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概述

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實，AR增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)是促使真實世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合在一起的較新的技術(shù)內(nèi)容，其將原本在現(xiàn)實世界的空間范圍中比較難以進(jìn)行體驗的實體信息在電腦等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實施模擬仿真處理，疊加將虛擬信息內(nèi)容在真實世界中加以有效應(yīng)用，并且在這一過程中能夠被人類感官所感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗。真實環(huán)境和虛擬物體之間重疊之后，能夠在同一個畫面以及空間中同時存在。 [2]

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)不僅能夠有效體現(xiàn)出真實世界的內(nèi)容，也能夠促使虛擬的信息內(nèi)容顯示出來，這些細(xì)膩內(nèi)容相互補(bǔ)充和疊加。在視覺化的增強(qiáng)現(xiàn)實中，用戶需要在頭盔顯示器的基礎(chǔ)上，促使真實世界能夠和電腦圖形之間重合在一起，在重合之后可以充分看到真實的世界圍繞著它。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)中主要有多媒體和三維建模以及場景融合等新的技術(shù)和手段，增強(qiáng)現(xiàn)實所提供的信息內(nèi)容和人類能夠感知的信息內(nèi)容之間存在著明顯不同。 [2]

發(fā)展

AR技術(shù)的起源，可追溯到Morton Heilig在20世紀(jì)五、六十年代所發(fā)明的Sensorama Stimulator。他是一名電影制作人兼發(fā)明家。他利用他的多年的電影拍攝經(jīng)驗設(shè)計出了叫Sensorama Stimulator的機(jī)器。 [3] SensoramaStimulator同時使用了圖像、聲音、香味和震動，讓人們感受在紐約的布魯克林街道上騎著摩托車風(fēng)馳電掣的場景。這個發(fā)明在當(dāng)時非常超前。以此為契機(jī)，AR也展開了它的發(fā)展史。 [3]

AR技術(shù)獲得了大量關(guān)注。早在20世紀(jì)90年代，就有3D游戲上市，但由于當(dāng)時的AR技術(shù)價格較高，其自身延遲較長，設(shè)備計算能力有限等缺陷，導(dǎo)致這些AR游戲產(chǎn)品以失敗收尾，第一次AR熱潮就此消退。到了2014年，F(xiàn)acebook以20億美元收購Oculus后，類似的AR熱再次襲來。在2015和2016兩年間，AR領(lǐng)域共進(jìn)行了225筆風(fēng)險投資，投資額達(dá)到了35億美元，原有的領(lǐng)域擴(kuò)展到多個新領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、虛擬仿真教學(xué)、手術(shù)診療、文化遺產(chǎn)保護(hù)等。如今，AR、VR等沉浸式技術(shù)正在快速發(fā)展，一定程度上改變了消費(fèi)者、企業(yè)與數(shù)字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D轉(zhuǎn)移到沉浸感更強(qiáng)的3D，從3D獲得新的體驗，包括商業(yè)、體驗店、機(jī)器人、虛擬助理、區(qū)域規(guī)劃、監(jiān)控等，人們從只使用語言功能升級到包含視覺在內(nèi)的體驗。而在這個發(fā)展過程中，AR將超越VR，更能滿足用戶的需求。 [3]

關(guān)鍵技術(shù)

1、跟蹤注冊技術(shù)

為了實現(xiàn)虛擬信息和真實場景的無縫疊加，這就要求虛擬信息與真實環(huán)境在三維空間位置中進(jìn)行配準(zhǔn)注冊。這包括使用者的空間定位跟蹤和虛擬物體在真實空間中的定位兩個方面的內(nèi)容。而移動設(shè)備攝像頭與虛擬信息的位置需要相對應(yīng)，這就需要通過跟蹤技術(shù)來實現(xiàn)。跟蹤注冊技術(shù)首先檢測需要“增強(qiáng)”的物體特征點(diǎn)以及輪廓，跟蹤物體特征點(diǎn)自動生成二維或三維坐標(biāo)信息。跟蹤注冊技術(shù)的好壞直接決定著增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的成功與否,常用的跟蹤注冊方法有基于跟蹤器的注冊、基于機(jī)器視覺跟蹤注冊、基于無線網(wǎng)絡(luò)的混合跟蹤注冊技術(shù)四種。 [4]

2、顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)顯示系統(tǒng)是比較重要的內(nèi)容，為了能夠得到較為真實的虛擬相結(jié)合的系統(tǒng)，使得實際應(yīng)用便利程度不斷提升，使用色彩較為豐富的顯示器是其重要基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上，顯示器包含頭盔顯示器和非頭盔顯示設(shè)備等相關(guān)內(nèi)容，透視式頭盔能夠為用戶提供相關(guān)的逆序融合在一起的情境，這些系統(tǒng)在具體操作過程中，操作的原理和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中的沉浸式頭盔等內(nèi)容之間相似程度比較高級。其和使用者交互的接口及圖像等綜合在一起，使用更加真實有效的環(huán)境對其實施應(yīng)用小微攝像機(jī)的形式，拍攝外部環(huán)境圖像，使計算機(jī)圖像在得到有效處理的時候，可以和虛擬以及真實環(huán)境融合在一起，并且兩者之間的圖像也能夠得以疊加。光學(xué)透視頭盔顯示器可以在這一基礎(chǔ)上利用安裝在用戶眼前的半透半反光學(xué)合成器，充分和真實環(huán)境綜合在一起，真實的場景可以在半透鏡的基礎(chǔ)上，為用戶提供支持，并且滿足用戶的相關(guān)操作需要。 [4]

3、虛擬物體生成技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在應(yīng)用的時候，其目標(biāo)是使得虛擬世界的相關(guān)內(nèi)容，在真實世界中得到疊加處理，有效在算法程序的應(yīng)用基礎(chǔ)上，促使物體動感操作有效實現(xiàn)。當(dāng)前虛擬物體的生成是在三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上得以實現(xiàn)的，能夠充分體現(xiàn)出虛擬物體的真實感，在對增強(qiáng)現(xiàn)實動感模型研發(fā)的過程中，需要能夠*方位和集體化對物體對象展示出來。虛擬物體生成的過程中，自然交互是其中比較重要的技術(shù)內(nèi)容，在具體實施的時候，對現(xiàn)實技術(shù)的有效實施有效輔助，使信息注冊更好的實現(xiàn)，利用圖像標(biāo)記實時監(jiān)控外部輸入信息內(nèi)容，使得增強(qiáng)現(xiàn)實信息的操作效率能夠提升，并且用戶在信息處理的時候，可以有效實現(xiàn)信息內(nèi)容的加工，提取其中有用的信息內(nèi)容。 [4]

4、交互技術(shù)

與在現(xiàn)實生活中不同，增強(qiáng)現(xiàn)實是將虛擬事物在現(xiàn)實中的呈現(xiàn)，而交互就是幫助虛擬事物在現(xiàn)實中更好的呈現(xiàn)做準(zhǔn)備，因此想要等到更好的AR體驗，交互就是其中的重中之重。 [5]

AR設(shè)備的交互方式主要分為以下三種：

（1）現(xiàn)實世界中的點(diǎn)位選取來進(jìn)行交互是最為常見的一種交互方式，例如最近流行的AR賀卡和畢業(yè)相冊就是通過圖片位置來進(jìn)行交互的。 [5]

（2）將空間中的一個或多個事物的特定姿勢或者狀態(tài)加以判斷，這些姿勢都對應(yīng)著不同的命令。使用者可以任意改變和使用命令來進(jìn)行交互，比如用不同的手勢表示不同的指令。 [5]

（3）使用特制工具進(jìn)行交互。比如谷歌地球，它就是利用類似于鼠標(biāo)一樣的東西來進(jìn)行一系列的操作，從而滿足用戶對于AR互動的要求。 [5]

5、合并技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實的目標(biāo)是將虛擬信息與輸入的現(xiàn)實場景無縫結(jié)合在一起，為了增加AR使用者的現(xiàn)實體驗，要求AR具有很強(qiáng)真實感，為了達(dá)到這個目標(biāo)不單單只考慮虛擬事物的定位，還需要考慮虛擬事物與真實事物之間的遮擋關(guān)系以及具備四個條件：幾何一致、模型真實、光照一致和色調(diào)一致，這四者缺一不可，任何一種的缺失都會導(dǎo)致AR效果的不穩(wěn)定，從而嚴(yán)重影響AR的體驗。 [5]

工作原理

AR的三大技術(shù)要點(diǎn)：三維注冊（跟蹤注冊技術(shù)）、虛擬現(xiàn)實融合顯示、人機(jī)交互。其流程是首先通過攝像頭和傳感器將真實場景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳入處理器對其進(jìn)行分析和重構(gòu)，再通過AR頭顯或智能移動設(shè)備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實時更新用戶在現(xiàn)實環(huán)境中的空間位置變化數(shù)據(jù)，從而得出虛擬場景和真實場景的相對位置，實現(xiàn)坐標(biāo)系的對齊并進(jìn)行虛擬場景與現(xiàn)實場景的融合計算，最后將其合成影像呈現(xiàn)給用戶。用戶可通過AR頭顯或智能移動設(shè)備上的交互配件，如話筒、眼動追蹤器、紅外感應(yīng)器、攝像頭、傳感器等設(shè)備采集控制信號，并進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互及信息更新，實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的交互操作。其中，三維注冊是AR技術(shù)之核心，即以現(xiàn)實場景中二維或三維物體為標(biāo)識物，將虛擬信息與現(xiàn)實場景信息進(jìn)行對位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運(yùn)動路徑等與現(xiàn)實環(huán)境必須匹配，達(dá)到虛實相生的地步。 [6]

系統(tǒng)組成

增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)在功能上主要包括四個關(guān)鍵部分，其中，圖像采集處理模塊是采集真實環(huán)境的視頻，然后對圖像進(jìn)行預(yù)處理;而注冊跟蹤定位系統(tǒng)是對現(xiàn)實場景中的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，根據(jù)目標(biāo)的位置變化來實時求取相機(jī)的位姿變化，從而為將虛擬物體按照正確的空間透視關(guān)系疊加到真實場景中提供保障;虛擬信息渲染系統(tǒng)是在清楚虛擬物體在真實環(huán)境中的正確放置位置后，對虛擬信息進(jìn)行渲染；虛實融合顯示系統(tǒng)是將渲染后的虛擬信息疊加到真實環(huán)境中再進(jìn)行顯示。 [7]

一個完整的增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)是由一組緊密聯(lián)結(jié)、實時工作的硬件部件與相關(guān)軟件系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)的，有以下三種常用的組成形式。 [8]

（1）基于計算機(jī)顯示器

在基于計算機(jī)顯示器的增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）實現(xiàn)方案中，攝像機(jī)攝取的真實世界圖像輸入到計算機(jī)中，與計算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到計算機(jī)屏幕顯示器。用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場景圖片。這種實現(xiàn)方案簡單。 [8]

（2）視頻透視式

視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)采用的基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（Video See-through HMD）。 [8]

（3）光學(xué)透視式

頭盔式顯示器（Head-mounted displays，簡稱HMD）被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶的視覺沉浸感。根據(jù)具體實現(xiàn)原理又可以劃分為兩大類，分別是基于光學(xué)原理的穿透式HMD（Optical See-through HMD）和基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（Video See-throughHMD）。 [8]

光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優(yōu)點(diǎn)，但它同時也存在著定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價格高等問題。 [8]

應(yīng)用領(lǐng)域

隨著AR技術(shù)的成熟，AR越來越多地應(yīng)用于各個行業(yè)，如教育、培訓(xùn)、醫(yī)療、設(shè)計、廣告等。 [6]

1、教育

AR以其豐富的互動性為兒童教育產(chǎn)品的開發(fā)注入了新的活力，兒童的特點(diǎn)是活潑好動，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，市場上隨處可見的AR書籍，對于低齡兒童來說，文字描述過于抽象，文字結(jié)合動態(tài)立體影像會讓孩子快速掌握新的知識，豐富的交互方式更符合孩子們活潑好動的特性，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，如一些危險的化學(xué)實驗，及深奧難懂的數(shù)學(xué)、物理原理都可以通過AR使學(xué)生快速掌握。 [6]

AR技術(shù)具備提升現(xiàn)實情境的清晰直觀性和感知沖擊力，使得情景式的學(xué)習(xí)方式更具親和性、動態(tài)性和自然性，在一定程度上能彌補(bǔ)孤獨(dú)癥兒童對現(xiàn)實世界信息和刺激接收遲緩的弱勢，以及社交溝通上動機(jī)明顯不足的劣勢，能為孤獨(dú)癥兒童教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)的實現(xiàn)提供新的途徑。 [11]

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，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。此外在醫(yī)療教學(xué)中，AR與VR的技術(shù)應(yīng)用使深奧難懂的醫(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。 [6]

3、廣告購物

AR技術(shù)可幫助消費(fèi)者在購物時更直觀地判斷某商品是否適合自己，以作出更滿意的選擇。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。 [6]

4、展示導(dǎo)覽

AR技術(shù)被大量應(yīng)用于博物館對展品的介紹說明中，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。 [6]

5、應(yīng)用于信息檢索領(lǐng)域

對于用戶需要對某一物品的功能和說明清晰了解時，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)會根據(jù)用戶需要將該物品的相關(guān)信息從不同方向匯聚并實時展用戶的視野內(nèi)。在未來，人們可以在通過掃描面部，識別出此人的信用以及部分公開信息，防止上當(dāng)受騙，這些技術(shù)的實現(xiàn)很大程度上減少了受騙幾率，方便用戶快速高效的工作。 [9]

6、應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計交互領(lǐng)域

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)最特殊的地方就是在于其高度交互性，應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計中，主要表現(xiàn)為虛擬交互，通過手勢、點(diǎn)擊等識別來實現(xiàn)交互技術(shù)，將虛擬的設(shè)備、產(chǎn)品去展示給設(shè)計者和用戶前，也可以通過部分控制實現(xiàn)虛擬仿真，模仿裝配情況或日常維護(hù)、拆裝等工作，在虛擬中學(xué)習(xí)，減少了制造浪費(fèi)以及對人才培訓(xùn)的成本，大大改善了設(shè)計的體制，縮短了設(shè)計時間提高效率。 [9]

7、AR試穿試戴

（1）AR試妝:基于人臉識別、追蹤及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，可以實現(xiàn)口紅、眼影等彩妝產(chǎn)品3D實時試用，為用戶升級購物體驗，為商家提高銷售效率和銷售轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)美業(yè)線上線下數(shù)字化新零售轉(zhuǎn)型。

（2）AR眼鏡虛擬試戴：基于人臉識別、追蹤及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)眼鏡、美瞳產(chǎn)品3D實時試戴，360°查看試戴效果，升級用戶購物體驗，為商家提高銷售效率和銷售轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)眼鏡行業(yè)線上線下數(shù)字化新零售轉(zhuǎn)型。

（3）AR發(fā)型虛擬試戴：基于人臉識別、追蹤及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)發(fā)型在線試戴，3D真人實時試戴。用于美發(fā)店，是美發(fā)師與顧客有效溝通的工具，試戴喜歡的發(fā)型再剪發(fā)，提高顧客滿意度，也可以用于線上線下假頭發(fā)試戴，免去實物假頭發(fā)無法試戴或者試戴麻煩的煩惱，提升購物體驗和轉(zhuǎn)化率。

VR&AR

VR

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱為VR技術(shù)，是一種采用3D交互邏輯的成像技術(shù)類別。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用時間較短，所以核心結(jié)構(gòu)主要以環(huán)境模擬系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)及環(huán)境傳感系統(tǒng)構(gòu)成。虛擬現(xiàn)實技術(shù)顧名思義，是將使用者帶入預(yù)設(shè)完成的虛擬空間，通過虛擬空間體驗實視覺的圖像刺激，從而達(dá)到三維成像技術(shù)應(yīng)用的目的。現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用雖然總體較為成熟，但不具備獨(dú)立環(huán)境預(yù)設(shè)功能。需要通過與計算機(jī)的連接實現(xiàn)對成像內(nèi)容的控制，并有計算機(jī)成為虛擬空間設(shè)計，因此虛擬實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用主要起到視覺傳導(dǎo)及視覺信息傳播的實際作用，使圖像信息從二維空間結(jié)構(gòu)向三維空間結(jié)構(gòu)過渡，以此形成完善的圖像處理體系，使使用者達(dá)到最佳的圖像觀感體驗。 [10]

比較

VR用戶基數(shù)較小，移動性較差，具有隔離的沉浸感，因此主要集中在娛樂用途上。娛樂收入可能會占據(jù)整個行業(yè)收入的三分之二，硬件占比約四分之一。雖然VR也會有企業(yè)用途，但是相對于AR和智能眼鏡而言少得多。VR電子商務(wù)和廣告收入會增長，但目前用戶群的規(guī)模和分散性限制了其發(fā)展。 [3]

與VR相比，AR會觸及到更多的人，因為它是對人們?nèi)粘Ｉ畹臒o縫補(bǔ)充。AR是將計算機(jī)生成的虛擬世界疊加在現(xiàn)實世界上，醫(yī)藥、教育、工業(yè)上的各種實際應(yīng)用，已經(jīng)佐證了AR作為工具，對人類的影響更為深遠(yuǎn)。而不是像VR那樣在現(xiàn)實世界之外營造出一個虛擬的世界。國外分析師也認(rèn)為“AR”將會成為“更加日?；囊苿釉O(shè)備應(yīng)用的一部分”。同時，移動AR的普及和低成本也有助于企業(yè)從采用AR技術(shù)，企業(yè)AR可以穩(wěn)定增長，到2021年左右增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將在制造/資源、TMT、政府（包括軍事）、零售、建筑/房地產(chǎn)、醫(yī)療保健、教育、交通運(yùn)輸、金融服務(wù)、公用事業(yè)方面都得到應(yīng)用。 [3]