AR技术与应用

增强现实技术与应用1.增强现实概述增强现实，是一个近年来新兴的热门研究领域。对于增强现实的定义，在看过诸多的描述后，得出一个综合的表述：增强现实能够将图形，视频音频甚至触觉感知等虚拟的事物，信息叠加到人们能真实感受到的环境中，让用户通过某种设备或者途径，看到结合后的景象，同时，让使用者能够与虚拟事物和信息进行一定的交互。虚拟的事物和信息，作为现实场景的一个补充，达到使现实增强的效果。通俗来说，就是利用计算机，在显示实际场景时，添加一些有计算机生成的东西，使人们能更生动直观的去感受一些事物。虽然增强现实是虚拟现实的一个分支，但它与虚拟现实仍有很大的区别。不同于虚拟现实技术要使用户完全沉浸在合成的环境中，增强现实是要造就一个虚实结合的场景。增强现实系统一般含有四个步骤：（1）获取真实的场景信息。（2）对真实的场景和信息进行分析。（3）生成虚拟事物信息。（4）将虚拟和现实结合显示。要实现这些步骤，增强现实系统需要一些硬件的支持：计算机，显示屏，摄像机，跟踪与传感系统等。20世纪90年代初期，波音公司的TomCaudell和他的同事DavidMizell在为波音公司制造部门设计铺设电缆的辅助软件时，提出了“增强现实”这个名词。这个辅助软件能将简单线条绘制的布线路径和文字提示信息试试的叠加到应该铺设电缆的位置上呈现在工程师的视野中，以方便工程师工作。而这也是被认为第一次使用明确增强现实技术的软件。20世纪90年代末，增强现实领域的领头人RonaldAzuma首次定义了增强现实，并给出增强现实具有虚实结合，实时交互，三维注册这三大特点，这些概念也一直沿用至今。在过去的几十年里，增强现实技术不断的发展，并进入了现代生活的多个领域。广告业，任务支持，导航，家居与工业应用，娱乐游戏，，教育，翻译等领域，你都能看到增强现实技术的身影，并且，增强现实技术正扮演者越来越重要的角色。你可以在汽车公司中全方位立体仔细的观看全三维视图的车型，可以在大厦中获悉商品的实时信息，也可以通过运用增强现实技术的软件，在他的一步步提示下轻松完成原本复杂的任务。你可以通过叠加在前方道路上的实时信息来决定何去何从，可以根据现实的环境随意的放置和变换虚拟家具，也可以在课堂上通过和虚拟物体的交互不断的尝试。增强现实技术在过去的几十年间已经有了长足的发展，不过由于技术本身仍存在一些问题，是的其效果还没有到达一些宣传中想要的效果。所以，要使得增强现实技术能走我们的生活中真正的广泛的运用，我们还需要其进一步的发展。2.增强现实的技术支撑2.1识别与跟踪技术前文我们简略的介绍了增强现实技术，也提到了增强现实的一般步骤。而在实现增强现实的过程中，（2）对真实的场景和信息进行分析。（3）生成虚拟事物信息。这两步看似简单，其实在实际进行过程中，需要（1）将摄像机获得的真实场景的视频流，转化成数字图像，然后通过图像处理技术，辨识出预先设置的标志物。（2）识别出标志物之后，一标志物作为参考，结合定位技术，由增强现实程序确定需要添加的三维虚拟物体在增强现实环境中的位置和方向，并确定数字模板的方向。（3）将标志物中的标识符号与预先设定的数字模板镜像匹配，确定需要添加的三维虚拟物体的基本信息。（4）生成虚拟物体，并用程序根据标识物体位置，将虚拟物体放置在正确的位置上。这其中涉及到的识别跟踪和定位问题，是增强现实的最大的难题之一。要实现虚拟和现实事物的完美结合，必须确定虚拟物体在现实环境中准确的位置，准确的方向，否则增强现实的效果就会大打折扣。而在现实环境中，由于现实环境的不完美性，或者称为复杂性，增强现实系统在这种环境下的效果远不如在实验室的理想环境中。由于现实环境中的遮挡，未聚焦，光照不均匀，物体运动速度过快等问题，对增强现实的跟踪定位系统提出了挑战。如果不考虑与增强现实进行交互的设备，其主要实现跟踪定位的方法有如下两种：（1）图像检测法：使用模式识别技术（包括模板匹配，边缘检测等方法），识别获得的数字图像中预先设置的标志物，或是基准点，轮廓，然后根据其偏移距离和偏转角度计算转化矩阵确定虚拟物体的位置和方向。这种方法进行跟踪定位不需要其他的设备，而且精确度较高，因此是增强现实技术中最常见的定位方法。在模板匹配时，系统会预先存储好多种模板，来和图像中检测到的标志物匹配来计算定位。简单的模板匹配可以提高图像检测的效率，因也为增强现实的实时性提供了保障。通过计算图像中标志物的偏移和偏转，也能够做到三维虚拟物体的全方位观察。模板匹配一般用于对应特定图片三维成像，设备通过扫描特定的图片，将这些图片中的特殊标志位与预先存储的模板匹配，即可呈现三维虚拟模型。比如汽车店的车模卡片，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配来进行增强现实。边缘检测可以检测出人体的一些部位，同时也可以跟踪这些部位的运动，将其与虚拟物体物体无缝融合。比如，真实的手提起虚拟的物体，摄像机可以通过跟踪用户手的轮廓，运动方式来调整虚拟物体的方位。因此，许多商场的虚拟商品实用，多会使用边缘检测。虽然图形检测法简单高效，但也有其不足的地方。图像检测发多用于相对理想的环境以及近距离的环境，这样获得的视频流和图像信息会清晰，易于进行定位计算。而如果在室外环境中，光线的明暗，物体的遮挡，以及聚焦问题，使得增强现实系统不能很好的识别出图像中的标志物，或是出现和标志物相似的图像，这样都会影响增强现实的效果。而此时，就需要其他跟踪定位方法的辅助。（2）全球卫星定位系统法：这种方法是基于详细的GPS信息进行跟踪和确定用户的地理位置信息。当用户在真是环境中行走时，可以利用这些定位信息和用户摄像机的方向失误，增强现实系统能将虚拟信息和虚拟物体精确的低价到环境景物以及周围的人物之上。目前由于智能设备的普及，智能手机的广泛应用，而又由于智能手机具有支持基于GPS定位法的增强现实系统的基本组件：摄像机，显示屏，GPS功能，信息处理器，数字罗盘等，并把它们集成为一体，因此这种跟踪定位法多用于这种智能移动设备上。一种称为增强现实浏览器的应用程序，主要就是应用这种方法。增强现实浏览器能够在智能手机上运行，它可以连接互联网，搜索相关的信息，然后让用户在真实的环境看到相关的信息。增强现实浏览器能够可以让用户了解到摄像机方向的几乎所有事物的信息，比如找到一家距离很近但是被遮挡住的餐厅，或是获取用户对一家咖啡馆的评价。这种定位方式适合于室外的跟踪定位，可以克服在室外环境中，光照，聚焦等不确定因素对图像检测法造成的影响。其实在增强现实系统实际运用的环境中，往往不会用单一的定位方法来定向定位。比如增强现实浏览器也会运用图像检测法来检测一些特定的符号，例如QR码。识别出QR码在进行模板匹配，即可为用户提供信息。2.1现实技术当前的增强现实主要有如下三种显示技术：（1）移动手持显示。（2）视频空间显示和空间增强显示。（3）可穿戴式显示。智能手机通过相应的软件实时取景并显示叠加的数字图像，这就是移动手持式显示器的一般工作情况。同时现在平板电脑不断增加功能以及比智能手机更大的屏幕，也是的其日益流行。手持增强现实标志物，通过网络摄像机在食品窗口或是显示器上显示虚拟叠加的图像，就是视频空间显示方式。带有增强现实功能的贺卡，既是用这种方式显示的。用户在收到贺卡后，登录相应的网站系统，用网络摄像机对准贺卡，用户即可从显示屏上得到贺卡内所存储的信息形成的虚拟物体和视频。而空间增强显示技术，则是利用把包括全息投影在内的视频投影技术，直接将虚拟数字信息显示在真实的环境之中。这种技术的系统不同于一般的增强现实系统，只适合于个人使用，而是能想增强现实与周围环境相结合，不仅仅限于单个用户。这种技术适用于大学或者图书馆，可以同时为一群人提供增强现实信息。也可以将控制组件投影到相应的实体模型上，方便工程师的交互操作。可穿戴式显示器是一种可以戴在用户头上的类似眼镜的头盔显示器。我们熟知且期待的googleglass正式这一类型的。可穿戴式显示器一般有一道两个内嵌镜头和半透明镜的小型显示器，在飞行仿真，工程设计以及教育训练等多个领域都有广泛的运用。头戴式设备可以让用户更加自然地体验增强现实，并且能够为用户提供更大的视场，给予用户更强，更真实的“身在该处”的感觉。2.3交互技术最基础的增强现实人机交互就是用户查看虚拟数据。除此之外，还有一下一些交互技术（1）触觉接口交互：通过数字信息提供身体触感来进一步实现虚实结合。比如，可触碰的虚拟光球，可以在虚拟的碗上绘画的幻影笔。（2）协作式接口交互：使用多个显示器来支持远程共享与交互或是同地协作活动。这种交互能够与多种应用软件集成，可用于医学领域的执行诊断和外科手术，或是设备维修等。（3）混合接口交互：组合多种不同但是功能互补的接口，使得用户能够通过多种方式的增强现实的内容进行交互。这种交互使得增强现实的交互更加灵活，可以用于数字模型的测试。（4）多模态接口交互：通过语言和行为的自然存在的形式与真实物体进行交互，比如，说话，触碰，自然手势，凝视等。多模态交互能让用户灵活的组合多种模态，更方便用户与增强现实系统的交互。3.增强现实应用：现如今，增强现实的用途已是十分广泛，接下来我们队其中一些代表性的领域做一些介绍。3.1体育娱乐与游戏增强现实的发展，对于娱乐业有着极大影响。增强现实产生的三维虚拟事物，能够增强我们的娱乐感触，将各种娱乐，变成当今最前沿的科技体验。增强现实目前常用于体育赛事的电视转播中。比如在美国橄榄球比赛的电视转播中，可以获取比赛场上的真实的场地和运动员，添加虚拟黄线表示第一次进攻线，通过增强现实的技术将虚拟的黄线融入真实的场景。而在游泳比赛的电视转播中，水道之间常常被加上一些虚拟的线条，用于显示当前比赛中运动员的位置；而比赛结束时的标示也可以清楚的显示运动员的名次和成绩。这些增强现实技术在体育运动转播中的运用，给能观众更清晰的视角，更全面立体的分析，更优质的赛事体验。游戏产业是一个全球性的大行业，而增强现实的技术的反正，也一定会被游戏产业应用。索尼公司新推出的游戏平台PSVita就是其中之一。这款移动社交网络平台具有增强现实功能，无论玩家身处何地，他们都能使用当前环境开始游戏，并获得更具有沉浸感的游戏体验。而微软公司的Kinect可以根据使用者信息添加虚拟物体，达到例如模拟面具，大头娃娃等效果。此外，增强现实对于三维会议，社交网络，电影电视，旅游等方面的影响也在逐步的增强，交互式电视，交互式电影，实时翻译，方向提示等技术的运用也极大的丰富了人们的生活。3.2教育近年来年教育事业的支出不断的升高，教育事业也不断的受到社会的注视。然而由于一些条件的限制，有些位置由于受阻无法通过其他方式接近的区域，比如正在运行的发动机，而通过增强现实的技术，可以让我们更清楚的了解这些区域的内部情况。同时，增强现实也可以在很多方面为学习增加一个新的维度，比如通过增强现实识别环境的物体并尝试用正在学习的语言描述他们，来练习外语。可见，增强现实在影响和改善教育方面的潜力是巨大的。增强现实通过三维图形或动画，音频或视觉信息等方式来增强特定内容，实现增强现实图书，能够给平面的纸质书籍，甚至嗲你在书籍注入新的活力。也可以创建一个具有沉浸性，游戏性的学环境，让多人实现协作式学习。3.3修理和维护由哥伦比亚大学的SteveHenderson和StevenFeiner程序的增强现实维护修理（简称ARMAR）程序是增强现实在这一领域的著名应用案例。ARMAR科技吧计算机图案定位在需要维护的真是设备上，从而提高机械维护工作的效率，安全性和准确性。增强现实辅助维修技术，能够使工程师尽快的确定故障位置，并开始修理工作，极大的减少工作消耗的时间。此外，数字化的用户指南手册，采用增强现实技术，将手册的文本和图片叠加显示在真是的设备上，并提供分布指令，会是个指南手册共容易理解。3.4医学医学领域中增强现实技术的运用是最振奋人心的。尽管医生和外科专家能熟练的运用现代医学设备，但他们只能用裸眼检查病人，虽然核磁共振或是X射线得出身体内部的影像，但这毕竟不是人能直接看到的。而增强现实技术的应用，能为医生提供类似X