增強現實

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），增強現實技術也被稱為擴增現實，AR增強現實技術是促使真實世界信息和虛擬世界信息內容之間綜合在一起的較新的技術內容，其將原本在現實世界的空間範圍中比較難以進行體驗的實體信息在電腦等科學技術的基礎上，實施模擬仿真處理，疊加將虛擬信息內容在真實世界中加以有效應用，並且在這一過程中能夠被人類感官所感知，從而實現超越現實的感官體驗。真實環境和虛擬物體之間重疊之後，能夠在同一個畫面以及空間中同時存在。 ^[2] 

增強現實技術不僅能夠有效體現出真實世界的內容，也能夠促使虛擬的信息內容顯示出來，這些細膩內容相互補充和疊加。在視覺化的增強現實中，用户需要在頭盔顯示器的基礎上，促使真實世界能夠和電腦圖形之間重合在一起，在重合之後可以充分看到真實的世界圍繞着它。增強現實技術中主要有多媒體和三維建模以及場景融合等新的技術和手段，增強現實所提供的信息內容和人類能夠感知的信息內容之間存在着明顯不同。 ^[2] 

AR技術的起源，可追溯到Morton Heilig在20世紀五、六十年代所發明的Sensorama Stimulator。他是一名電影製作人兼發明家。他利用他的多年的電影拍攝經驗設計出了叫Sensorama Stimulator的機器。 ^[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着摩托車風馳電掣的場景。這個發明在當時非常超前。以此為契機，AR也展開了它的發展史。 ^[3] 

由於AR技術的顛覆性和革命性，AR技術獲得了大量關注。早在20世紀90年代，就有3D遊戲上市，但由於當時的AR技術價格較高，其自身延遲較長，設備計算能力有限等缺陷，導致這些AR遊戲產品以失敗收尾，第一次AR熱潮就此消退。到了2014年，Facebook以20億美元收購Oculus後，類似的AR熱再次襲來。在2015和2016兩年間，AR領域共進行了225筆風險投資，投資額達到了35億美元，原有的領域擴展到多個新領域，如城市規劃、虛擬仿真教學、手術診療、文化遺產保護等。如今，AR、VR等沉浸式技術正在快速發展，一定程度上改變了消費者、企業與數字世界的互動方式。用户期望更大程度上從2D轉移到沉浸感更強的3D，從3D獲得新的體驗，包括商業、體驗店、機器人、虛擬助理、區域規劃、監控等，人們從只使用語言功能升級到包含視覺在內的全方位體驗。而在這個發展過程中，AR將超越VR，更能滿足用户的需求。 ^[3] 

1、跟蹤註冊技術

為了實現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境在三維空間位置中進行配準註冊。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容。而移動設備攝像頭與虛擬信息的位置需要相對應，這就需要通過跟蹤技術來實現。跟蹤註冊技術首先檢測需要“增強”的物體特徵點以及輪廓，跟蹤物體特徵點自動生成二維或三維座標信息。跟蹤註冊技術的好壞直接決定着增強現實系統的成功與否,常用的跟蹤註冊方法有基於跟蹤器的註冊、基於機器視覺跟蹤註冊、基於無線網絡的混合跟蹤註冊技術四種。 ^[4] 

2、顯示技術

增強現實技術顯示系統是比較重要的內容，為了能夠得到較為真實的虛擬相結合的系統，使得實際應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，在這一基礎上，顯示器包含頭盔顯示器和非頭盔顯示設備等相關內容，透視式頭盔能夠為用户提供相關的逆序融合在一起的情境，這些系統在具體操作過程中，操作的原理和虛擬現實領域中的沉浸式頭盔等內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境對其實施應用微型攝像機的形式，拍攝外部環境圖像，使計算機圖像在得到有效處理的時候，可以和虛擬以及真實環境融合在一起，並且兩者之間的圖像也能夠得以疊加。光學透視頭盔顯示器可以在這一基礎上利用安裝在用户眼前的半透半反光學合成器，充分和真實環境綜合在一起，真實的場景可以在半透鏡的基礎上，為用户提供支持，並且滿足用户的相關操作需要。 ^[4] 

3、虛擬物體生成技術

增強現實技術在應用的時候，其目標是使得虛擬世界的相關內容，在真實世界中得到疊加處理，有效在算法程序的應用基礎上，促使物體動感操作有效實現。當前虛擬物體的生成是在三維建模技術的基礎上得以實現的，能夠充分體現出虛擬物體的真實感，在對增強現實動感模型研發的過程中，需要能夠全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內容，在具體實施的時候，對現實技術的有效實施有效輔助，使信息註冊更好的實現，利用圖像標記實時監控外部輸入信息內容，使得增強現實信息的操作效率能夠提升，並且用户在信息處理的時候，可以有效實現信息內容的加工，提取其中有用的信息內容。 ^[4] 

4、交互技術

與在現實生活中不同，增強現實是將虛擬事物在現實中的呈現，而交互就是幫助虛擬事物在現實中更好的呈現做準備，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設備的交互方式主要分為以下三種：

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

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

（3）使用特製工具進行交互。比如谷歌地球，它就是利用類似於鼠標一樣的東西來進行一系列的操作，從而滿足用户對於AR互動的要求。 ^[5] 

5、合併技術

增強現實的目標是將虛擬信息與輸入的現實場景無縫結合在一起，為了增加AR使用者的現實體驗，要求AR具有很強真實感，為了達到這個目標不單單隻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係以及具備四個條件：幾何一致、模型真實、光照一致和色調一致，這四者缺一不可，任何一種的缺失都會導致AR效果的不穩定，從而嚴重影響AR的體驗。 ^[5] 

AR的三大技術要點：三維註冊（跟蹤註冊技術）、虛擬現實融合顯示、人機交互。其流程是首先通過攝像頭和傳感器將真實場景進行數據採集，並傳入處理器對其進行分析和重構，再通過AR頭顯或智能移動設備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實時更新用户在現實環境中的空間位置變化數據，從而得出虛擬場景和真實場景的相對位置，實現座標系的對齊並進行虛擬場景與現實場景的融合計算，最後將其合成影像呈現給用户。用户可通過AR頭顯或智能移動設備上的交互配件，如話筒、眼動追蹤器、紅外感應器、攝像頭、傳感器等設備採集控制信號，並進行相應的人機交互及信息更新，實現增強現實的交互操作。其中，三維註冊是AR技術之核心，即以現實場景中二維或三維物體為標識物，將虛擬信息與現實場景信息進行對位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運動路徑等與現實環境必須匹配，達到虛實相生的地步。 ^[6] 

增強現實系統在功能上主要包括四個關鍵部分，其中，圖像採集處理模塊是採集真實環境的視頻，然後對圖像進行預處理;而註冊跟蹤定位系統是對現實場景中的目標進行跟蹤，根據目標的位置變化來實時求取相機的位姿變化，從而為將虛擬物體按照正確的空間透視關係疊加到真實場景中提供保障;虛擬信息渲染系統是在清楚虛擬物體在真實環境中的正確放置位置後，對虛擬信息進行渲染；虛實融合顯示系統是將渲染後的虛擬信息疊加到真實環境中再進行顯示。 ^[7] 

一個完整的增強現實（AR）系統是由一組緊密聯結、實時工作的硬件部件與相關軟件系統協同實現的，有以下三種常用的組成形式。 ^[8] 

（1）基於計算機顯示器

在基於計算機顯示器的增強現實（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，並輸出到計算機屏幕顯示器。用户從屏幕上看到最終的增強場景圖片。這種實現方案簡單。 ^[8] 

（2）視頻透視式

視頻透視式增強現實（AR）系統採用的基於視頻合成技術的穿透式HMD（Video See-through HMD）。 ^[8] 

（3）光學透視式

頭盔式顯示器（Head-mounted displays，簡稱HMD）被廣泛應用於增強現實（AR）系統中，用以增強用户的視覺沉浸感。根據具體實現原理又可以劃分為兩大類，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-throughHMD）。 ^[8] 

光學透視式增強現實（AR）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問題。 ^[8] 

隨着AR技術的成熟，AR越來越多地應用於各個行業，如教育、培訓、醫療、設計、廣告等。 ^[6] 

1、教育

AR以其豐富的互動性為兒童教育產品的開發注入了新的活力，兒童的特點是活潑好動，運用AR技術開發的教育產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，對於低齡兒童來説，文字描述過於抽象，文字結合動態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，提高了孩子們的學習積極性。在學齡教育中AR也發揮着越來越多的作用，如一些危險的化學實驗，及深奧難懂的數學、物理原理都可以通過AR使學生快速掌握。 ^[6] 

AR技術具備提升現實情境的清晰直觀性和感知衝擊力，使得情景式的學習方式更具親和性、動態性和自然性，在一定程度上能彌補孤獨症兒童對現實世界信息和刺激接收遲緩的弱勢，以及社交溝通上動機明顯不足的劣勢，能為孤獨症兒童教學情景創設的實現提供新的途徑。 ^[11] 

2、健康醫療

近年來，AR技術也越來越多地被應用於醫學教育、病患分析及臨牀治療中，微創手術越來越多地藉助AR及VR技術來減輕病人的痛苦，降低手術成本及風險。此外在醫療教學中，AR與VR的技術應用使深奧難懂的醫學理論變得形象立體、淺顯易懂，大大提高了教學效率和質量。 ^[6] 

3、廣告購物

AR技術可幫助消費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。用户可以輕鬆地通過該軟件直觀地看到不同的傢俱放置在家中的效果，從而方便用户選擇，該軟件還具有保存並添加到購物車的功能。 ^[6] 

4、展示導覽

AR技術被大量應用於博物館對展品的介紹説明中，該技術通過在展品上疊加虛擬文字、圖片、視頻等信息為遊客提供展品導覽介紹。此外，AR技術還可應用於文物復原展示，即在文物原址或殘缺的文物上通過AR技術將復原部分與殘存部分結合，使參觀者瞭解文物原來的模樣，達到身臨其境的效果。 ^[6] 

5、應用於信息檢索領域

對於用户需要對某一物品的功能和説明清晰瞭解時，增強現實技術會根據用户需要將該物品的相關信息從不同方向匯聚並實時展用户的視野內。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，防止上當受騙，這些技術的實現很大程度上減少了受騙幾率，方便用户快速高效的工作。 ^[9] 

6、應用於工業設計交互領域

增強現實技術最特殊的地方就是在於其高度交互性，應用於工業設計中，主要表現為虛擬交互，通過手勢、點擊等識別來實現交互技術，將虛擬的設備、產品去展示給設計者和用户前，也可以通過部分控制實現虛擬仿真，模仿裝配情況或日常維護、拆裝等工作，在虛擬中學習，減少了製造浪費以及對人才培訓的成本，大大改善了設計的體制，縮短了設計時間提高效率。 ^[9] 

7、AR試穿試戴

（1）AR試妝:基於人臉識別、追蹤及增強現實技術，可以實現口紅、眼影等彩妝產品3D實時試用，為用户升級購物體驗，為商家提高銷售效率和銷售轉化率，實現美業線上線下數字化新零售轉型。

（2）AR眼鏡虛擬試戴：基於人臉識別、追蹤及增強現實技術，可實現眼鏡、美瞳產品3D實時試戴，360°查看試戴效果，升級用户購物體驗，為商家提高銷售效率和銷售轉化率，實現眼鏡行業線上線下數字化新零售轉型。

（3）AR髮型虛擬試戴：基於人臉識別、追蹤及增強現實技術，可實現髮型在線試戴，3D真人實時試戴。用於美髮店，是美髮師與顧客有效溝通的工具，試戴喜歡的髮型再剪髮，提高顧客滿意度，也可以用於線上線下假髮試戴，免去實物假髮無法試戴或者試戴麻煩的煩惱，提升購物體驗和轉化率。

虛擬現實技術簡稱為VR技術，是一種採用3D交互邏輯的成像技術類別。虛擬現實技術應用時間較短，所以核心結構主要以環境模擬系統、環境感知系統及環境傳感系統構成。虛擬現實技術顧名思義，是將使用者帶入預設完成的虛擬空間，通過虛擬空間體驗實視覺的圖像刺激，從而達到三維成像技術應用的目的。現代虛擬現實技術應用雖然總體較為成熟，但不具備獨立環境預設功能。需要通過與計算機的連接實現對成像內容的控制，並有計算機成為虛擬空間設計，因此虛擬實現技術應用主要起到視覺傳導及視覺信息傳播的實際作用，使圖像信息從二維空間結構向三維空間結構過渡，以此形成完善的圖像處理體系，使使用者達到最佳的圖像觀感體驗。 ^[10] 

VR用户基數較小，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。娛樂收入可能會佔據整個行業收入的三分之二，硬件佔比約四分之一。雖然VR也會有企業用途，但是相對於AR和智能眼鏡而言少得多。VR電子商務和廣告收入會增長，但目前用户羣的規模和分散性限制了其發展。 ^[3] 

與VR相比，AR會觸及到更多的人，因為它是對人們日常生活的無縫補充。AR是將計算機生成的虛擬世界疊加在現實世界上，醫藥、教育、工業上的各種實際應用，已經佐證了AR作為工具，對人類的影響更為深遠。而不是像VR那樣在現實世界之外營造出一個完全虛擬的世界。國外分析師也認為“AR”將會成為“更加日常化的移動設備應用的一部分”。同時，移動AR的普及和低成本也有助於企業從採用AR技術，企業AR可以穩定增長，到2021年左右增強現實技術將在製造/資源、TMT、政府（包括軍事）、零售、建築/房地產、醫療保健、教育、交通運輸、金融服務、公用事業方面都得到應用。 ^[3]