AR技術(shù)：在虛擬與現(xiàn)實之間漫步

在電影《碟中諜4》中，一名特工的一只眼睛佩戴了一種特制的隱形眼鏡，這種隱形眼鏡能夠掃描大街上的人臉，進行人臉識別，進而從人群中迅速找出所需要的目標(biāo)，截獲密碼文件。

科學(xué)家稱，實現(xiàn)這樣神奇的應(yīng)用要等到一二十年之后，但也不用太失望，因為我們身邊已經(jīng)出現(xiàn)增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用了。

不久前，美國專利及商標(biāo)局剛剛公布了一個蘋果公司申請并獲得批準(zhǔn)的專利，大致可將其描述為“可戴上的便攜設(shè)備”，或是“一副有顯示屏和發(fā)聲能力的眼鏡”，或是“擋住用戶臉的帶顯示屏和可能的發(fā)聲能力的面罩”等。

這很容易讓人聯(lián)想到谷歌在去年發(fā)布的一款眼鏡，它具有和智能手機一樣的功能，可以通過聲音控制拍照、視頻通話和辨明方向以及上網(wǎng)沖浪、處理文字信息和電子郵件等。在這些神奇的眼鏡或者面罩背后，實際上是“增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)”在起作用。

去年10月，圓明園遺址公園發(fā)布的“數(shù)字圓明園”可以通過網(wǎng)絡(luò)下載圓明園移動導(dǎo)覽系統(tǒng)在家中虛擬游覽圓明園，也可以到實地體驗導(dǎo)覽系統(tǒng)的增強現(xiàn)實效果。游客可在含經(jīng)堂等10個景區(qū)實現(xiàn)移動導(dǎo)覽，只需用圓明園提供的iPad對準(zhǔn)景區(qū)里的二維碼掃描，即可重現(xiàn)過去的建筑景觀。

增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體驗非常神奇，其核心主旨就是“以人為本”。它簡稱增強現(xiàn)實技術(shù)（augmented reality，AR），簡言之就是用計算機實時產(chǎn)生三維信息來增強人對真實世界的感知。

一般認(rèn)為，AR技術(shù)源于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality，VR）。但AR技術(shù)的偉大之處就是著眼于真實世界。傳統(tǒng)的VR技術(shù)讓用戶完全沉浸在虛擬空間中，正如宅男總喜歡生活在家庭電腦營造的網(wǎng)絡(luò)世界中一樣。而AR技術(shù)則把計算機、網(wǎng)絡(luò)和用戶都帶回到真實的世界，不僅可以讓人隨時訪問網(wǎng)絡(luò)，還可以增強人對現(xiàn)實世界的感知。

戴上一款眼鏡看看天，鏡片就會顯示當(dāng)天及未來幾天內(nèi)的天氣狀況；看到一張面孔，就能知道你在何時何地見過他；看到一棟高樓，就可以了解樓層的詳細(xì)信息……AR技術(shù)利用計算機系統(tǒng)產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中并不存在的虛擬信息，這些虛擬信息可被用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等各種方式感知，成為周圍真實環(huán)境的組成部分，從而增強用戶對現(xiàn)實世界的感知。結(jié)合現(xiàn)在的信息技術(shù)，這將創(chuàng)造出許許多多美妙的應(yīng)用。

上世紀(jì)90年代初，波音公司的Tom Caudell和同事最早提出了“增強現(xiàn)實”。 他們在設(shè)計的系統(tǒng)中，把由簡單線條繪制的布線路徑和文字等提示信息，實時疊加在機械師的頭盔顯示器上，這些信息可以幫助機械師一步一步完成拆卸過程。

這正是AR技術(shù)的目標(biāo)，即借助光電顯示技術(shù)、交互技術(shù)、計算機圖形技術(shù)和可視化技術(shù)等，產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過注冊技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確“放置”在真實環(huán)境中，使用戶感知到一個真實和虛擬相融合的唯一存在的世界，并能與之交互。

AR技術(shù)是一個多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域，該領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者北卡大學(xué)Ronald Azuma提出，AR技術(shù)系統(tǒng)包含三個內(nèi)容：真實世界和虛擬世界的信息集成，即虛實融合；具有實時交互性；三維尺度空間中定位增添虛擬物體，即三維跟蹤注冊。其中，尤以實時的人機交互最為重要，因為沉浸感和感知的增強皆源于此。

人機交互是一門包括計算機視覺、心理學(xué)、人工智能等多學(xué)科交叉的技術(shù)，隨著傳感器、力反饋等硬件設(shè)備的發(fā)展，以及對人的個體差異、感知研究以及認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，人機交互已成為世界各國信息產(chǎn)業(yè)競爭的一項關(guān)鍵技術(shù)，并逐漸實現(xiàn)向“以用戶為中心”的轉(zhuǎn)變。

由于AR技術(shù)的獨特性與快速發(fā)展，目前在軍事、航空航天、醫(yī)療、影視娛樂、制造與維修、教育、旅游、建筑規(guī)劃等各個領(lǐng)域都能看到其應(yīng)用。

軍事應(yīng)用是推動新技術(shù)發(fā)展的重要動力之一，采用AR技術(shù)可以大大減少軍費開支，主要體現(xiàn)在軍事訓(xùn)練和武器的設(shè)計制作兩個方面。在航空航天方面，美國國家航空航天局已經(jīng)將AR技術(shù)應(yīng)用于國際空間站組裝、訓(xùn)練等工作。歐洲航天局則注重于把AR技術(shù)應(yīng)用于空間機器人遙控、航天器設(shè)計、空間探測模擬等方面。

醫(yī)學(xué)是最早將AR技術(shù)應(yīng)用到實際中的領(lǐng)域之一。早在1994年，醫(yī)生就可以利用超聲波掃描孕婦，然后在其腹部對應(yīng)部位繪制出一個相應(yīng)的三維胎兒，再通過頭盔顯示器了解胎兒。

AR技術(shù)還可以作為外科手術(shù)可視化的輔助手段，通過使用磁共振成像、計算機斷層掃描或超聲圖像實時收集病人的三維數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的虛擬信息與病人的實際情況相融合，給予醫(yī)生更完善的信息。

盡管如此，AR技術(shù)依然是一門年輕的學(xué)科，存在著許多尚未解決的理論問題和技術(shù)障礙。比如硬件設(shè)備比較特殊，而且大多價格昂貴，且普遍存在使用不便、影響用戶交互活動等缺點，這是目前影響AR技術(shù)推廣的瓶頸之一。

如今已經(jīng)有多種用于AR系統(tǒng)開發(fā)的軟件工具包和應(yīng)用程序編程接口，但普遍存在專業(yè)性強、易用性差等特點，而且很多算法和相關(guān)理論也不成熟，如在人工智能、人體工程學(xué)、基于嗅覺、味覺等新型傳感和感知機理等方面還有許多問題有待解決。同時，由于一些AR專用硬件設(shè)備的特殊性和局限性，常常使軟件開發(fā)的費用十分巨大。

所以，今后AR技術(shù)的主要研究方向應(yīng)該是開發(fā)廉價的硬件設(shè)備，降低系統(tǒng)硬件成本，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)虛實無縫融合的高效算法和軟件，并進一步加強用戶視覺和聽覺方面的研究，積極開展觸覺、嗅覺、味覺等方面的研究，最終實現(xiàn)真實自然的多模態(tài)人機交互。

AR技術(shù)是一個充滿想象力和巨大潛力的高新技術(shù)領(lǐng)域，在不久的將來必定會深度影響我們的生活，也許這一天的到來比預(yù)計的更快。