增強現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢分析

王凌云　湯敏麗

摘要：文章旨在探討增強現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢和創(chuàng)新挑戰(zhàn)。首先，介紹了增強現(xiàn)實的關鍵技術，包括計算機視覺、3D建模與渲染、跟蹤和定位技術，以及人機交互技術等。其次，分析了增強現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢，指出隨著技術的不斷進步、應用場景的不斷擴展以及新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)，增強現(xiàn)實技術將越來越廣泛地應用于各個領域。最后，總結(jié)了增強現(xiàn)實技術在技術難題、法規(guī)與政策以及用戶接受度等方面的挑戰(zhàn)。文章指出了增強現(xiàn)實技術的發(fā)展方向和需要解決的技術難題，為未來的研究提供了思路和方向。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；關鍵技術；發(fā)展創(chuàng)新

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0107-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

增強現(xiàn)實是一種將虛擬信息與真實世界相結(jié)合的技術。通過計算機視覺和傳感技術，它將數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實世界中，以提供額外的信息和視覺體驗。增強現(xiàn)實技術以其獨特的優(yōu)勢正在改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞健?/p>

增強現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀90 年代，當時這項技術主要應用于軍事領域。隨著技術的不斷進步和普及，增強現(xiàn)實已經(jīng)擴展到各個領域，包括教育、娛樂、醫(yī)療、工業(yè)等。在教育領域，增強現(xiàn)實技術可以用于模擬實驗、虛擬演示和交互式教程；在娛樂領域，它可以用于游戲、電影和音樂會；在醫(yī)療領域，可以用于手術模擬、康復訓練和醫(yī)學教育；在工業(yè)領域，可以用于生產(chǎn)流程模擬、機械維護和質(zhì)量控制。因此，增強現(xiàn)實技術在各個領域都發(fā)揮著越來越重要的作用，既可以豐富人們的日常生活，也可以推動產(chǎn)業(yè)升級，催生新的商業(yè)模式，對于提升國家在國際競爭中的科技實力具有重要意義。

1 增強現(xiàn)實的關鍵技術

1.1 計算機視覺

計算機視覺作為增強現(xiàn)實的核心技術之一，發(fā)揮著舉足輕重的作用。在增強現(xiàn)實技術中，計算機視覺的主要任務包括：首先，通過對真實世界的圖像進行采集和處理，識別和檢測現(xiàn)實場景中的物體，如人臉、手勢、文字等，提取出有用的信息。其次，將虛擬信息與真實世界的圖像進行匹配和注冊，實時跟蹤設備的位置和姿態(tài)，以提高增強現(xiàn)實體驗的穩(wěn)定性和準確性。最后，分析現(xiàn)實場景的結(jié)構(gòu)、布局和光照等因素，以便在虛擬場景中構(gòu)建與現(xiàn)實環(huán)境相融合的虛擬物體。計算機視覺可以幫助增強現(xiàn)實設備更好地理解和感知周圍環(huán)境，以適應不同的環(huán)境和任務。

1.2 3D 建模與渲染

3D建模和渲染是增強現(xiàn)實的關鍵環(huán)節(jié)[1]。在增強現(xiàn)實技術中，3D建模與渲染的主要任務包括：首先，通過對真實世界物體進行采集和測量，建立3D模型。其次，增強現(xiàn)實設備需要將虛擬物體與現(xiàn)實環(huán)境融合，使虛擬物體具有真實感。這需要通過渲染技術對虛擬物體進行光照、陰影和反射等效果處理。最后，將渲染后的虛擬物體與真實世界的場景進行匹配和注冊，以便在現(xiàn)實環(huán)境中顯示和交互。3D建模和渲染讓虛擬信息與真實世界更加融合，提高用戶體驗和交互性。

1.3 實時跟蹤與定位

實時跟蹤與定位技術在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中起著至關重要的作用。在增強現(xiàn)實技術中，實時跟蹤與定位的主要任務包括：首先，通過對真實世界的圖像和傳感器數(shù)據(jù)進行采集和處理，提取出有用的信息；其次，利用計算機視覺和傳感器技術，對真實世界中的物體和場景進行識別和跟蹤[2]；最后，根據(jù)跟蹤結(jié)果和傳感器數(shù)據(jù)，對虛擬信息進行實時定位和更新。實時跟蹤與定位可以精確地確定虛擬對象在現(xiàn)實世界中的位置，在現(xiàn)實世界中創(chuàng)建更具沉浸感的虛擬環(huán)境。

1.4 人機交互

人機交互是增強現(xiàn)實的重要支撐技術[3-4]。在增強現(xiàn)實技術中，人機交互的主要任務包括：首先，通過人機界面等技術對用戶的輸入進行識別和理解；其次，根據(jù)用戶的意圖和需求，對虛擬信息進行相應的操作和處理；最后，將處理后的虛擬信息實時疊加在真實世界的物體和場景上，以提供額外的信息和視覺體驗。人機交互技術的發(fā)展將為增強現(xiàn)實應用帶來更多可能性，可以幫助人們更加自然和直觀地與虛擬信息進行交互和操作。

2 發(fā)展趨勢

2.1 硬件設備以及軟件開發(fā)

隨著智能手機、增強現(xiàn)實眼鏡、頭戴式顯示器等移動設備的普及和功能的不斷增強，增強現(xiàn)實技術硬件設備的發(fā)展趨勢日益明顯[5]。首先，增強現(xiàn)實硬件設備輕量化成為趨勢，以實現(xiàn)更舒適的佩戴體驗和更長時間的使用。其次，增強現(xiàn)實硬件設備將更加智能化，以更好地理解和預測用戶行為，提供更加個性化和智能化的服務。此外，設備還將具備手勢識別、頭部追蹤等功能，以提供更自然和直觀的用戶交互方式。最后，增強現(xiàn)實軟件開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)將更加完善。設備制造商將與應用程序開發(fā)者和內(nèi)容提供商合作，為用戶提供更多高質(zhì)量的增強現(xiàn)實內(nèi)容和應用。設備的兼容性和可擴展性也將得到提高，以便用戶可以輕松地與其他設備或平臺進行連接和交互。

2.2 云計算技術

增強現(xiàn)實技術與云計算技術的結(jié)合，可以實現(xiàn)更強大、更高效的增強現(xiàn)實應用。云計算技術可以為增強現(xiàn)實應用提供穩(wěn)定、高效的計算和存儲支持，使得增強現(xiàn)實應用可以更加流暢地運行，并且可以實現(xiàn)更廣泛的應用場景和服務范圍。首先，云計算技術為增強現(xiàn)實應用提供大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析的能力。隨著圖形處理能力和網(wǎng)絡帶寬的提升，云計算將處理更復雜的3D渲染和計算密集型任務，并通過流式傳輸將高質(zhì)量的增強現(xiàn)實內(nèi)容傳送到用戶的設備上，降低本地設備的性能需求。其次，云計算技術將為增強現(xiàn)實應用提供智能化實時的數(shù)據(jù)處理和分析能力。例如，通過云計算技術，增強現(xiàn)實應用可以根據(jù)用戶的偏好和行為為其提供更精準的個性化體驗，并允許多個用戶在同一增強現(xiàn)實環(huán)境中進行互動和協(xié)作。此外，利用云計算，增強現(xiàn)實應用將輕松實現(xiàn)跨平臺兼容性和可擴展性，使得開發(fā)者能夠為多種設備和操作系統(tǒng)提供一致的增強現(xiàn)實體驗。最后，云計算技術需要加強數(shù)據(jù)安全和隱私保護措施，包括加密傳輸、訪問控制和合規(guī)性管理，為增強現(xiàn)實應用提供安全可靠的保障。

2.3 5G 與邊緣計算

隨著邊緣計算的發(fā)展，部分增強現(xiàn)實處理和數(shù)據(jù)存儲任務可能轉(zhuǎn)移到邊緣設備上，與云計算形成互補，以減少延遲和提高響應速度。首先，5G網(wǎng)絡的高速度、低延遲和大連接數(shù)特性將為增強現(xiàn)實應用提供高速低延遲的通信。這將使用戶可以更加便捷地訪問增強現(xiàn)實內(nèi)容和服務，提高用戶體驗。其次，邊緣計算技術將為增強現(xiàn)實應用提供更高效的數(shù)據(jù)處理和分析能力。通過將計算任務分配到網(wǎng)絡邊緣的服務器上，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和負擔，提高增強現(xiàn)實應用的響應速度和實時性。此外，5G和邊緣計算還將為增強現(xiàn)實應用提供更廣泛的支持。例如，處理和分析增強現(xiàn)實設備生成的大量數(shù)據(jù)，如圖像、音頻和傳感器數(shù)據(jù)，減輕了云端的負擔，并保護了用戶的隱私。

2.4 人工智能

增強現(xiàn)實技術與人工智能的結(jié)合，可以為人們帶來更加豐富、逼真的虛擬增強體驗。首先，人工智能技術提高增強現(xiàn)實系統(tǒng)的智能化水平，提高其感知、理解和反應能力。例如，增強現(xiàn)實游戲開發(fā)者可以創(chuàng)造出更具個性化的對手，通過分析玩家在游戲中的表現(xiàn)，學習玩家的表現(xiàn)，然后逐步調(diào)整自己的行為，提供更富有挑戰(zhàn)性，更智能、更個性化的體驗。其次，人工智能技術可以提高增強現(xiàn)實系統(tǒng)的可擴展性和適應性。例如通過自然語言處理和語義理解技術，人工智能可以根據(jù)教學的設定，創(chuàng)造出具有邏輯性和情感張力的教學任務，不僅減少了教師的工作量，還為學生提供了更多的教學選擇。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)技術

增強現(xiàn)實技術和物聯(lián)網(wǎng)的融合被視為未來發(fā)展的重要趨勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設備之間的連接性將變得更加強大和穩(wěn)定，能夠無縫地連接到互聯(lián)網(wǎng)，方便增強現(xiàn)實設備實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)傳輸和交互。例如，在工業(yè)環(huán)境中，增強現(xiàn)實可以顯示來自傳感器和其他物聯(lián)網(wǎng)設備的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。在智能城市和公共空間中，物聯(lián)網(wǎng)技術將實現(xiàn)更高效的信息傳遞和服務提供，更加深入地應用于增強現(xiàn)實設備健康管理、預測性維護和遠程監(jiān)控。例如，增強現(xiàn)實導航可以幫助行人找到最近的停車位或公共交通站點，同時實時監(jiān)測來自物聯(lián)網(wǎng)設備的實時交通和環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.6 信息安全

隨著增強現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，隱私和安全問題也日益凸顯。首先，增強現(xiàn)實技術需要加強用戶隱私保護。在收集和使用用戶數(shù)據(jù)時，必須遵守相關法律法規(guī)和倫理規(guī)范，確保用戶數(shù)據(jù)的合法性和安全性。加密技術、身份認證技術以及匿名化、去標識化技術等將成為保護信息安全的重要手段，保護用戶數(shù)據(jù)不被泄露和濫用。其次，增強現(xiàn)實技術需要加強安全性保障。由于增強現(xiàn)實技術具有與現(xiàn)實世界交互的特點，因此必須采取嚴格的安全措施，確保用戶信息和數(shù)據(jù)不被非法獲取和利用。例如，應加強增強現(xiàn)實應用程序的代碼審核和安全性測試，以減少安全漏洞和風險。訪問控制技術可以限制用戶對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄露。最后，安全審計技術可以對增強現(xiàn)實系統(tǒng)的操作進行記錄和監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理安全問題。政府和企業(yè)也應加強相關法律法規(guī)的制定和完善，規(guī)范增強現(xiàn)實技術的使用和管理，保障用戶的合法權(quán)益和安全。

3 創(chuàng)新挑戰(zhàn)

隨著技術的不斷發(fā)展，增強現(xiàn)實技術既可以拓展新的應用領域和開發(fā)更優(yōu)質(zhì)的應用服務，也讓新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。這需要不斷開拓創(chuàng)新。此外，還可以開發(fā)更自然、更智能的用戶界面和交互方式，以提供更優(yōu)質(zhì)的用戶體驗。雖然增強現(xiàn)實技術具有廣泛的應用前景和巨大的市場潛力，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如跟蹤和定位的準確性、圖像和視頻的穩(wěn)定性、虛實結(jié)合的自然性等技術難題。此外，增強現(xiàn)實技術的應用涉及個人隱私、知識產(chǎn)權(quán)、不正當競爭等問題，相關的法規(guī)和政策制定可能存在一定的滯后性，對增強現(xiàn)實技術的發(fā)展帶來一定的限制。最后增強現(xiàn)實技術的應用需要用戶具備一定的技術基礎和認知能力，目前仍有部分用戶對增強現(xiàn)實應用不太了解或不會使用，對應用接受度和滿意度會受到影響。未來需要不斷進行探索和創(chuàng)新，以克服這些挑戰(zhàn)，推動增強現(xiàn)實技術的快速發(fā)展和應用。

4 總結(jié)

增強現(xiàn)實技術作為一種新興的交互方式，具有廣闊的應用前景。這項技術在近年來取得了顯著的發(fā)展，主要得益于關鍵技術的突破和趨勢的創(chuàng)新。本文從增強現(xiàn)實的關鍵技術、發(fā)展趨勢和創(chuàng)新挑戰(zhàn)三個方面進行了探討。增強現(xiàn)實技術未來研究將以智能化、個性化、開放、可擴展、用戶體驗和隱私保護為目標，以推動其不斷發(fā)展，并為人類帶來更加沉浸式的體驗和更多的便利。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：本文得到黔東南州科技計劃項目（No. 黔東南科合J 字〔2021〕43 號）；貴州省教育廳自然科學研究資助項目（No . 黔教合KY 字〔2020〕178）號資助