AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

摘 要：AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境影像疊加的方式進(jìn)行即時(shí)性信息數(shù)據(jù)交互。虛實(shí)交融的AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將我們周圍的整個(gè)世界變成交互式對(duì)象，這種新的信息交互模式亦會(huì)逐漸改變我們的生活。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生活中的應(yīng)用范圍越來越廣，本文主要探討了其技術(shù)原理及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：AR;技術(shù)原理;現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

1 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念及原理

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境影像相疊加的方式進(jìn)行即時(shí)性信息數(shù)據(jù)交互，其交互的信息形式可以是文字、圖像、視頻、聲音等各種數(shù)據(jù)。即通過捕捉辨識(shí)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的圖像信息特征調(diào)取相關(guān)虛擬信息數(shù)據(jù)，并且虛擬信息數(shù)據(jù)可依據(jù)使用者的空間位置、觀看角度及肢體動(dòng)作與現(xiàn)實(shí)環(huán)境產(chǎn)生及時(shí)、準(zhǔn)確的互動(dòng)關(guān)聯(lián)，大大提高了信息索取的效率、實(shí)用性及交互性。正如某網(wǎng)站所言：“AR增強(qiáng)的不是現(xiàn)實(shí)，而是認(rèn)知?！逼鋵⒏淖?nèi)藗儷@取外界信息及認(rèn)知世界的方式。虛實(shí)交融的AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將我們周圍的整個(gè)世界變成交互式對(duì)象，這種新的信息交互模式亦將逐漸改變我們的生活。

AR的三大技術(shù)要點(diǎn)：三維注冊(cè)（跟蹤注冊(cè)技術(shù)）、虛擬現(xiàn)實(shí)融合顯示、人機(jī)交互。其流程是首先通過攝像頭和傳感器將真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳入處理器對(duì)其進(jìn)行分析和重構(gòu)，再通過AR頭顯或智能移動(dòng)設(shè)備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實(shí)時(shí)更新用戶在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的空間位置變化數(shù)據(jù)，從而得出虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的對(duì)齊并進(jìn)行虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的融合計(jì)算，最后將其合成影像呈現(xiàn)給用戶。用戶可通過AR頭顯或智能移動(dòng)設(shè)備上的交互配件，如話筒、眼動(dòng)追蹤器、紅外感應(yīng)器、攝像頭、傳感器等設(shè)備采集控制信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互及信息更新，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互操作。其中，三維注冊(cè)是AR技術(shù)之核心，即以現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中二維或三維物體為標(biāo)識(shí)物，將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息進(jìn)行對(duì)位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運(yùn)動(dòng)路徑等與現(xiàn)實(shí)環(huán)境必須完美匹配，達(dá)到虛實(shí)相生的地步。

2 頭戴式顯示器

AR應(yīng)用因自身技術(shù)的復(fù)雜性使其硬件發(fā)展受到許多限制，盡管其硬件目前的狀況還不盡如人意，但隨著電子和光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和完善，AR硬件也在快速迭代之中不斷改進(jìn)。其中，以業(yè)界公認(rèn)的三大AR頭顯表現(xiàn)最為突出：Hololens、Meta、Magic Leap。

3 智能移動(dòng)設(shè)備

AR頭顯因佩戴使用時(shí)用戶往往有諸多不適感，因此近期AR應(yīng)用的主要載體為手持智能移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦。其天然包含了AR所需的各種元素：陀螺儀、GPS、攝像頭、加速器、麥克風(fēng)等，以及強(qiáng)大的CPU、GPU。目前，主要的AR開發(fā)平臺(tái)有蘋果針對(duì)iOS系統(tǒng)的ARKit、谷歌針對(duì)安卓系統(tǒng)的ARCore、亞馬遜的Amazon Sumerian，F(xiàn)acebook的AR Studio和Frame Studio。這些開發(fā)平臺(tái)可為智能手機(jī)、平板電腦、頭戴顯示器、瀏覽器等快速創(chuàng)建VR、AR和3D應(yīng)用內(nèi)容。

外界對(duì)于移動(dòng)手持AR與頭顯AR設(shè)備孰優(yōu)孰劣的比較一直沒有停止過，其實(shí)二者本身定位不同。手持移動(dòng)AR其優(yōu)勢(shì)為重量輕、成本小、使用方便，所以普及率高，但受硬件設(shè)備配置所限，在三維重建、游戲引擎、圖形渲染等方面與頭顯有明顯差距。智能頭顯設(shè)備釋放雙手，人機(jī)交互的渠道更加豐富，更適合進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。

4 AR應(yīng)用

隨著AR技術(shù)的成熟，AR越來越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如教育、培訓(xùn)、醫(yī)療、設(shè)計(jì)、廣告等。

4.1 教育

AR以其豐富的互動(dòng)性為兒童教育產(chǎn)品的開發(fā)注入了新的活力，兒童的特點(diǎn)是活潑好動(dòng)，運(yùn)用AR技術(shù)開發(fā)的教育產(chǎn)品更適合孩子們的生理和心理特性。例如，現(xiàn)在市場(chǎng)上隨處可見的AR書籍，對(duì)于低齡兒童來說，文字描述過于抽象，文字結(jié)合動(dòng)態(tài)立體影像會(huì)讓孩子快速掌握新的知識(shí)，豐富的交互方式更符合孩子們活潑好動(dòng)的特性，提高了孩子們的學(xué)習(xí)積極性。在學(xué)齡教育中AR也發(fā)揮著越來越多的作用，如一些危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，及深?yuàn)W難懂的數(shù)學(xué)、物理原理都可以通過AR使學(xué)生快速掌握。

4.2 健康醫(yī)療

近年來，AR技術(shù)也越來越多地被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育、病患分析及臨床治療中，如Scopis公司借助微軟HoloLens的頭顯裝置開發(fā)了全息導(dǎo)航平臺(tái)，并將其運(yùn)用于脊柱手術(shù)當(dāng)中，使得手術(shù)成功率從64%提升至85%。諸如此類的微創(chuàng)手術(shù)越來越多地借助AR及VR技術(shù)來減輕病人的痛苦，降低手術(shù)成本及風(fēng)險(xiǎn)。此外在醫(yī)療教學(xué)中，AR與VR的技術(shù)應(yīng)用使深?yuàn)W難懂的醫(yī)學(xué)理論變得形象立體、淺顯易懂，大大提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。

4.3 廣告購物

AR技術(shù)可幫助消費(fèi)者在購物時(shí)更直觀地判斷某商品是否適合自己，以作出更滿意的選擇。例如，宜家開發(fā)的AR應(yīng)用IKEA Place，人們?cè)谶M(jìn)行家庭裝修時(shí)，尤其是添置家具時(shí)，常常為無法預(yù)知所購家具是否與房間其他家具協(xié)調(diào)而苦惱，AR技術(shù)輕松幫助人們化解此類難題。用戶可以輕松地通過該軟件直觀地看到不同的家具放置在家中的效果，從而方便用戶選擇，該軟件還具有保存并添加到購物車的功能。

4.4 展示導(dǎo)覽

AR技術(shù)被大量應(yīng)用于博物館對(duì)展品的介紹說明中，該技術(shù)通過在展品上疊加虛擬文字、圖片、視頻等信息為游客提供展品導(dǎo)覽介紹。此外，AR技術(shù)還可應(yīng)用于文物復(fù)原展示，即在文物原址或殘缺的文物上通過AR技術(shù)將復(fù)原部分與殘存部分完美結(jié)合，使參觀者了解文物原來的模樣，達(dá)到身臨其境的效果。

隨著AR技術(shù)和硬件設(shè)備的不斷進(jìn)步，AR離我們的生活越來越近，并悄悄改變我們的認(rèn)知方式、交流方式和生活方式。及時(shí)了解有關(guān)AR的最新資訊，并借助其技術(shù)創(chuàng)造出具有市場(chǎng)價(jià)值的產(chǎn)品和具有思想深度的藝術(shù)品，這是我們?cè)诖髮W(xué)課程中引入AR技術(shù)的初衷和目的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李京燕（1970—），女，陜西西安人，碩士，西安美術(shù)學(xué)院影視動(dòng)畫系講師，研究方向：三維動(dòng)畫，交互多媒體。