增強現實技術的發展與應用

郭婉瑩

摘 要：增強現實技術將虛擬世界疊加在現實世界上，使體驗者在虛實融合的世界進行互動，是近年來的研究熱點。文章首先綜述了增強現實技術的國內外研究現狀，然后詳細介紹了跟蹤注冊技術、3D顯示技術和人機交互技術三項關鍵技術，最后對增強現實技術的應用發展進行闡述，并展望了其進一步的研究和發展。

關鍵詞：增強現實；跟蹤注冊技術；3D顯示技術；人機交互技術

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0180-02

1 概述

增強現實技術是虛擬現實技術的一個重要分支領域，是近些年來各大高校和研究機構的研究熱點。與虛擬現實技術使用戶完全沉浸在虛擬世界環境中不同，增強現實技術將虛擬世界與現實世界相結合，把虛擬世界疊加在現實世界并進行互動，通過諸如各種成像眼鏡、頭戴光學透視顯示器、投影儀等多種設備，為用戶提供一個由虛擬信息和真實景物構成的混合式場景。1997年，北卡大學的羅納德·阿祖瑪從三個方面的內容：虛擬物體與現實環境結合、三維顯示和實時交互定義了增強現實。因此，增強現實技術是一種將計算機產生的數字圖形動畫等信息實時疊加顯示到現實的場景中，并使用戶可以在虛實混合的場景中進行自然互動的人機交互技術。增強現實技術提供了更加自然的交互能力，讓人們能夠以全新的方式去體驗和認知周圍的事物，并能幫助我們完成一些復雜的工作，在現階段增強現實技術比虛擬現實技術具有更廣泛的應用空間。

2 國內外研究情況

最早關于增強現實技術的研究可以追溯至1968年，美國麻省理工學院研發了世界上第一臺光學透視頭戴式顯示器，該設備可以將計算機生成的圖形實時與真實場景疊加、融合，掀開了增強現實技術的面紗。1999年，美國華盛頓大學和日本廣島城市大學成功聯合開發了基于標識的增強現實系統開發包ARToolKit并維護至今，極大地推動了增強現實技術的普及，進而涌現出更多相關的軟件應用和開發系統。現階段，增強現實技術的核心算法、人機交互方法和軟硬件基礎平臺是各大研究機構的研究重點。主導基于自然平面圖像與立體物體識別追蹤三維注冊算法的瑞士洛桑理工學院計算機視覺實驗室[1]、專注于基于增強現實技術的人機交互技術研究的新加坡國立大學多媒體交互實驗室[2]以及正在研發增強現實輔助汽車機械維修的德國寶馬實驗室[3]都是增強現實技術領域的翹楚，被公認為代表業內的領先水平。隨著硬件設備技術的不斷發展以及增強現實技術的日益成熟，原有的研究領域已拓展到許多新的領域。

國內關于增強現實技術的研究較國外起步較晚，主要的研究機構大都分布在各大高校，如北京理工大學、浙江大學、北京航天航空大學等，研究的領域比較單一、涉及面比較窄。隨著增強現實技術的發展，我國開始對增強現實技術逐漸重視，并將增強現實技術列為國家科學技術發展規劃的一個重點研究方向。

3 關鍵技術

3.1 跟蹤注冊技術

跟蹤注冊技術是指通過相應的算法計算虛擬場景與現實場景坐標系的映射關系，將計算機產生的虛擬物體按照映射關系疊加到現實場景中的確定位置，從而追蹤和定位顯示場景中的物體或圖像，這也是實現增強現實的首要目標。目前主要采用基于視覺的圖像實時識別追蹤計算技術和基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術，或采用二者結合的方式。

3.1.1 基于視覺的圖像實時識別追蹤計算技術

該技術首先提取平面識別標識圖像的特征點，然后根據真實場景中的圖像反推計算出用戶的運動軌跡，從而明確虛擬圖像或物體疊加上來的位置和方向。該技術不需要特殊硬件輔助計算，配準精度高，但計算復雜度高，因此增加了系統延時；因為對識別追蹤的速度、準確性以及環境光的適應性有較高要求，并且具有對多目標的識別標識同時追蹤的需求，所以大多數情況下都采用非線性迭代，魯棒性不高，誤差控制較困難。

3.1.2 基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術

基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術通過綁定六自由度或三自由度的運動跟蹤傳感器或攝像機，實時捕捉物體姿態數據，從而求出物體的相對空間位置和方向，進而確定虛擬圖像或物體疊加的透視坐標。這種基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術不受環境光線的限制，并且系統延時小、精度更高，但設備昂貴，且移動和安裝空間受限，比較適合應用在一些比較專業的增強現實場景中。

3.1.3 二者結合的匹配追蹤技術

在條件允許的情況下，可以將基于視覺的圖像實時識別追蹤計算技術與基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術結合，充分利用兩種技術各自的優勢，提高跟蹤注冊的定位精度，從而提高增強現實應用的穩定性與環境適應性。

3.2 3D顯示技術

除了高效、精準的跟蹤注冊技術外，逼真的虛實融合的3D現實效果也是增強現實中必不可少的，這依賴于高效率的3D顯示實時渲染引擎和各種輔助的3D顯示硬件設備。

3.2.1 3D顯示實時渲染引擎

充分利用新一代CPU和GPU的多核運算能力，現階段的主流3D顯示實時渲染引擎可以在現實場景內實時顯示逼真的虛擬物體3D渲染效果，配合實景光線追蹤技術以及多種光影的動態效果，可進一步提升虛實場景融合的3D效果顯示。與此同時，3D顯示實時渲染引擎還可以集成虛擬環繞立體聲庫和物理特效庫等，進而對虛擬物體的聲效、重力、碰撞、粒子等物理效果進行仿真，進一步提用戶體驗。

3.2.2 3D顯示硬件設備

輔助3D顯示的硬件設備可以分為頭戴式顯示、手持式顯示和空間顯示三類設備，各類設備的成像位置有所不同。頭戴式顯示設備在離用戶眼睛大約4-10厘米處成像，用戶在使用時需在頭部佩戴顯示設備，頭戴式顯示設備的主要缺點是顯示分辨率低、視域受限；手持式顯示設備在離觀察者一個手臂遠的距離處成像，該類設備的主要缺點是：存儲容量小、處理器性能低、視域范圍小，且影響觀察者手臂的運動或其他操作；空間顯示設備可以和人體分離使用，在離人體較遠處成像，避免了頭戴和手持顯示設備受人體空間的使用限制，并且系統可以采用外部交流供電，容易解決，可支持寬視域、高亮性、高分辨率和高對比度的影像，該類設備的主要缺點是：只能應用于固定場景、合成影像精度低。

3.3 人機交互技術

用戶能夠與真實場景中的虛擬信息之間自然交互是增強現實技術的目標，成熟的人機交互技術是實現這一目標所不可或缺的。有多種方式實現增強現實系統的人機交互，從傳統的鼠標鍵盤交互到語言、手勢交互，人機交互技術的發展極大的擴展了增強現實的應用領域。

由于增強現實技術獨特的虛實融合的3D顯示效果，傳統的二維平面界面交互方式也被擴展到更加自然的3D空間交互方式，與現實的物體和場景有了更緊密直觀的關聯，基于語音或手勢的人機交互方式也應運而生。基于語音或手勢的交互是一種新穎的人機交互手段，用戶手部的動作或說出的話音可以看作是人機交互的接口，通過捕捉用戶的各種手勢、動作、話音的信息作為交互的輸入，直觀且自然，并且降低了人機交互的成本，能夠讓用戶更準確地實現在現實場景中與虛擬物體的互動，若輔助3D虛擬環繞聲、虛擬觸感反饋等多模態交互技術，則可實現更自然的虛實融合的人機交互方式，這也是進一步提高增強現實應用人機交互體驗的技術方向[4]。

4 增強現實的應用發展

近年來，增強現實技術取得了顯著的進步，諸多領域的研究都可以與增強現實技術相結合，從而相互促進發展。在醫療、軍事、古跡復原、娛樂游戲、網絡視頻通信等領域需求的積極推動下，增強現實技術都展現出強勁的發展前景，在跟蹤識別精度、硬件設備發展、虛實合成顯示等方面正在快速發展和提高。新型產品的出現也給研究人員帶來更多的啟示與靈感，從而拓展相關研究，促進增強現實技術向著更高、更快、更精準的方向發展。相信在不久的將來，增強現實技術會在各個領域得到更廣泛的應用，為更自然有效的人機交互提供便利。

參考文獻：

[1]V.Lepetit. Vision Based 3D Tracking with Applications to Augmented Reality[EB/OL].http：//cvlab.epfl.ch/research/complet？ed/realtime_trackin，2012-02-06.

[2]Syed Omer Gilani， Steven Zhou. What You Write Is What You Get： A Novel Mixed Reality Interface [EB/OL].http：//www.iml.org.s， 2012-02-06.

[3]BMW. BMW research projects-virtual world meets reaity[EB/OL].http：//www.bmw.com/com/en/owners/service/augmented_reality_introduction，2012-02-06.

[4]Jaka Sodnik， Saso Tomazic.Spatial[C]//Proceedings of the 18th Australia conference on Computer-Human Interaction.