增强现实技术漫谈

Posted 2020-09-05 雁回晴空

 

前言

随着信息技术的高速发展，虚拟现实、增强现实等逐渐火热。虚拟现实是一种完全建立虚拟环境，让人类脱离现有环境进入新的世界，它的广泛应用可能还要经过一段时间的积淀，目前虚拟现实主要在科研仿真、虚拟漫游、游戏娱乐、教育培训等领域发挥作用。而从虚拟现实中发展起来的增强现实，旨在增强人类能力，为人类提供各种辅助信息，成为沟通人类个体与信息世界的重要枢纽。目前已经在医疗、交通、教育培训、航天、通信、工业维修等领域发挥作用。相信增强现实的大规模应用会比虚拟现实更早一些，可能取代智能手机，成为下一代智能计算与显示平台，将物理世界与信息世界联系得更加紧密。这里，我们主要谈一下增强现实的相关内容。

 

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本文是一个概念性介绍，更详细的关于增强现实研究内容分析请参考：

《增强现实技术漫谈（续）——研究内容全面解析》

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1 增强现实的概念

增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是一种基于计算机实时计算和多传感器融合，将现实世界与虚拟信息结合起来的技术。该技术通过对人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感受进行模拟和再输出，并将虚拟信息叠加到真实信息上，给人提供超越真实世界感受的体验。目前广泛接受的一种定义是Azume在1997年提出的，他认为AR应该具有三个特征：

（1）结合真实与虚拟

（2）实时交互

（3）支持三维注册

我们所要讨论的增强现实，主要是视觉增强现实技术，核心在于虚拟信息和真实世界在物理空间中的匹配以及可视化。一个完整的AR系统至少有三个部分：跟踪、注册和显示。

 

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晓晓：师兄，你讲了这么半天，我还是没有太明白啊。这个“结合真实与虚拟”到底是怎么个结合法？“实时交互”我倒是懂，就是能够和AR系统进行实时信息交换。“三维注册”应该就是三维空间中的对齐吧，或者叫配准。是这个样子吗？

师兄：看来你基本懂了一些，后两个说得都对。第一个结合真实与虚拟，就是把真实的信息和虚拟的信息放到一起，只不过要放得有规律罢了。来看一幅图，或许能帮助你理解这个概念。下图中这个兄弟，佩戴了一个Hololens增强现实头盔显示器，于是他就能看到工具箱和一些简单的3D模型，这些都是虚拟成像，但是它们被安排在桌面上，无论你怎样移动头部，虚拟的工具箱和模型总是稳定地放在桌子上，就好像它们是真实的桌面上的物体一样。这样就是一种“真实与虚拟”的结合啦。

 

 

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2 增强现实技术起源

Sutherland在1968年完成了第一台头盔显示器，堪称头盔显示器的开山祖师。不过由于当时技术限制，该设备非常笨重，需要悬挂在房顶上使用，于是被戏称为“达摩克利斯之剑”。

   

70年代、80年代也有很多研究者做了相关的研究工作，但是直到90年代初期，“Augmented Reality”这个词汇才首次诞生。渐渐地，增强现实脱去虚拟现实的外衣，成为一个独立的研究领域。

随着21世纪初期智能手机的兴起，增强现实有了天然的开发载体，视频式的增强现实迅速发展起来。这也得益于ARToolKit和Vuforia等基于图像的跟踪定位工具的相继推出。如下图，使用智能手机和平板电脑作为平台的增强现实应用，目前已经非常普遍。

  

但是，智能手机和平板电脑毕竟只是视频式的增强现实，相比于光学式的来说，还是少了一点科技感和刺激感。于是谷歌在2012年发布了Google Glass，为增强现实的发展注入了新的活力。它对于AR发展的作用应该就像是Facebook的Oculus Rift之于虚拟现实一般。2014年3月26日，Facebook宣布将以约20亿美元的总价收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus VR。这一事件极大地推动了虚拟现实的发展。类似地，Google等商业巨头投身AR，也必将对AR起到巨大作用。尽管后来GoogleGlass停产，但是其作用不可忽视。之后，又有更多的公司推出了自己的光学式增强现实眼镜，最著名的是Microsoft Hololens和Maigc Leap，前者已经有了开发者版本，后者还在研发周期中，没有成品面世。

 

 

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晓晓：你提到了视频式和光学式增强现实，这两者有什么区别呢？

师兄：你觉得呢？我想以小师妹你灵活的脑袋，一定是已经有了一个答案了吧？

晓晓：哦，我觉得可能是呈现方式有区别吧？视频式应该是依赖于视频流实现叠加，光学式的其实还是比较模糊，不知道怎么描述啊。。。汗。。。

师兄：没错的。视频式的增强现实，是先使用摄像头获取场景的图像，然后根据摄像头位姿进行虚拟信息的叠加，此时虚拟信息（图像或文字）是直接渲染到原有视频流的上层，覆盖原有的信息，一般使用手机等设备实现，也有使用头盔显示器的；光学式的增强现实，一般是利用透射式头盔或者眼镜实现的，这类设备有一个半透半反的光学结构，既可以透过外界的真实场景，也可以把微投影图像反射进人眼，实现虚拟信息与真实环境的直接叠加。

晓晓：有点蒙了啊。。。。。

师兄：好吧。俗话说有图有真相，让我们看图说话——

该图是手持平板拍摄楼梯，然后楼梯的图像就显示在了屏幕上，并且通过计算在其中放了两个小角色。所有有效的画面，无论是楼梯地板还是虚拟角色，都是通过平板电脑的视频画面来呈现的，我们所观察的画面都是经过拍摄加工后的视频流，这种方式成为视频透射式增强现实，其分辨率是受到显示器件本身屏幕分辨率限制的。

而与视频透射式不同的是，光学透射式利用特殊的半透半反光学系统，将真实的环境的光线直接透射给人眼，同时虚拟信息图像通过反射光路进入人眼，这种方式保证了人眼接收到的环境是绝对真实、没有加工过的，分辨率等于人眼自身分辨率，而虚拟信息直接叠加在上面，分辨率为投影器件分辨率。这种方式更加真实自然，叫做光学透射式增强现实。它主要依靠半透半反的透射式头盔显示器实现。需要注意的是，这种方式除了要实现视频透射式系统中用到的跟踪之外，还要考虑系统与人眼之间的标定问题，复杂度提高了。因此有的开发者采取将视频透射图像进行加工后，显示在光学透射式头盔显示器上，给人一种类似光学透射的效果，但实际上只是将摄像头图像分别显示给了双眼，并没有利用到光学透射式头盔的透射性能，属于一种折中的方式。需要注意，Hololens属于典型的光学透射式设备，特别适合做增强现实类开发，能够提供比视频透射更好的体验。

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3 增强现实与虚拟现实、混合现实的关系

根据一个系统中虚拟与现实的占比，可以将系统分为4类：真实现实、增强现实、增强虚拟、虚拟现实。而增强现实和增强虚拟又可以合称混合现实。

 

从上图可以看出，橙色代表虚拟成分，蓝色代表真实成分。当只有真实世界信息的时候，属于纯粹的真实现实，典型的就是我们带摄像功能的手机，以及我们佩戴的普通眼镜。当系统中既有真实信息又有虚拟信息的时候，叫做混合现实。此时，如果虚拟信息是服务于真实世界的，且数量较少，占次要地位，则归为增强现实，典型系统是手机导航系统；如果虚拟信息是主体，而真实信息是为虚拟信息服务的，那就叫增强虚拟。最后，如果信息全为虚拟，则是虚拟现实，典型系统是各类虚拟现实游戏。

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晓晓：哈哈，我抓住师兄你的一个叙述漏洞哦。你在介绍增强虚拟的时候，忘记介绍典型系统了吧？

师兄：哦，是嘛。。。这个“增强虚拟”确实不太好说啊。举个例子吧，如果你置身于一个虚拟现实环境中，这时候通过某种手段，把你的手臂乃至整个身体都从你的真实环境背景中抠出来，融合到你所处的虚拟现实环境中，这样就增加了你的沉浸感。这类系统可以认为是通过真实信息来增强虚拟场景，姑且称之为“增强虚拟”吧。。。

晓晓：哇塞，还能这样子啊。。。。那师兄刚才介绍概念的时候，提到的Hololens做桌面级模型设计，算是哪一类呢？

师兄：这个我觉得它不太适合分为增强虚拟，毕竟它视场角有限。就Hololens本身而言，它可以做增强现实类应用，也可以做真实、虚拟交互类应用，所以我认为用混合现实来称呼它更加合适。另外，它的官网上也是这么说的。

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4 增强现实技术应用领域

增强现实技术的应用领域主要有以下几个：

（1）工业和建筑业

 

（2）维修和培训

 

（3）医疗

 

（4）信息显示

 

（5）导航

 

（6）电视

 

（7）广告和商业

 

（8）游戏

 

（9）教育

 

 

 

总结

增强现实已经有了相当广泛的应用，目前从事AR研究的人，主要针对两个大的方面开展研究，一方面研究如何通过技术革新来构建更好的AR系统，另一方面是研究AR系统怎样更好地服务社会。

 

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晓晓：听了介绍之后，我都跃跃欲试啦。增强现实技术可真是有用啊，关键它还很有趣。看来我可以将它作为我的研究课题了吧。。。

师兄：AR是挺有意思的，但是它是一项顶层应用技术，是多项基础技术的集成产物。比如计算机视觉、图形学、显示技术、人机工程学等，与人工智能也有着越来越多的交叉。总之，如果你要研究增强现实，最好是选择其中一个小的具体的点来做，否则只能是“水过地皮湿”，不能取得实质成果。后面有机会再来给你介绍增强现实技术的具体技术点和研究内容吧。。回去好好做调查、读论文，看看自己对哪些感兴趣，做好笔记哦。。。。

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