增强现实技术发展趋势分析

王凌云　汤敏丽

摘要：文章旨在探讨增强现实技术的发展趋势和创新挑战。首先，介绍了增强现实的关键技术，包括计算机视觉、3D建模与渲染、跟踪和定位技术，以及人机交互技术等。其次，分析了增强现实技术的发展趋势，指出随着技术的不断进步、应用场景的不断扩展以及新的商业模式不断涌现，增强现实技术将越来越广泛地应用于各个领域。最后，总结了增强现实技术在技术难题、法规与政策以及用户接受度等方面的挑战。文章指出了增强现实技术的发展方向和需要解决的技术难题，为未来的研究提供了思路和方向。

关键词：增强现实；关键技术；发展创新

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）13-0107-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

增强现实是一种将虚拟信息与真实世界相结合的技术。通过计算机视觉和传感技术，它将数字信息叠加在现实世界中，以提供额外的信息和视觉体验。增强现实技术以其独特的优势正在改变人们的生活和工作方式。

增强现实技术的发展历程可以追溯到20世纪90 年代，当时这项技术主要应用于军事领域。随着技术的不断进步和普及，增强现实已经扩展到各个领域，包括教育、娱乐、医疗、工业等。在教育领域，增强现实技术可以用于模拟实验、虚拟演示和交互式教程；在娱乐领域，它可以用于游戏、电影和音乐会；在医疗领域，可以用于手术模拟、康复训练和医学教育；在工业领域，可以用于生产流程模拟、机械维护和质量控制。因此，增强现实技术在各个领域都发挥着越来越重要的作用，既可以丰富人们的日常生活，也可以推动产业升级，催生新的商业模式，对于提升国家在国际竞争中的科技实力具有重要意义。

1 增强现实的关键技术

1.1 计算机视觉

计算机视觉作为增强现实的核心技术之一，发挥着举足轻重的作用。在增强现实技术中，计算机视觉的主要任务包括：首先，通过对真实世界的图像进行采集和处理，识别和检测现实场景中的物体，如人脸、手势、文字等，提取出有用的信息。其次，将虚拟信息与真实世界的图像进行匹配和注册，实时跟踪设备的位置和姿态，以提高增强现实体验的稳定性和准确性。最后，分析现实场景的结构、布局和光照等因素，以便在虚拟场景中构建与现实环境相融合的虚拟物体。计算机视觉可以帮助增强现实设备更好地理解和感知周围环境，以适应不同的环境和任务。

1.2 3D 建模与渲染

3D建模和渲染是增强现实的关键环节[1]。在增强现实技术中，3D建模与渲染的主要任务包括：首先，通过对真实世界物体进行采集和测量，建立3D模型。其次，增强现实设备需要将虚拟物体与现实环境融合，使虚拟物体具有真实感。这需要通过渲染技术对虚拟物体进行光照、阴影和反射等效果处理。最后，将渲染后的虚拟物体与真实世界的场景进行匹配和注册，以便在现实环境中显示和交互。3D建模和渲染让虚拟信息与真实世界更加融合，提高用户体验和交互性。

1.3 实时跟踪与定位

实时跟踪与定位技术在增强现实系统中起着至关重要的作用。在增强现实技术中，实时跟踪与定位的主要任务包括：首先，通过对真实世界的图像和传感器数据进行采集和处理，提取出有用的信息；其次，利用计算机视觉和传感器技术，对真实世界中的物体和场景进行识别和跟踪[2]；最后，根据跟踪结果和传感器数据，对虚拟信息进行实时定位和更新。实时跟踪与定位可以精确地确定虚拟对象在现实世界中的位置，在现实世界中创建更具沉浸感的虚拟环境。

1.4 人机交互

人机交互是增强现实的重要支撑技术[3-4]。在增强现实技术中，人机交互的主要任务包括：首先，通过人机界面等技术对用户的输入进行识别和理解；其次，根据用户的意图和需求，对虚拟信息进行相应的操作和处理；最后，将处理后的虚拟信息实时叠加在真实世界的物体和场景上，以提供额外的信息和视觉体验。人机交互技术的发展将为增强现实应用带来更多可能性，可以帮助人们更加自然和直观地与虚拟信息进行交互和操作。

2 发展趋势

2.1 硬件设备以及软件开发

随着智能手机、增强现实眼镜、头戴式显示器等移动设备的普及和功能的不断增强，增强现实技术硬件设备的发展趋势日益明显[5]。首先，增强现实硬件设备轻量化成为趋势，以实现更舒适的佩戴体验和更长时间的使用。其次，增强现实硬件设备将更加智能化，以更好地理解和预测用户行为，提供更加个性化和智能化的服务。此外，设备还将具备手势识别、头部追踪等功能，以提供更自然和直观的用户交互方式。最后，增强现实软件开发的生态系统将更加完善。设备制造商将与应用程序开发者和内容提供商合作，为用户提供更多高质量的增强现实内容和应用。设备的兼容性和可扩展性也将得到提高，以便用户可以轻松地与其他设备或平台进行连接和交互。

2.2 云计算技术

增强现实技术与云计算技术的结合，可以实现更强大、更高效的增强现实应用。云计算技术可以为增强现实应用提供稳定、高效的计算和存储支持，使得增强现实应用可以更加流畅地运行，并且可以实现更广泛的应用场景和服务范围。首先，云计算技术为增强现实应用提供大规模数据处理和分析的能力。随着图形处理能力和网络带宽的提升，云计算将处理更复杂的3D渲染和计算密集型任务，并通过流式传输将高质量的增强现实内容传送到用户的设备上，降低本地设备的性能需求。其次，云计算技术将为增强现实应用提供智能化实时的数据处理和分析能力。例如，通过云计算技术，增强现实应用可以根据用户的偏好和行为为其提供更精准的个性化体验，并允许多个用户在同一增强现实环境中进行互动和协作。此外，利用云计算，增强现实应用将轻松实现跨平台兼容性和可扩展性，使得开发者能够为多种设备和操作系统提供一致的增强现实体验。最后，云计算技术需要加强数据安全和隐私保护措施，包括加密传输、访问控制和合规性管理，为增强现实应用提供安全可靠的保障。

2.3 5G 与边缘计算

随着边缘计算的发展，部分增强现实处理和数据存储任务可能转移到边缘设备上，与云计算形成互补，以减少延迟和提高响应速度。首先，5G网络的高速度、低延迟和大连接数特性将为增强现实应用提供高速低延迟的通信。这将使用户可以更加便捷地访问增强现实内容和服务，提高用户体验。其次，边缘计算技术将为增强现实应用提供更高效的数据处理和分析能力。通过将计算任务分配到网络边缘的服务器上，可以减少数据传输的延迟和负担，提高增强现实应用的响应速度和实时性。此外，5G和边缘计算还将为增强现实应用提供更广泛的支持。例如，处理和分析增强现实设备生成的大量数据，如图像、音频和传感器数据，减轻了云端的负担，并保护了用户的隐私。

2.4 人工智能

增强现实技术与人工智能的结合，可以为人们带来更加丰富、逼真的虚拟增强体验。首先，人工智能技术提高增强现实系统的智能化水平，提高其感知、理解和反应能力。例如，增强现实游戏开发者可以创造出更具个性化的对手，通过分析玩家在游戏中的表现，学习玩家的表现，然后逐步调整自己的行为，提供更富有挑战性，更智能、更个性化的体验。其次，人工智能技术可以提高增强现实系统的可扩展性和适应性。例如通过自然语言处理和语义理解技术，人工智能可以根据教学的设定，创造出具有逻辑性和情感张力的教学任务，不仅减少了教师的工作量，还为学生提供了更多的教学选择。

2.5 物联网技术

增强现实技术和物联网的融合被视为未来发展的重要趋势。随着物联网技术的不断发展，物联网设备之间的连接性将变得更加强大和稳定，能够无缝地连接到互联网，方便增强现实设备实现实时的数据传输和交互。例如，在工业环境中，增强现实可以显示来自传感器和其他物联网设备的实时监控数据。在智能城市和公共空间中，物联网技术将实现更高效的信息传递和服务提供，更加深入地应用于增强现实设备健康管理、预测性维护和远程监控。例如，增强现实导航可以帮助行人找到最近的停车位或公共交通站点，同时实时监测来自物联网设备的实时交通和环境数据。

2.6 信息安全

随着增强现实技术的不断发展，隐私和安全问题也日益凸显。首先，增强现实技术需要加强用户隐私保护。在收集和使用用户数据时，必须遵守相关法律法规和伦理规范，确保用户数据的合法性和安全性。加密技术、身份认证技术以及匿名化、去标识化技术等将成为保护信息安全的重要手段，保护用户数据不被泄露和滥用。其次，增强现实技术需要加强安全性保障。由于增强现实技术具有与现实世界交互的特点，因此必须采取严格的安全措施，确保用户信息和数据不被非法获取和利用。例如，应加强增强现实应用程序的代码审核和安全性测试，以减少安全漏洞和风险。访问控制技术可以限制用户对数据的访问权限，防止未经授权的访问和数据泄露。最后，安全审计技术可以对增强现实系统的操作进行记录和监控，及时发现和处理安全问题。政府和企业也应加强相关法律法规的制定和完善，规范增强现实技术的使用和管理，保障用户的合法权益和安全。

3 创新挑战

随着技术的不断发展，增强现实技术既可以拓展新的应用领域和开发更优质的应用服务，也让新的商业模式不断涌现。这需要不断开拓创新。此外，还可以开发更自然、更智能的用户界面和交互方式，以提供更优质的用户体验。虽然增强现实技术具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力，但也面临着一些挑战，例如跟踪和定位的准确性、图像和视频的稳定性、虚实结合的自然性等技术难题。此外，增强现实技术的应用涉及个人隐私、知识产权、不正当竞争等问题，相关的法规和政策制定可能存在一定的滞后性，对增强现实技术的发展带来一定的限制。最后增强现实技术的应用需要用户具备一定的技术基础和认知能力，目前仍有部分用户对增强现实应用不太了解或不会使用，对应用接受度和满意度会受到影响。未来需要不断进行探索和创新，以克服这些挑战，推动增强现实技术的快速发展和应用。

4 总结

增强现实技术作为一种新兴的交互方式，具有广阔的应用前景。这项技术在近年来取得了显著的发展，主要得益于关键技术的突破和趋势的创新。本文从增强现实的关键技术、发展趋势和创新挑战三个方面进行了探讨。增强现实技术未来研究将以智能化、个性化、开放、可扩展、用户体验和隐私保护为目标，以推动其不断发展，并为人类带来更加沉浸式的体验和更多的便利。

参考文献：

[1] 胡庆夕，刘涛，姚远. 基于增强现实技术的三维交互建模[J].计算机工程，2010，36（13）：236-238.

[2] 郭金辉，陈秀万，王媛. 视觉惯性SLAM研究进展[J]. 火力与指挥控制，2021，46（1）：1-8.

[3] 袁庆曙，王若楠，潘志庚，等. 空间增强现实中的人机交互技术综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2021，33（3）：321-332.

[4] 陶建华，龚江涛，高楠，等. 面向虚实融合的人机交互[J]. 中国图象图形学报，2023，28（6）：1513-1542.

[5] 魏巍，冯蓬勃，陈峥廷，等. 增强现实辅助装配技术综述[J]. 包装工程，2021，42（14）：108-118.

【通联编辑：唐一东】

基金项目：本文得到黔东南州科技计划项目（No. 黔东南科合J 字〔2021〕43 号）；贵州省教育厅自然科学研究资助项目（No . 黔教合KY 字〔2020〕178）号资助