增强现实技术概念及分析

摘 要：介绍增强现实（AR）技术的概念和产生背景，分析增强现实系统的主要技术特点和其在国内外的部分应用现状，并对增强现实技术的发展进行展望。

关键词：增强现实技术，虚拟现实技术，虚实配准

中图分类号：N04；TP3；TP1 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0139-03

Concept and Prospect of Augmented Reality Technology

GUO Dong

Abstract： This paper introduces the concept， background of augmented reality （AR） technology， analyses its main technical characteristics and application at home and abroad. The development of augmented reality technology is also mentioned.

Keywords： augmented reality technology， virtual reality technique， virtualreal registration

收稿日期：2014-06-11

作者简介：郭栋（1980—），男，山西太原人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部审查员，硕士，研究方向为液晶显示、有机电致发光等。通信方式：guodong@sipo.gov.cn。

引 言

增强现实（augmented reality，AR）技术是一种既包括真实世界要素也包括虚拟世界要素的环境，其通过将计算机系统生成的虚拟物体或其他信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的“增强”。增强现实技术在真实世界和虚拟世界之间搭建了一座桥梁，也为人机交互提供了一种新模式。

一 增强现实技术的概念

从20世纪70年代开始，增强现实技术首先在游戏领域推广实施，它可以让全球玩家共同进入一个模拟现实的自然场景，进行网络对战[1]。增强现实技术是指把原本在真实世界的一定空间范围和时间范围内难以体验到的实体信息（包括视觉信息、声音、味道、触觉等），通过计算机系统模拟仿真后叠加到真实世界，从而使其被人类感官所感知的新兴技术。通过计算机系统实时计算摄影机影像的位置及角度，并且叠加相同位置及角度的三维虚拟图像，在使用者眼中，真实物体和虚拟物体同时存在，互为补充，来产生更加逼真的场景画面合成。增强现实技术的发展综合了计算机图形、光电成像、多传感器、图像处理、融合显示、计算机视觉等诸多学科的研究成果。

增强现实技术是虚拟现实（virtual reality，VR）技术的一个重要分支，是在虚拟现实基础上发展的新技术。虚拟现实技术也称人工环境，其通过计算机系统模拟产生虚拟的三维空间，给用户提供各种感官的虚拟环境输入，让使用者能够产生身临其境的感觉。虚拟现实强调的是虚拟世界给人带来的沉浸感，其主要目的在于使用户能够以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互，而增强现实则强调在真实世界中融入计算机系统生成的虚拟信息的能力。换言之，增强现实技术并不隔断观察者与真实世界之间的联系，由于仅需要模拟部分虚拟信息，因此增强现实技术具有相对较低的硬件要求，同时由于用户与真实世界的联系仍然存在，人机交互方式也就显得更加自然。

二 增强现实的技术特点

增强现实系统的三个主要特征是[2]：（1）虚实物体配准；（2）显示技术；（3）真实感绘制技术。

1. 虚实物体配准

增强现实系统对成像系统的位置和方向进行跟踪，以便使虚体物体叠加在用户视野内的实际景物中。增强现实系统在对真实场景进行三维建模后，实时地检测出观察者、成像系统相对于真实场景的位置信息，根据这些信息将虚拟物体投影至观察者的视域范围内，即将真实场景图像和虚拟物体两者全方位“对齐”[3]。虚实物体配准要求用户在真实环境的运动过程中始终维持正确的配准关系，具体的配准方法主要包括基于硬件跟踪器的配准技术、基于视觉计算的配准技术以及两者混合的配准技术，上述几种配准方法普遍还存在系统安装不便及成本较高等问题。

2. 显示技术

通过在观察者的眼睛和真实物体之间的光路上成像，显示技术能够使得虚拟物体和真实场景融合在一起。根据成像位置的差别，显示技术主要可分为以下三类：手持式显示技术、头戴式显示技术及空间显示技术[4]。其中，空间显示技术将显示设备和人体分离，并且成像在离观察者较远的位置，因此能显示高分辨率、高亮度和高对比度的影像。例如，CCTV5在转播2014年巴西世界杯时，在演播室就多次使用了空间显示技术。而头戴式显示技术虽然分辨率较低，且视域也存在一定的局限性，但是其造价比较低，目前已成功应用在谷歌眼镜等智能设备上，配合谷歌眼镜本身具有的陀螺仪和摄影镜头，可以将电脑或手机生成的内容与现实世界的实时影像相叠加。

3. 真实感绘制技术

真实感绘制技术用于消除虚拟物体和真实场景之间的重叠边缘，最终达到使观察者感觉不到虚拟物体和真实场景之间差别的目的。

三 增强现实技术在国内外的应用现状

20世纪90年代以前，增强现实技术的概念还比较模糊，经过研究人员的不懈努力，迄今为止，增强现实技术已取得了长足的进步。目前比较有名的国外研究机构有：美国麻省理工学院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等。国内在增强现实技术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，例如北京理工大学、北京航空航天大学、中国人民解放军国防大学、浙江大学和上海大学等。其中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，利用增强现实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增强现实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，我国也开展了相关的研究。

据报道，“数字敦煌”游客中心将于2014年9月正式对外开放，游客中心届时将循环播放介绍莫高窟历史渊源的影片《千年敦煌》和展示莫高窟精美艺术的高清影片《梦幻佛宫》。其中《梦幻佛宫》的制作完成属于“数字敦煌”工程的一部分，该工程包括虚拟现实、增强现实和交互现实3个部分，由中国科学院计算机技术研究所、武汉大学和浙江大学联合完成，增强现实技术的发展使敦煌瑰宝数字化，满足了公众对于敦煌古迹的欣赏、游览、研究等需求。增强现实技术除了用于传统文化保护领域，在军事、航空、医学和商业等领域，也具有广泛的应用前景。

四 结 语

随着计算机科学技术的发展，增强现实技术的应用必将不断地迈入新的阶段。目前增强现实技术还存在定位较难和显示效果不尽如人意等问题，但是在相关领域科技进步的推动下，与人机交互密切相关的增强现实技术以其独特的优势不断为众多领域的发展提供新的切入点。增强现实技术在日常生活中的应用，也必将改变人们生活的方方面面，值得引起我们的高度重视。

参考文献

[1] 马登哲，Jurgen Gausemeier，Michael Grafe，等. 虚拟现实与增强现实技术及其工业应用 [M]. 上海：上海交通大学出版社，2011.

[2] Azuma R， Baillot Y， Behringer R， etc. Recent Advances in Augmented Reality [J]. Computers & Graphics， 2001，21（6）：34-47.

[3] 叶磊. 增强现实技术研究综述 [J]. 信息通信， 2013（7）： 29.

[4] 张伟，张春华，徐卫. 增强现实技术及其应用研究 [J]. 电脑编程技巧与维护， 2012（6）： 66-67.