增強現實

增強現實是一種將虛擬景物或信息與現實物理環境疊加融合起來，交互呈現在用户面前，從而營造出虛擬與現實共享同一空間的技術。本質上，增強現實是一種集定位、呈現、交互等軟硬件技術於一體的新型界面技術，其目的是讓用户在感官上感覺到虛實空間的時空關聯和融合，來增強用户對現實環境的感知和認知。

增強現實技術擁有三個基本要素，即虛實空間的融合呈現、實時在線的交互以及虛實空間的三維註冊。虛實空間的融合呈現，強調虛擬元素與真實元素的並存，這是用户對現實環境的感知得以增強的關鍵；實時在線的交互，強調用户和虛實物體之間互動響應計算的實時性，以滿足用户感官對時間維度的響應需求；而虛實空間的三維註冊，強調用户對空間感知的精確性和智能性，體現了虛實融合呈現的時空一致性。這三個要素是實現現實環境增強感知的關鍵所在，由於這種增強感知是空間方位依賴的，因此，增強現實系統通常藉助頭盔等特製設備來呈現虛實融合的效果。 ^[2] 

增強現實技術的發展離不開虛實融合呈現裝置的研發，其歷史可以追溯到20世紀60年代。1968年，計算機圖形學之父Ivan Sutherland提出了終極顯示器(The UltimateDisplay)的設想，設計實現了第一個頭戴式增強現實顯示器達摩克利斯之劍，該設施實現的透射顯示只能在視野前方疊加簡單的線框模型。 ^[2] 

1974年，Myrib Krueger發明了Videoplace系統，可以通過用户自己的剪影實現與投影畫面的交互。

1990年，波音公司的工程師Tom Caudell和David Mizell研發穿透式頭戴顯示裝置，讓飛機裝配工人實時查看線纜的裝配圖，並正式提出增強現實(augment reality)一詞。

1993年，美國空軍研究實驗室的Louis Rosenberg開發首個沉浸式遠程增強現實系統Virtual Fixture。Feiner提出著名的知識驅動的增強現實系統KARMA。

1994年，JulieMartin在舞台劇Dancing in Cyberspace中實現了舞者與虛擬景物的同台表演。

1998年，Sportsvision公司在美國NFL聯賽實況轉播中運用視頻增強技術。

2000年，Hirokazu Kato研發了ARToolkit，稱為國際上首個發佈的計算機增強現實程序庫。ARToolkit的出現讓眾多程序員有了簡單易用的增強現實開發工具，有力促進了增強現實技術的應用普及。

2017年，蘋果和谷歌先後將增強現實系統內嵌到各自的移動終端上，分別推出了增強現實軟件開發平台ARKit和ARCore。我國的商湯科技、網易等公司也隨後推出了自主增強現實軟件開發平台SenseAR和洞見AR。增強現實逐漸成為服務社會和大眾的新型技術。 ^{[2]  [3-4]} 

增強現實需要在三維空間中完成視覺的虛實融合，因此需要特殊的顯示裝置滿足視覺融合感知的需求。目前，增強現實的顯示裝置按使用方法可以分為三大類: 可穿戴式設備、移動手持顯示設備和空間增強設備。

可穿戴設備一般包括佩戴在頭部的頭盔顯示器、投影儀、AR眼鏡、隱形眼鏡等，應用最廣泛的是頭盔顯示器。根據真實環境的顯示模型，增強現實的頭盔顯示器分為光學穿透式頭盔顯示器和視頻穿透式頭盔顯示器。光學穿透式頭盔通過用户眼鏡前端的透明鏡片，在透過來自現實世界光線的同時反射光線，將虛景反射進入人眼，從而形成虛實融合的景象。視頻穿透式頭盔通過眼睛前端的雙目攝像頭實時捕捉場景影響，並將虛景疊加在視頻畫面後，呈現在用户眼睛前端配置的雙目顯示器中。

移動手持類顯示設備，即智能手機、平板電腦等帶有攝像頭和一定計算和繪製能力的移動終端，利用內置攝像頭捕捉現實世界，然後與自身繪製的虛擬世界融合在一起，呈現在用户面前。

空間增強現實技術利用光學原理或特殊器材直接將虛擬世界投影到現實世界中，其一般將虛擬影像投射到固定的空間中，如投射影像於物體表明，或成虛像於三維空間。 ^[2] 

除了一些視覺顯示裝置，聽覺裝置同樣逐漸成為增強現實的研究內容之一。南方科技大學陳霏老師研究的虛擬聽覺空間(Virtual Auditory Space)通過音頻信號處理技術，將按照空間分佈的揚聲器，基於人耳的一些特殊聲學效應，通過聲學相關算法計算模擬，將聲源重建在3D空間中的任意位置從而實現聲源方位的重現，產生逼真的虛擬聽覺感知。 ^[5] 

同時，部分增強現實配有觸覺裝置，例如通過偏心旋轉質量(ERM,eccentric rotating mass)振動馬達的機械動作器產生的振動感覺。偏心旋轉質量馬達有不同的尺寸和振動力規格，從而產生不同的觸感。同時，可以通過機械刺激使人體感官受體將小的電脈衝沿着傳入神經傳送到中樞神經系統。如Tesla Studios公司(蘇格蘭聖安德魯)開發的TeslaSuit DK1系統。

(1)三維註冊技術

三維註冊是解決如何將虛擬場景與現實場景聯繫起來的關鍵技術。三維註冊技術將虛擬場景綁定到現實場景的座標系中，隨着用户的移動和視角的變化，計算出虛擬場景在該視角下的投影信息，融合到真實場景的影像上，保證了虛擬場景與現實場景共享同一空間。當二者相對靜止時，虛擬場景和真實場景的位置關係和尺度關係隨着相機的位姿變化保持一致；當二者相對運動時，需要藉助三維註冊技術精確求解出三維運動場景的幾何信息和相機的運動軌跡。由於人眼對畫面的感知非常敏感，如果三維註冊結果不夠準確，會導致呈現給用户的畫面產生抖動和場景的漂移，嚴重影響用户的沉浸感體驗。

(2)真實感繪製

在三維註冊技術的基礎上，還需要將虛擬景物或信息進行視覺呈現與融合。增強現實系統中，一般有兩類視覺融合呈現方式，一類將文字數字或其他信息以恰當的可視化方式疊加在現實景物上，實現知識的主動推送和高效呈現；另一類強調虛擬景物在現實環境中的真實存在感，通過在統一的光照條件下，繪製出逼真的虛擬景物。一般採用全局光照明模型使得高保真模擬光在虛擬環境中傳遞，該種方式相對耗時。隨着CPU和GPU性能不斷提升，藉助一些採樣逼近和與計算方法，虛擬場景或景物的實時全局光照明繪製逐漸成為可能。

(3)人機交互

人機交互的目標是以用户為中心，利用各種設備或界面，與虛擬或現實的目標進行互動，通過信息交換完成確定的交互任務。增強現實系統允許用户在虛實融合的三維空間種進行交互，通過信息交換完成確定的交互任務。增強現實系統允許用户在虛實融合的三維空間種進行交互，並通過連接其他設備對虛擬對象進行操作，因此交互系統的涉及應避免在信息註冊或呈現過程中產生混淆，以提升用户的互動體驗。

由於在增強現實的交互中，沒有單一、固定的輸入和輸出方式，也不是在顯示器上呈現二維圖像的輸出，因此很難有固定的、具有普遍意義的交互設計。增強現實主要採用三維交互，其擁有更高的自由度，更多的交互方式，更龐大的交互任務，更復雜的三維用户界面定義，目前的交互情況主要包括 （1）觸控交互 （2）手勢交互 （3）語音交互 （4）實物交互

隨着增強現實技術的不斷髮展，其展現出了廣闊的應用前景。目前已經在數字娛樂、文化教育、醫學診療、工業生產、城市運維、電子商務等多個領域實現了應用。

（1）數字娛樂

數字娛樂是目前增強現實技術應用最為廣泛的領域，產生了大量的增強現實相關的電影、電視和遊戲內容。例如活躍在各大舞台的虛擬偶像，在技術和運營團隊的操控下，像真實藝人一樣既能在線上和線下場景中進行多種才藝表演活動，也在現實社會中成長和生活，與粉絲互動。同時，大量的移動增強現實遊戲，如火爆全球的Pokeman Go吸引了大量的遊戲玩家，極大地推動了增強現實技術的普及。 ^[6] 

（2）文化教育

在教育方面增強現實技術也得到了廣泛的應用。一方面，增強現實可以增強學生與教師之間的互動和課堂趣味性。教師可以藉助實物道具和增強現實技術，動態形象地呈現各知識點所關聯地性質和現象，以增強學生對所學知識的理解和感悟。另一方面，增強現實技術可以將各種可視媒體與書籍的內容關聯起來，通過書籍自動呈現相應的融合媒體信息。同時讓同學們在教室中體驗真實的相關場景。 ^{[2]  [7]} 

（3）醫學診療

醫學診療領域是增強現實技術最早開展應用和最具挑戰性的領域之一。增強現實技術可以為用户展示醫療相關知識或檢查結果，輔助醫生完成高精度的治療操作。增強現實技術在醫學診療領域應用的最大挑戰在於如何提升識別和臨場定位的精度，使得醫護人員更精準地感知複雜的疾病部位，避免誤操作。

（4）工業生產

在已高度數字化、信息化的工業界，增強現實技術可以藉助虛擬環境和現實環境的交互融合原理，在設計研發、產品生產和維修服務等多個階段發揮作用，展現了非常廣闊的應用前景。航空工業是最早引入增強現實技術的行業。由於數字化的西悉尼過於龐大，難以單靠人腦的記憶力來掌握數字化信息，而數字化信息與現實景物分離，也不利於臨場操作者的理解、判斷、執行忙着降低了數字化信息的效能。飛機中的複雜管路和長達數百千米的纜線和連接器安裝，是目前增強現實技術在航空工業的應用主戰場，增強現實系統通過強大的交互虛實融合顯示界面，一步步指導施工人員準確地執行復雜操作，實現高質量裝配。 ^[2] 

（5）電子商務

對電子商務而言，增強現實可以創造全新的購物方式，增強消費者的購物體驗。用户可以遠距離對商品進行體驗，做出更滿意的選擇。近年來，天貓商城推出了“AR-GO”，消費者不僅可以在天貓APP中將看中的商品以1:1的效果擺放在自己家中，而且可以在房間中任意走動，從不同角度、不同距離進行觀察。