什么是AR

    AR（Augmented Reality）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，也叫做擴(kuò)增實(shí)境。1990 年提出，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，它是在現(xiàn)實(shí)上疊加一層虛擬現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而擴(kuò)展人類感官，與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生更深刻互動(dòng)的一項(xiàng)技術(shù)。通俗一點(diǎn)，就是讓你看到現(xiàn)實(shí)中不存在的物體和現(xiàn)實(shí)世界融合在一起的圖像并與其交互。

    AR包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。

    AR技術(shù)原理

    AR技術(shù)即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺(jué)信息,聲音,味道,觸覺(jué)等),通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間同時(shí)存在。不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。

    值得一提的是，添加到現(xiàn)實(shí)的這些虛擬信息、虛擬物件并非靜態(tài)圖片，它們會(huì)根據(jù)攝像頭的移動(dòng)，地理信息，以及各種現(xiàn)實(shí)的因素來(lái)不斷的改變形態(tài)位置，你甚至可以和他們進(jìn)行觸摸、語(yǔ)音等交互。

    AR的技術(shù)手段和表現(xiàn)形式

    1.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR

    它是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法建立現(xiàn)實(shí)世界與屏幕之間的映射關(guān)系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現(xiàn)實(shí)物體上一般展現(xiàn)在屏幕上。

    想要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們就要找到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的一個(gè)依附平面，然后再將這個(gè)3維場(chǎng)景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個(gè)平面上繪制你想要展現(xiàn)的圖形，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上可以分為2類。

     第一種，Marker-based AR。事 先制作好的Marker(例如:繪制著一定規(guī)格形狀的二維碼或模板卡片），然后把Marker放到現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)位置上，相當(dāng)于確定了一個(gè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的平 面，然后通過(guò)攝像頭對(duì)Marker進(jìn)行識(shí)別和形態(tài)評(píng)估，并確定其位置，然后將該Marker中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為模板坐標(biāo)系，我們要做的事情實(shí)際上是要 得到一個(gè)變換從而使模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，這樣我們根據(jù)這個(gè)變換在屏幕上畫(huà)出的圖形就可以達(dá)到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原 理需要一點(diǎn)3D射影幾何的知識(shí)，從模板坐標(biāo)系變換到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系需要先旋轉(zhuǎn)平移到攝像機(jī)坐標(biāo)系，然后再?gòu)臄z像機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

     第二種，Marker-Less AR。基 本原理與上面的Marker based AR相同，不過(guò)它可以用任何具有足夠特征點(diǎn)的物體(例如：書(shū)的封面，你的桌子)作為平面基準(zhǔn)，而不需要事先制作特殊的模板，擺脫了模板對(duì)AR應(yīng)用的束縛。 它的原理是通過(guò)一系列算法(如：SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)對(duì)模板物體提取特征點(diǎn)，并記錄或者學(xué)習(xí)這些特征點(diǎn)。當(dāng)攝像頭掃描周圍場(chǎng)景，會(huì)提取周圍場(chǎng)景 的特征點(diǎn)并與記錄的模板物體的特征點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，如果掃描到的特征點(diǎn)和模板特征點(diǎn)匹配數(shù)量超過(guò)閾值，則認(rèn)為掃描到該模板，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)Tm 矩陣，之后再根據(jù)Tm進(jìn)行圖形繪制。

     2.基于地理位置信息的AR

     LBS based AR，即基于地理位置信息的AR。其原理是，通過(guò)GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數(shù)據(jù)源（比如google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學(xué)校等)的POI信息（導(dǎo)航地圖信息，每個(gè)POI包含四方面信息，名稱、類別、經(jīng)度緯度、附近的酒店飯店商鋪等信息），再通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設(shè)備的方向和傾斜角度，通過(guò)這些信息建立目標(biāo)物體在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的平面基準(zhǔn)上。

    這種AR技術(shù)利用設(shè)備的GPS功能及傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，擺脫了應(yīng)用對(duì)二維碼或者模板卡片Marker的依賴，用戶體驗(yàn)和性能都比基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR更好，也可以更好的應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上。

 一個(gè)典型的AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

     AR的關(guān)鍵技術(shù)

     1、對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的理解和重構(gòu)

    在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，首先要解決“是什么”的問(wèn)題，也就是要理解、知道場(chǎng)景中存在什么樣的對(duì)象和目標(biāo)。第二要解決“在哪里”的問(wèn)題，也就是要對(duì)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)跟蹤定位和場(chǎng)景重構(gòu)。

    物體的檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)

    物體檢測(cè)和識(shí)別

    物體檢測(cè)和識(shí)別的目的是發(fā)現(xiàn)并找到場(chǎng)景中的目標(biāo)，這是場(chǎng)景理解中的關(guān)鍵一環(huán)。廣義的物體檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)是基于圖像的基本信息（各類型特征）和先驗(yàn)知識(shí)模型 （物體信息表示），通過(guò)相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景內(nèi)容分析的過(guò)程。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，常見(jiàn)的檢測(cè)和識(shí)別任務(wù)有，人臉檢測(cè)、行人檢測(cè)、車輛檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、生物識(shí)別、情感識(shí)別、自然場(chǎng)景識(shí)別等。

    就現(xiàn)階段而言，識(shí)別檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)之一是技術(shù)的碎片化。這一方面是由于每一類對(duì)象都會(huì)有其獨(dú)有的特征，而不同特征的提取和處理都需要實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，這對(duì)識(shí)別檢測(cè)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，圖像本身還受到噪聲、尺度、旋轉(zhuǎn)、光照、姿態(tài)等因素的影響。近幾年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷成熟，檢測(cè)和識(shí)別方法也 越來(lái)越統(tǒng)一，而性能也在不斷提高中。

    2.跟蹤定位技術(shù)

    跟蹤技術(shù)的方法可以分為基于硬件和基于視覺(jué)兩大類。基于硬件設(shè)備的三維跟蹤定位方法在實(shí)現(xiàn)跟蹤定位的過(guò)程中使用了一些特殊的測(cè)量?jī)x器或設(shè)備。常用的設(shè)備包 括機(jī)械式跟蹤器、電磁式跟蹤器、超聲波跟蹤器、慣性跟蹤器以及光學(xué)跟蹤等。光學(xué)跟蹤和慣性跟蹤是比較常用的兩種硬件跟蹤方式，使用硬件設(shè)備構(gòu)成的跟蹤系統(tǒng)大多是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，跟蹤精確取決于硬件設(shè)備自身的性能，其算法的擴(kuò)展性要差一些，且成本相對(duì)較高。

    視覺(jué)跟蹤方法具備更強(qiáng)的擴(kuò)展性，其系統(tǒng)多為閉環(huán)系統(tǒng)，更依賴于優(yōu)化算法來(lái)解決跟蹤精度問(wèn)題。相 比于上述基于硬件設(shè)備的跟蹤方法，計(jì)算機(jī)視覺(jué)跟蹤方法提供了一種非接觸式的、精確的、低成本的解決方法，但是基于視覺(jué)的方法受限于圖像本身，噪聲、尺度、 旋轉(zhuǎn)、光照、姿態(tài)變化等因素都會(huì)對(duì)跟蹤精度造成較大的影響，因此更好地處理這些影響因素，研發(fā)魯棒性強(qiáng)的算法就成為下一步AR技術(shù)的研究重點(diǎn)。

    根據(jù)數(shù)據(jù)的生成方式，視覺(jué)跟蹤技術(shù)的算法可以分為兩種，一種是基于模板匹配的方式，預(yù)先對(duì)需要跟蹤的target進(jìn)行訓(xùn)練，在跟蹤階段通過(guò)不斷的跟預(yù)存訓(xùn)練 數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)解算當(dāng)前的位姿。這類方法的好處是速度較快、數(shù)據(jù)量小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適用于一些特定的場(chǎng)景，但不適用于大范圍的場(chǎng)景。

    另外一種是SLAM方法，也就是即時(shí)定位和地圖構(gòu)建技術(shù)。這類技術(shù)不需要預(yù)存場(chǎng)景信息，而是在運(yùn)行階段完成對(duì)于場(chǎng)景的構(gòu)建以及跟蹤。其優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)存場(chǎng) 景，可以跟蹤較大范圍，適用面廣，在跟蹤的同時(shí)也可以完成對(duì)于場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的重建。但目前這類技術(shù)計(jì)算速度慢、數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜度高，對(duì)于系統(tǒng)的要求也較高。

    為了彌補(bǔ)不同跟蹤技術(shù)的缺點(diǎn)，許多研究者采用硬件和視覺(jué)混合跟蹤的方法來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高精度跟蹤定位的要求。

    3.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)

    目前大多數(shù)的AR系統(tǒng)采用透視式頭盔顯示器實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的融合。根據(jù)真實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)形式劃分，主要有視頻透視式頭盔顯示器和光學(xué)透視式頭盔顯示器兩種形式。

    視頻透視式頭盔顯示器通過(guò)安裝在頭盔上的微型攝像頭獲取外部真實(shí)環(huán)境的圖像，也就是通過(guò)攝像頭來(lái)采集真實(shí)場(chǎng)景的圖像進(jìn)行傳遞。計(jì)算機(jī)通過(guò)場(chǎng)景理解和分析將所 要添加的信息和圖像信號(hào)疊加在攝像機(jī)的視頻信號(hào)上，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行融合，最后通過(guò)類似于浸沒(méi)式頭盔顯示器的顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶。

    雖然視頻透射式頭盔在顯示上不受強(qiáng)光的干擾，具有比較大的視場(chǎng)，但由于真實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)來(lái)自于攝像頭，因此會(huì)造成顯示分辨率較低的不利因素。另一方面，一旦攝 像機(jī)與用戶視點(diǎn)不能保持完全重合，用戶看到的視頻景象與真實(shí)景象將會(huì)存在偏差，因此會(huì)造成在某些領(lǐng)域（特別是工業(yè)、軍事等領(lǐng)域）出現(xiàn)一些安全隱患。

    光學(xué)原理的透視式頭盔顯示器的基本原理則是通過(guò)安裝在眼前的一對(duì)半反半透鏡融合呈現(xiàn)出真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景。與視頻透射式不同的是，光學(xué)透視式的“實(shí)”來(lái)自于 真實(shí)的光源，經(jīng)過(guò)透視光學(xué)系統(tǒng)直接進(jìn)入眼睛，計(jì)算機(jī)生成的“虛”則經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)放大后反射進(jìn)入眼睛，最后兩部分信息匯聚到視網(wǎng)膜上從而形成虛實(shí)融合的成像 效果。

    光學(xué)透視式頭盔相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率更高，因其能夠直接看到外部，真實(shí)感和安全性也更強(qiáng)。其缺點(diǎn)是，在室外強(qiáng)光條件下顯示效果會(huì)受影響。

    不難看出，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇最優(yōu)方案，目前來(lái)看，還應(yīng)基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行判斷。

    由于光學(xué)透射式頭盔跟實(shí)際場(chǎng)景結(jié)合更緊密，真實(shí)感更強(qiáng)，大多數(shù)廠家會(huì)選擇這種方案。對(duì)于透射式頭盔顯示器來(lái)說(shuō)，單純的強(qiáng)調(diào)厚薄或者視場(chǎng)大小并沒(méi)有任何實(shí)際意 義。這是由于厚度和視場(chǎng)是矛盾的，要做得較薄，方便用戶使用佩戴，視場(chǎng)就必然變��；想要擁有大視場(chǎng)，則其厚度就必然增大，設(shè)備就目前來(lái)說(shuō)也會(huì)顯得比較笨 重，不易佩戴。因此在目前技術(shù)依舊存在障礙的情況下，大家都會(huì)采取一些折中的方案。

    數(shù)字光場(chǎng)顯示

    隨著Magic Leap的宣傳視頻，數(shù)字光場(chǎng)這個(gè)概念也變得廣為人知。這種不采用屏幕來(lái)做載體的顯示方式，通過(guò)記錄并復(fù)現(xiàn)光場(chǎng)來(lái)完成虛擬物體的顯示。通過(guò)呈現(xiàn)不同深度的圖像，使用戶在觀察近景或遠(yuǎn)景時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的對(duì)焦，這也是光場(chǎng)顯示的一大優(yōu)點(diǎn)。

    同樣，光場(chǎng)顯示也有不同的顯示方案，一種方案是采用多層的顯示器，如光場(chǎng)立體鏡。如Magic Leap采用的是光導(dǎo)纖維投影儀。這套方案的優(yōu)勢(shì)是可以做到很大的視場(chǎng)角，顯示更加符合人的真實(shí)感受。但這一方案同時(shí)也具有比較大的挑戰(zhàn)性，光場(chǎng)的顯示需 要比較大的計(jì)算量，并且需要有相應(yīng)的手段記錄或者生成想要疊加的虛擬對(duì)象相應(yīng)位置的光源信息，同時(shí)還要精細(xì)地控制投影的內(nèi)容和位置，目前這些技術(shù)還都處于 研究階段。盡管存在比較多的挑戰(zhàn)，光場(chǎng)顯示技術(shù)仍舊是非常值得期待的一種成像方式。

    AR應(yīng)用領(lǐng)域：

    醫(yī)療領(lǐng)域

    醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間輕易地進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位。

    軍事領(lǐng)域

    作戰(zhàn)隊(duì)伍可利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行方位的識(shí)別，獲得目前所在地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。

    工業(yè)領(lǐng)域

    通過(guò)頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等。

    娛樂(lè)、游戲領(lǐng)域

    增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲可以讓位于全球不同地點(diǎn)的玩家，共同進(jìn)入一個(gè)真實(shí)的自然場(chǎng)景，以虛擬替身的形式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)。

    教育領(lǐng)域

    從表現(xiàn)形式上吸引小朋友參與到教學(xué)中，提升對(duì)事物的興趣，從而以互動(dòng)的方式探查、研究更深層次的內(nèi)容。融入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，以圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)等多種方式表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，更真觀更易懂。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特有的互動(dòng)體驗(yàn)，讓小朋友用眼看、用耳聽(tīng)、動(dòng)手做、用腦想，真正實(shí)現(xiàn)多元化教育。

    家居行業(yè)

    傳統(tǒng)家庭裝修也好，企業(yè)裝修也罷，在實(shí)際裝修的時(shí)候往往會(huì)發(fā)現(xiàn)裝修出來(lái)的效果并沒(méi)有預(yù)想搭配的那樣美好。各種不同材質(zhì)的裝修材料和不同風(fēng)格的家具究竟是否搭配？有了 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不需要等到裝修后才能知道，你到了一套空曠曠還未裝修的房子就能利用AR給你的房子進(jìn)行裝修，你會(huì)從你的AR設(shè)備中看到你 想要的裝修搭配。甚至價(jià)格信息，都會(huì)一目了然。同樣，如果是裝修一棟辦公樓或者是電影布局，AR在家居布置上的便利性和成本節(jié)省方面優(yōu)勢(shì)就更明顯了。

    商業(yè)應(yīng)用

    如亞馬遜、優(yōu)衣庫(kù)以及天貓之前推的虛擬試衣間，其實(shí)也算是AR的一種。只不過(guò)現(xiàn)在Realmax的高精度面部識(shí)別技術(shù)和跟蹤技術(shù)能讓用戶體驗(yàn)到全方位“立體”感受。

    旅游領(lǐng)域

    旅游產(chǎn)業(yè)AR技術(shù)對(duì)旅游業(yè)來(lái)說(shuō)，同樣也是顛覆性的，它在旅游行業(yè)的應(yīng)用可以有無(wú)窮無(wú)盡的探討。游客佩戴上AR設(shè)備，就能獲取當(dāng)?shù)爻鞘械木包c(diǎn)和商場(chǎng)等地方的詳細(xì)介紹，自動(dòng)翻譯，了解附近購(gòu)物和餐飲信息只是最基本的功能。

    AR的未來(lái)

    2011年，全球AR營(yíng)收僅為1.81億美元，而且當(dāng)時(shí)AR往往被人們視作一種營(yíng)銷噱頭：一種還在摸索實(shí)用應(yīng)用的技術(shù)。很少有人認(rèn)識(shí)到AR的潛力，開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用大多也是用來(lái)快速打響名聲，或者這些應(yīng)用的價(jià)值僅限于添加視頻效果這樣的博眼球之舉而已。

    然而最新預(yù)測(cè)指出，到2017年，AR市場(chǎng)將增長(zhǎng)至52億美元，年增長(zhǎng)率竟逼近100%。隨著大量資金注入AR項(xiàng)目及AR創(chuàng)業(yè)公司，尤其是隨著 谷歌、佳能、 高通 、 微軟 等大公司的入場(chǎng)，我們已經(jīng)看到第一批消費(fèi)級(jí)AR產(chǎn)品的涌現(xiàn)。隨著實(shí)際商業(yè)利益的出現(xiàn)， AR將成為消費(fèi)、醫(yī)療、移動(dòng)、汽車以及制造市場(chǎng)中的“下一件大事”。

    市場(chǎng)調(diào)研公司Digi-Capital給出的一組數(shù)據(jù)很值得研究：到2020年，AR的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1200億美元，遠(yuǎn)高于VR的300億美元。 所以AR未來(lái)發(fā)展空間極大。這其中需要仰仗技術(shù)、內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景的有效融合，以及硬件性能的發(fā)展和可穿戴設(shè)備的崛起。