增强现实:现代新兴技术-中文百科频道

概述

增强现实技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术.其通过跟踪注册技术、显示技术、人机交互技术等多种技术,将计算机生成的虚拟信息添加到真实世界中,在各领域中广泛应用.近年来,随着其核心技术的进步,计算机及各类移动设备性能的提升,增强现实技术逐渐成为国内外学者研究的热点.文章首先综述了增强现实技术的国内外研究现状,然后详细介绍了增强现实技术的核心技术,最后对增强现实开发工具及增强现实技术应用领域进行阐释,并展望了其未来的发展趋势.

发展历史

增强现实（Augmented Reality，简称AR），也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

自从二十世纪七十年代早期Pong进入电子游戏厅以来，视频游戏走进我们的生活已经有30多年了。增强现实的新技术，将通过增强我们的所见、所听、所感和所闻，进一步模糊真实世界与计算机所生成的虚拟世界之间的界线。

从虚拟现实（创建身临其境的、计算机生成的环境）和真实世界之间的光谱来看，增强现实更接近真实世界。增强现实将图像、声音、触觉和气味按其存在形式添加到自然世界中。由此可以预见视频游戏会推动增强现实的发展，但是这项技术将不仅仅局限于此，而会有无数种应用。从旅行团到军队的每个人都可以通过此技术将计算机生成的图像放在其视野之内，并从中获益。

增强现实将真正改变我们观察世界的方式。想像您自己行走在或者驱车行驶在路上。通过增强现实显示器（最终看起来像一副普通的眼镜），信息化图像将出现在您的视野之内，并且所播放的声音将与您所看到的景象保持同步。这些增强信息将随时更新，以反映当时大脑的活动。

微软公司于2015年1月22日发布的HoloLens全息眼镜。

技术原理

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，也被称为扩增现实(台湾)。

增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。

主要特点

AR系统具有三个突出的特点：

①真实世界和虚拟世界的信息集成；

②具有实时交互性；

③是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。

工作原理

增强现实的基本理念是将图像、声音和其他感官增强功能实时添加到真实世界的环境中。听起来十分简单。而且，电视网络通过使用图像实现上述目的不是已经有数十年的历史了吗？的确是这样，但是电视网络所做的只是显示不能随着摄像机移动而进行调整的静态图像。增强现实远比您在电视广播中见到的任何技术都要先进，尽管增强现实的早期版本一开始是出现在通过电视播放的比赛和橄榄球比赛中，例如Racef/x和添加的第一次进攻线，它们都是由SporTVision创造的。这些系统只能显示从一个视角所能看到的图像。下一代增强现实系统将显示能从所有观看者的视角看到的图像。

在各类大学和高新技术企业中，增强现实还处于研发的初级阶段。最终，可能到这个十年结束的时候，我们将看到第一批大量投放市场的增强现实系统。一个研究者将其称为“21世纪的随身听”。增强现实要努力实现的不仅是将图像实时添加到真实的环境中，而且还要更改这些图像以适应用户的头部及眼睛的转动，以便图像始终在用户视角范围内。

下面是使增强现实系统正常工作所需的三个组件：

1.头戴式显示器

2.跟踪系统

3.移动计算能力

增强现实的开发人员的目标是将这三个组件集成到一个单元中，放置在用带子绑定的设备中，该设备能以无线方式将信息转播到类似于普通眼镜的显示器上。

组成形式

一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的，常用的有如下三种组成形式。

Monitor-Based

在基于计算机显示器的AR实现方案中，摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然简单，但不能带给用户多少沉浸感。

光学透视式

头盔式显示器(Head-mounted displays,简称HMD)被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术，这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。根据具体实现原理又划分为两大类，分别是基于光学原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)。

光学透视式增强现实系统具有简单、分辨率高、没有视觉偏差等优点，但它同时也存在着定位精度要求高、延迟匹配难、视野相对较窄和价格高等不足。

视频透视式

视频透视式增强现实系统采用的基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)。

应用领域

医疗领域：医生可以利用增强现实技术，轻易地进行手术部位的精确定位。

军事领域：部队可以利用增强生活中的AR现实技术，进行方位的识别，获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。

古迹复原和数字化文化遗产保护：文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者，用户不仅可以通过HMD看到古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。

工业维修领域：通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。

网络视频通讯领域：该系统使用增强现实和人脸跟踪技术，在通话的同时在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体，在很大程度上提高了视频对话的趣味性。

电视转播领域：通过增强现实技术可以在转播体育比赛的时候实时的将辅助信息叠加到画面中，使得观众可以得到更多的信息。

娱乐、游戏领域：增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家，共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。

旅游、展览领域：人们在浏览、参观的同时，通过增强现实技术将接收到途经建筑的相关资料，观看展品的相关数据资料。

市政建设规划：采用增强现实技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果。

水利水电勘察设计：在水利水电勘察设计领域，三维协同设计稳步发展，可能会在不远的将来取代传统的二维设计，AR技术在设计领域的应用为水利水电三维模型的应用提供了更好的展示手段，使得三维模型与二维的设计、施工图纸能更加紧密地结合起来。AR技术在勘察设计领域中可以有效地应用于实时方案比较、设计元素编辑、三维空间综合信息整合、辅助决策和设计方案多方参与等方面。

行业概况

供求关系是一个增强现实行业能否快速发展的前提。目前来看，市场需求是很大的，而供应方面却略显不足，尤其是拥有核心知识产权，专利产品及服务质量过硬的企业并不多，行业整体缺乏品牌效应。在需求旺盛的阶段，行业需求巨大，发展前景好，这是毋庸置疑的。企业共同努力，尤其需要发挥尽善尽美的研发精神，进一步提高研发技艺，降低成本，真正解决客户的实际困难，严把质量关，提供最可靠的产品及服务。

实际应用

一旦研究人员克服了目前所面临的各种挑战，增强现实将很可能遍及我们生活的各个角落。它可能应用到几乎所有行业中，许多行业广泛的应用虚拟现实技术，其中包括：

维修和建设——这很可能是应用增强现实的第一个行业。可以将标记器连接到人们正在施工的特定物体上，然后增强现实系统可以在它上面描绘出图像。这是一个比较简单的增强现实形式，因为系统只需要知道用户相对于他看到的物体所在的位置，而不必跟踪那个人的确切物理位置。

军事——军队数十年来一直在设计使用增强现实。事实上，美国海军研究所已经资助了一些增强现实研究项目。国防先进技术研究计划署（DARPA）已经投资了HMD项目来开发可以配有便携式信息系统的显示器。其理念在于，增强现实系统可以为军队提供关于周边环境的重要信息，例如显示建筑物另一侧的入口，这有点像X射线视觉。增强现实显示器还能突出显示军队的移动，让士兵可以转移到敌人看不到的地方。

即时信息——旅行者和学生可以使用这些系统了解有关特定历史事件的更多信息。想像行走在美国内战的战场上，并且在头戴式增强现实显示器上看到重现的历史事件。它将使您沉浸在历史事件中，有身临其境之感，而且视角将是全景的。

游戏——将视频游戏带到户外会有多酷呢？您可以将游戏映射到周围的真实世界中，并可以真正成为其中的一个角色。澳大利亚的一位研究人员创作了一个将流行的视频游戏Quake和增强现实结合起来的原型游戏。他将一个大学校园的模型放进了游戏软件中。现在，如果他使用该系统，那么在他绕着校园行走时，就会处于该游戏场景中。

这项技术有数百种可能的应用，其中游戏和娱乐是最显而易见的应用领域。可以给人们提供即时信息的不需要人们参与任何研究的任何系统，在相当多的领域对所有人都是有价值的。增强现实系统可以立即识别出人们看到的事物，并且检索和显示与该景象相关的数据。