增强现实技术研究进展及其应用

1增强现实技术研究进展及其应用2概念增强现实VS虚拟现实增强现实系统AR技术的发展与研究现状AR关键技术应用实例主要内容3增强现实（AugmentedReality，AR）是虚拟现实技术（VirtualReality，VR）的一个重要分支，也是近年来的研究热点将计算机生成的虚拟物体或其它信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的“增强”综合了计算机图形、光电成像、融合显示、多传感器、图像处理、计算机视觉等多门学科一、概念4一、概念5VR强调的是虚拟世界给人的沉浸感，强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作AR则强调在真实场景中融入计算机生成的虚拟信息的能力，它并不隔断观察者与真实世界之间的联系。AR具有较低的硬件要求、更高的注册精度、更具真实感二、增强现实VS虚拟现实虚拟现实场景增强现实场景6虚实结合实时交互三维注册三、增强现实系统790年代以前，AR的概念还比较模糊；90年代是AR技术迅速发展的10年。比较有名的研究机构有：美国麻省理工大学的图像导航外科手术室哥伦比亚大学的图形和用户交互实验室日本的混合现实实验室德国的Arvika组织新加坡的混合现实实验室此外，用于快速开发的开源软件工具ARToolkit也由华盛顿大学的图形实验室成功开发并维护至今四、AR技术的发展与研究现状8原有的研究领域拓展到多个新的领域，如城市规划、娱乐教育、工业仿真、文化遗产保护等AR系统由简单的桌面式扩展到户外可携带型、空间体验型显示设备也从头盔显示器延伸到大型可触摸式、桌面投射式和便携式四、AR技术的发展与研究现状增强现实显示器仍相当笨重，但开发人员相信他们可以开发出类似眼镜的显示器9我国在AR领域的研究起步较晚，研究机构主要集中在高校的科研单位北京理工大学北京航空航天大学国防大学浙江大学上海大学从国内发表的论文来看，主要集中在系统应用和配准技术上，研究的问题比较单一、涉及面比较窄另外，从专利申请的情况看，全球共有108个，这之中我国仅有北京理工大学的一个（2008年数据）四、AR技术的发展与研究现状10目前国内AR的研究成果主要有：北京理工大学自主研制了视频、光学穿透式两类头盔显示器北京理工大学利用AR技术重建圆明园的实验也取得了重要进展上海大学快速制造工程中心与浙江大学合作开发了AR场景光源的实时检测和真实感绘制框架此外，在城市规划、地下管网、地理信息系统等领域也有相关的研究四、AR技术的发展与研究现状11四、AR技术的发展与研究现状真实场景增强现实场景视频透视式头盔显示器光学透视式头盔显示器12五、AR关键技术虚实物体配准显示技术真实感绘制技术13虚实物体配准对真实场景图像和计算机生成的虚拟物体进行无缝合成是实现AR的首先目标其实质是将两者“对齐”的过程，即：先根据真实物体确定虚拟物体与观察者之间的关系，然后通过正确的投影将虚拟物体投影至观察者的视域范围要求正确（无延时）、快速（精确、无抖动）、鲁棒（不受光照、遮挡、物体运动的影响）五、AR关键技术14五、AR关键技术几何配准方法原理优点缺点基于硬件跟踪器的配准技术据信号发射源和感知器获取的数据求出物体的相对空间位置和方向系统延迟小设备昂贵、对外部传感器的校准比较难，且受设备和移动空间的限制，系统安装不方便基于视觉计算的配准技术根据一幅或几幅真实场景图像反求出观察者的运动轨迹，从而确定虚拟信息“对齐”的位置和方向无需特殊硬件设备，配准精度高计算复杂性高，造成系统延迟大；大多数都用非线性迭代，造成误差难控制、鲁棒性不强的缺点两者混合的配准技术根据硬件设备定位用户的头部运动位姿，同时借助视觉方法对配准结果进行误差补偿算法鲁棒性强、定标精度高系统成本高、系统安装繁琐、移植困难15显示技术在观察者的眼睛和真实物体之间的光路上成像的技术根据光路上成像位置的不同可以分为三类五、AR关键技术分类成像距离优点缺点头戴式显示技术成像在离观察者眼睛大约4-10厘米处，观察者头部需要戴上显示设备——分辨率低、视域受限手持式显示技术成像于离观察者一个手臂远的距离——处理器性能低、存储容量小、视域范围小、摄像头精度低空间显示技术将显示设备和人体分离，并在离人体较远处成像支持高分辨率、宽视域、高亮型和高对比度的影像不可移动性、合成影像精度低16真实感绘制技术其目标是将真实场景和计算机生成的虚拟物体无缝合成，并最终使观察者感觉不到真实物体和虚拟物体的区别五、AR关键技术17六、应用实例—医疗北卡罗莱纳大学的AR辅助B超检查和胸部活组织切片伦敦Guy’s医院MAGI项目协助医生从耳道中取出神经瘤卡内基梅隆大学的“魔眼”工程布朗大学的外科手术培训系统18六、应用实例—教育欧洲计算机工业研究中心的机械模型注解19六、应用实例—工业SONY公司TransVision增强现实样机系统参与者看到的图像20六、应用实例—商业微软推增强现实技术新应用-记事帖日本新宿高岛屋百货公司内的数字化妆镜21六、应用实例—市政22六、应用实例—文化希腊、土耳其的历史古迹数字重建23六、应用实例—文化“数字敦煌”工程由中国科学院计算机研究所、武汉大学和浙江大学联手攻关预计完成需要10年至20年的时间包括虚拟现实、增强现实和交互现实3个部分24谢谢！