàn)實(shí)-虛擬連續(xù)統(tǒng)”的概念，認(rèn)為在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的中間地帶存在“混合現(xiàn)實(shí)”，在這其中更靠近真實(shí)環(huán)境的為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，最終將通過計(jì)算機(jī)生成各種虛擬對(duì)象來“增強(qiáng)”真實(shí)環(huán)境的技術(shù)，定義為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。第二種定義是R.T. Azuma于1997年在Hughes Research Laboratories時(shí)所提出的，他沒有從具體技術(shù)角度定義增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，而是提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所需要的三方面特性：將虛擬與現(xiàn)實(shí)融合、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互、在三維空間注冊(cè)。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)及各種移動(dòng)設(shè)備的GPU、CPU等各項(xiàng)性能不斷提升，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與機(jī)器視覺技術(shù)等技術(shù)的提高，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越發(fā)廣泛，如醫(yī)療、工業(yè)、旅游、城市建設(shè)、軍事、教育、遺跡保護(hù)、娛樂等諸多領(lǐng)域。

2 國內(nèi)外研究背景

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外各大高校、實(shí)驗(yàn)室、研究所等主要將研究重點(diǎn)放在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心算法、人機(jī)交互方式、軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)等方面。如1999年，ARToolKit項(xiàng)目發(fā)布，并于2001年開源、維護(hù)直至今日，極大地推動(dòng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，更是將AR技術(shù)從PC端推廣至手機(jī)端。它使用視頻跟蹤技術(shù)來實(shí)時(shí)計(jì)算真實(shí)攝像機(jī)位置和相對(duì)于標(biāo)識(shí)物的方向，解決了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的兩個(gè)關(guān)鍵問題：視點(diǎn)跟蹤和虛擬對(duì)象交互。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Computer Vision Laboratory提出了一種基于自然平面圖像與立體物體識(shí)別追蹤的三維注冊(cè)算法，取得了里程碑式的研究成果。新加坡國立大學(xué)的Interactive & Digital Media Institute則致力于研究基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互技術(shù)。2004年，University of Oxford的Andrew J. Davison基于SLAM算法提出了廣角視覺下的實(shí)時(shí)三維SLAM算法，開創(chuàng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)新的研究方法。2012年，谷歌公司推出名為Google Project Glass的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型穿戴式智能眼鏡，該眼鏡集相機(jī)、智能設(shè)備、全球定位系統(tǒng)等設(shè)備于一身，在用戶眼前展現(xiàn)實(shí)時(shí)信息，風(fēng)靡一時(shí)。2015年，微軟推出HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備，其具有全息、高清鏡頭、立體聲等特點(diǎn)，可以讓你看到和聽到你周圍的全息景象，為頭戴式顯示設(shè)備的翹楚。2016年，任天堂推出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手機(jī)游戲Pokemon Go，將虛擬的精靈、場(chǎng)景等疊加在真實(shí)世界上，因其出色的創(chuàng)新性與游戲性席卷全球。2017年蘋果公司于全球開發(fā)者大會(huì)上發(fā)布了AR開發(fā)平臺(tái)ARKit，將優(yōu)秀的AR體驗(yàn)帶給無數(shù)的消費(fèi)級(jí)設(shè)備，各式各樣的AR應(yīng)用一時(shí)層出不窮。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)有關(guān)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究相比國外而言開始較晚，但在近幾年也得到了深入發(fā)展。2006年，北京理工大學(xué)的王涌天等人提出運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)數(shù)字化“重建圓明園”，提議以定點(diǎn)式AR、手持式AR和頭盔式AR等多種形式展現(xiàn)圓明園的魅力。王涌天等人還于2010年提出一種在自然特征識(shí)別基礎(chǔ)上采用關(guān)鍵幀匹配的跟蹤注冊(cè)算法，該算法在戶外定位追蹤方面有良好效果。2006年，國防科技大學(xué)的高宇等人將注意力放在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)景空間上，從幾何一致性及光照一致性等角度研究了虛擬物體與實(shí)景空間合成的一致性問題。同年，華中科技大學(xué)的蔣欽云提出了一種基于標(biāo)示焦點(diǎn)與全局單應(yīng)性矩陣相結(jié)合的三維注冊(cè)方法，采用了標(biāo)識(shí)預(yù)估的方法進(jìn)行標(biāo)識(shí)搜索跟蹤，設(shè)計(jì)了卡爾曼濾波器以確保旋轉(zhuǎn)角的精確度，降低跟蹤維數(shù)，最終提高注冊(cè)精度。2012年，視辰信息科技公司成立，于2014年推出使用自主AR引擎開發(fā)的視+AR編輯器和視+AR瀏覽器，于2015年發(fā)布國內(nèi)首個(gè)可以投入應(yīng)用的AR引擎EasyAR，以其友好的界面、交互性、兼容性吸引了一批AR開發(fā)者。2015年，亮風(fēng)臺(tái)發(fā)布HiAR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，包括HiAR SDK、云識(shí)別、管理者后臺(tái)等開發(fā)工具，使開發(fā)者能利用其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)框架快速開發(fā)AR應(yīng)用。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)

3.1 跟蹤注冊(cè)技術(shù)

跟蹤注冊(cè)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最終效果與其所用的跟蹤注冊(cè)技術(shù)密不可分。跟蹤注冊(cè)技術(shù)，是指通過相應(yīng)算法快速地計(jì)算虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)系的映射關(guān)系，使其精準(zhǔn)對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)虛擬信息在真實(shí)世界的完美疊加。建立虛擬空間坐標(biāo)系與真實(shí)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得虛擬信息能夠正確地放置于真實(shí)世界中，此過程為注冊(cè)。實(shí)時(shí)從當(dāng)前場(chǎng)景獲得真實(shí)世界的數(shù)據(jù)，并根據(jù)觀察者位置、視場(chǎng)、角度、方向、運(yùn)動(dòng)情況等因素來重建坐標(biāo)系，并將虛擬信息正確地放置于真實(shí)世界中，此過程為跟蹤。目前通用的跟蹤注冊(cè)技術(shù)主要有以下三種。endprint

3.1.1 基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

該類技術(shù)主要有兩種方法，一為基于標(biāo)識(shí)物的方法，二為基于自然特征的方法?；跇?biāo)識(shí)物的方法，主要通過在真實(shí)空間中放置標(biāo)識(shí)物，通過對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)等方法識(shí)別標(biāo)識(shí)物，而后根據(jù)標(biāo)識(shí)物的信息建立虛擬空間與真實(shí)空間的坐標(biāo)映射關(guān)系?；谧匀惶卣鞯姆椒ǎ饕ㄟ^分析實(shí)時(shí)圖像，提取相匹配的自然特征點(diǎn)，通過真實(shí)圖像計(jì)算出虛擬空間與真實(shí)空間的坐標(biāo)映射關(guān)系。該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外的外部設(shè)備，計(jì)算精度高，且具有對(duì)多目標(biāo)識(shí)別追蹤能力。其缺點(diǎn)在于計(jì)算復(fù)雜度高，實(shí)時(shí)性差且易受環(huán)境影響。

3.1.2 基于硬件設(shè)備的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

該類技術(shù)通過各類傳感器、GPS設(shè)備、攝像機(jī)等硬件實(shí)時(shí)捕捉觀察者的位置、視場(chǎng)等信息，計(jì)算出虛擬空間坐標(biāo)系與真實(shí)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)在于定位速度快，測(cè)量范圍大，實(shí)時(shí)性好；缺點(diǎn)在于需要額外的外部設(shè)備，精度受外部設(shè)備影響較大。

3.1.3 混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)與基于硬件設(shè)備的跟蹤注冊(cè)技術(shù)各有優(yōu)劣，在目前來看，單一的跟蹤技術(shù)很難較好地解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的跟蹤注冊(cè)問題。因此，在條件允許的情況下，可以將這兩種跟蹤注冊(cè)技術(shù)相結(jié)合，充分利用兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，以提高跟蹤注冊(cè)的實(shí)時(shí)性、精度、魯棒性，從而提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性。混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)亦是目前國內(nèi)外各大高校、研究所等研究重點(diǎn)。

3.2 顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中另一關(guān)鍵技術(shù)為顯示技術(shù)，顯示技術(shù)決定了用戶使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時(shí)的沉浸感、體驗(yàn)感等因素。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合顯示的主要設(shè)備一般分為：頭戴顯示式、手持顯示式以及投影顯示式等。

3.2.1 頭戴顯示式

頭戴式顯示器被廣泛運(yùn)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，是一種注重增強(qiáng)用戶的視覺沉浸感的顯示設(shè)備。該類顯示器主要分為兩種，基于攝像機(jī)原理的視頻透視式頭戴顯示器和基于光學(xué)原理的光學(xué)透視式頭戴顯示器。視頻透視式頭戴顯示器主要通過顯示器上一定數(shù)目的相機(jī)獲取實(shí)時(shí)圖像，而后進(jìn)行圖像處理，將虛擬信息與真實(shí)世界融合后的場(chǎng)景顯示在顯示器上，例如微軟公司發(fā)布的HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡和Meta公司推出的Meta2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡。光學(xué)透視式頭戴顯示器主要利用光的反射原理，在用戶眼前放置一塊半透明的光學(xué)組合器，從而將虛擬信息與真實(shí)世界融合，呈現(xiàn)給用戶，例如谷歌公司先前推出的Google Class。

3.2.2 手持顯示式

手持顯示式器一般多指手機(jī)、PDA、平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備的顯示器，他們具有較高的便攜性的優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地使用，而且手持式顯示設(shè)備具有可觸控的特點(diǎn)，便于進(jìn)行人機(jī)交互的設(shè)計(jì)。

3.2.3 投影顯示式

投影式顯示器是將生成的虛擬對(duì)象信息直接投影到需要融合的真實(shí)場(chǎng)景中的一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)。和平面顯示設(shè)備把圖像生成在固定的設(shè)備表面不同的是，投影式顯示能夠?qū)D像投影到大范圍場(chǎng)景中，但其缺點(diǎn)在于設(shè)備體積龐大、焦點(diǎn)不能隨用戶視角移動(dòng)而改變、受光照等環(huán)境因素限制。

3.3 人機(jī)交互技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備等逐步智能化，人機(jī)交互技術(shù)越發(fā)重要。而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人機(jī)交互的方式尤為重要。從傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤交互方式到語音、手勢(shì)交互方式等新型交互方式，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將會(huì)給增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)帶來無限可能。

3.3.1 基于傳統(tǒng)的硬件設(shè)備

鼠標(biāo)、鍵盤、觸控等是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常見的交互工具，這些基于傳統(tǒng)硬件設(shè)備的交互方式，并不能為用戶提供良好的交互體驗(yàn)，用戶沉浸感較差，其優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備成本低廉、交互方式簡(jiǎn)單。

3.3.2 語音、手勢(shì)交互等新型交互技術(shù)

近年來，人機(jī)交互領(lǐng)域出現(xiàn)了基于語音及基于手勢(shì)等多種新型交互方式，在這類交互技術(shù)中，計(jì)算機(jī)及移動(dòng)設(shè)備等捕捉用戶的語音、手勢(shì)、動(dòng)作等作為輸入，較之傳統(tǒng)交互方式更為直觀、自然。他們能夠以更準(zhǔn)確的方式讓使用者在真實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)與虛擬信息的互動(dòng)，是更自然的虛實(shí)融合的人機(jī)交互方式，更適合應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具

為了推進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，研究者除了對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)核心技術(shù)進(jìn)行研究外，同樣應(yīng)該致力于建設(shè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架的開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境，以便增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的框架也是各個(gè)高校、研究所及企業(yè)等研究的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外均有成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架，用以支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的快速開發(fā)。國外較為知名的有Vuforia、Metaio等，國內(nèi)為EasyAR、HiAR及太虛AR等。

4.1 Vuforia

Vuforia是由高通公司提供的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)包，致力于實(shí)現(xiàn)高端和完美的AR體驗(yàn)，后被PTC公司收購。其最新推出的Vuforia6，提供IOS、Android、Windows等多平臺(tái)SDK，支持Unity3D引擎，亦提供云識(shí)別等云服務(wù)，使可以用戶輕松開發(fā)各種平臺(tái)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，連續(xù)4年被增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界博覽會(huì)評(píng)為最佳工具。

4.2 Metaio與ARKit

Metaio2003年成立于德國慕尼黑，一直專注于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)視覺解決方案，而其包括MetaioCreator、MetaioSDK、MetaioCloud等多項(xiàng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)吸引眾多獨(dú)立開發(fā)者和企業(yè)，其多項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)，2015年，Metaio被蘋果公司收購，2017年，蘋果推出自己的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)包ARKit，迅速吸引了廣大開發(fā)者，將優(yōu)秀的AR 體驗(yàn)帶給無數(shù)的消費(fèi)級(jí)設(shè)備。

4.3 EasyAR

EasyAR為中國視辰信息科技有限公司所開發(fā)的國內(nèi)首個(gè)投入應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引擎，目前提供IOS、Android、Windows、MacOS等多平臺(tái)SDK，兼容性較高，且提供SLAM技術(shù)、3D物體跟蹤、平面物品跟蹤、云識(shí)別等多項(xiàng)服務(wù)，深受國內(nèi)AR開發(fā)者喜愛。endprint

4.4 其他開發(fā)工具

除了上述介紹的Vuforia、EasyAR等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)SDK，國內(nèi)外還有許多個(gè)人及企業(yè)開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)包，如ARToolKit、ARLab等。

5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域

近年來，隨著計(jì)算機(jī)及移動(dòng)設(shè)備等各項(xiàng)性能不斷提升，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)核心技術(shù)的不斷優(yōu)化，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

在醫(yī)療領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)與培訓(xùn)中，在患者進(jìn)行手術(shù)時(shí)，醫(yī)生可以看到病人身上實(shí)時(shí)MRI和CT圖像，提升手術(shù)成功率，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；在醫(yī)療教育中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可應(yīng)用于手術(shù)模擬、人體器官學(xué)習(xí)等，提升教學(xué)效果。在軍事領(lǐng)域，軍隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取周邊物體信息、兵力部署信息、實(shí)時(shí)方位等重要信息，提升軍事活動(dòng)的成功率。在游戲領(lǐng)域，谷歌公司發(fā)布的Ingress及任天堂公司開發(fā)的Pokemon Go，以其巧妙的構(gòu)思，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于游戲領(lǐng)域，通過GPS等位置傳感器獲取玩家地點(diǎn)，從而提升游戲趣味性與真實(shí)性，取得了巨大的成功。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，已逐步從研究領(lǐng)域走向應(yīng)用領(lǐng)域。目前的研究必將推動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著設(shè)備性能的提升與核心技術(shù)的優(yōu)化，在不久的將來，定會(huì)有大量?jī)?yōu)秀的AR應(yīng)用涌現(xiàn)，改善人們的生活品質(zhì)，為生活帶來無限可能。

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