增強現實技術

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現實(台灣)。

增強現實技術，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間空間範圍內很難體驗到的實體信息(視覺信息、聲音、味道、觸覺等)通過電腦等科學技術，模擬仿真後再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。 ^[1]  真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

增強現實技術，不僅展現了真實世界的信息,而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。在視覺化的增強現實中，用户利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞着它。

增強現實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及註冊、場景融合等新技術與新手段。增強現實提供了在一般情況下，不同於人類可以感知的信息。

AR系統具有三個突出的特點：①真實世界和虛擬世界的信息集成；②具有實時交互性；③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術可廣泛應用到軍事、醫療、建築、教育、工程、影視、娛樂等領域。 ^{[1]  [3]} 

一個完整的增強現實系統是由一組緊密聯結、實時工作的硬件部件與相關的軟件系統協同實現的，常用的有如下三種組成形式。

在基於計算機顯示器的AR實現方案中，攝像機攝取的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統產生的虛擬景象合成，並輸出到屏幕顯示器。用户從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然簡單，但不能帶給用户多少沉浸感。Monitor-Based增強現實系統實現方案如圖2 所示。

頭盔式顯示器(Head-mounted displays,簡稱HMD)被廣泛應用於虛擬現實系統中，用以增強用户的視覺沉浸感。增強現實技術的研究者們也採用了類似的顯示技術，這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。根據具體實現原理又劃分為兩大類，分別是基於光學原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基於視頻合成技術的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學透視式增強現實系統實現方案如圖3所示。

光學透視式增強現實系統具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優點，但它同時也存在着定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價格高等不足。 ^[1] 

視頻透視式增強現實系統採用的基於視頻合成技術的穿透式HMD(Video See-through HMD)，實現方案如圖4所示。

AR技術不僅在與VR技術相類似的應用領域，諸如尖端武器、飛行器的研製與開發、數據模型的可視化、虛擬訓練、娛樂與藝術等領域具有廣泛的應用，而且由於其具有能夠對真實環境進行增強顯示輸出的特性，在醫療研究與解剖訓練、精密儀器製造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等領域，具有比VR技術更加明顯的優勢。 ^{[1]  [2]} 

* 醫療領域：醫生可以利用增強現實技術，輕易地進行手術部位的精確定位。

* 軍事領域：部隊可以利用增強現實技術，進行方位的識別，獲得實時所在地點的地理數據等重要軍事數據。

* 古蹟復原和數字化文化遺產保護：文化古蹟的信息以增強現實的方式提供給參觀者，用户不僅可以通過HMD看到古蹟的文字解説，還能看到遺址上殘缺部分的虛擬重構。

* 工業維修領域：通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用户，包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內部結構、被維修設備零件圖等。

*網絡視頻通訊領域：該系統使用增強現實和人臉跟蹤技術，在通話的同時在通話者的面部實時疊加一些如帽子、眼鏡等虛擬物體，在很大程度上提高了視頻對話的趣味性。

* 電視轉播領域：通過增強現實技術可以在轉播體育比賽的時候實時的將輔助信息疊加到畫面中，使得觀眾可以得到更多的信息。

* 娛樂、遊戲領域：增強現實遊戲可以讓位於全球不同地點的玩家，共同進入一個真實的自然場景，以虛擬替身的形式，進行網絡對戰。

* 旅遊、展覽領域：人們在瀏覽、參觀的同時，通過增強現實技術將接收到途經建築的相關資料，觀看展品的相關數據資料。

* 市政建設規劃：採用增強現實技術將規劃效果疊加真實場景中以直接獲得規劃的效果。

國內比較權威的增強現實學者是北京理工大學光電工程系的王湧天教授

國內首次將這項技術應用到普通生活中，是在蘋果的AppStore上發佈的一款免費的叫作出行百科(增強現實版)XINGWIKI的軟件。

增強現實顯示器，將計算機生成的圖形疊加到真實世界中。自從二十世紀七十年代早期，Pong進入電子遊戲廳以來，視頻遊戲走進我們的生活已經有30多年了，但是一直侷限在屏幕中的2D世界中，而增強現實這一新技術的到來，將通過增強我們的見、聲、聞、觸和聽，進一步模糊真實世界與計算機所生成的虛擬世界之間的界線。

從虛擬現實（創建身臨其境的、計算機生成的環境）和真實世界之間的光譜來看，增強現實更接近真實世界。增強現實將圖像、聲音、觸覺和氣味按其存在形式添加到自然世界中。由此可以預見視頻遊戲會推動增強現實的發展，但是這項技術將不僅僅侷限於此，而會有無數種應用。從旅行團到軍隊的每個人都可以通過此技術將計算機生成的圖像放在其視野之內，並從中獲益。

增強現實將真正改變我們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅車行駛在路上。通過增強現實顯示器（最終看起來像一副普通的眼鏡），信息化圖像將出現在您的視野之內，並且所播放的聲音將與您所看到的景象保持同步。這些增強信息將隨時更新，以反映當時大腦的活動。在這篇文章中，我們將瞭解這項未來技術、其技術構成以及如何使用該技術。

Ingress 是全球最受歡迎的增強現實APP。

增強現實技術最早於1990年提出。隨着隨身電子產品運算能力的提升，增強現實的用途越來越廣。 ^[2] 

移動式增強現實系統的早期原型增強現實的基本理念是將圖像、聲音和其他感官增強功能實時添加到真實世界的環境中。聽起來十分簡單。而且，電視網絡通過使用圖像實現上述目的不是已經有數十年的歷史了嗎？但是電視網絡所做的只是顯示不能隨着攝像機移動而進行調整的靜態圖像。增強現實遠比您在電視廣播中見到的任何技術都要先進，儘管增強現實的早期版本一開始是出現在通過電視播放的比賽和橄欖球比賽中，例如Racef/x和添加的第一次進攻線，它們都是由SporTVision創造的。這些系統只能顯示從一個視角所能看到的圖像。下一代增強現實系統將顯示能從所有觀看者的視角看到的圖像。

在各類大學和高新技術企業中，增強現實還處於研發的初級階段。最終，可能到這個十年結束的時候，我們將看到第一批大量投放市場的增強現實系統。一個研究者將其稱為“21世紀的隨身聽”。增強現實要努力實現的不僅是將圖像實時添加到真實的環境中，而且還要更改這些圖像以適應用户的頭部及眼睛的轉動，以便圖像始終在用户視角範圍內。 ^[2]  下面是使增強現實系統正常工作所需的三個組件：

1.頭戴式顯示器

2.跟蹤系統

3.移動計算能力

增強現實的開發人員的目標是將這三個組件集成到一個單元中，放置在用帶子綁定的設備中，該設備能以無線方式將信息轉播到類似於普通眼鏡的顯示器上。

這項技術有數百種可能的應用，其中游戲和娛樂是最顯而易見的應用領域。可以給人們提供即時信息的不需要人們參與任何研究的任何系統，在相當多的領域對所有人都是有價值的。增強現實系統可以立即識別出人們看到的事物，並且檢索和顯示與該景象相關的數據。

維修和建設——增強現實可以將標記器連接到人們正在施工的特定物體上，然後增強現實系統可以在它上面描繪出圖像。

軍事——軍隊數十年來一直在設計使用增強現實，美國海軍研究所已經資助了一些增強現實研究項目。國防先進技術研究計劃署（DARPA）已經投資了HMD項目來開發可以配有便攜式信息系統的顯示器。其理念在於，增強現實系統可以為軍隊提供關於周邊環境的重要信息，例如顯示建築物另一側的入口，這有點像X射線視覺。增強現實顯示器還能突出顯示軍隊的移動，讓士兵可以轉移到敵人看不到的地方。

即時信息——旅行者和學生可以使用這些系統瞭解有關特定歷史事件的更多信息。想像行走在美國內戰的戰場上，並且在頭戴式增強現實顯示器上看到重現的歷史事件。它將使您沉浸在歷史事件中，有身臨其境之感，而且視角將是全景的。

遊戲——增強現實，可以將遊戲映射到周圍的真實世界中，並可以真正成為其中的一個角色。澳大利亞的一位研究人員創作了一個將流行的視頻遊戲Quake和增強現實結合起來的原型遊戲。他將一個大學校園的模型放進了遊戲軟件中。

作為新型的人機接口和仿真工具，AR受到的關注日益廣泛，並且已經發揮了重要作用，顯示出了巨大的潛力。

AR是充分發揮創造力的科學技術，為人類的智能擴展提供了強有力的手段，對生產方式和社會生活產生了巨大的深遠的影響。

隨着技術的不斷髮展，其內容也勢必將不斷增加。而隨着輸入和輸出設備價格的不斷下降、視頻顯示質量的提高以及功能很強大但易於使用的軟件的實用化，AR的應用必將日益增長。AR技術在人工智能、CAD、圖形仿真、虛擬通訊、遙感、娛樂、模擬訓練等許多領域帶來了革命性的變化。

總體來講，增強現實在中國處於起步階段，許多虛擬現實領域的企業已經開始專注於“增強現實”的研發和應用。比如中視典數字科技研發的VRP12.0就集成了增強現實的功能。

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