郭婉瑩

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬世界疊加在現(xiàn)實(shí)世界上，使體驗(yàn)者在虛實(shí)融合的世界進(jìn)行互動(dòng)，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。文章首先綜述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后詳細(xì)介紹了跟蹤注冊(cè)技術(shù)、3D顯示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行闡述，并展望了其進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；跟蹤注冊(cè)技術(shù)；3D顯示技術(shù)；人機(jī)交互技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0180-02

1 概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，是近些年來(lái)各大高校和研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶完全沉浸在虛擬世界環(huán)境中不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，把虛擬世界疊加在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)，通過(guò)諸如各種成像眼鏡、頭戴光學(xué)透視顯示器、投影儀等多種設(shè)備，為用戶提供一個(gè)由虛擬信息和真實(shí)景物構(gòu)成的混合式場(chǎng)景。1997年，北卡大學(xué)的羅納德·阿祖瑪從三個(gè)方面的內(nèi)容：虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合、三維顯示和實(shí)時(shí)交互定義了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字圖形動(dòng)畫等信息實(shí)時(shí)疊加顯示到現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景中，并使用戶可以在虛實(shí)混合的場(chǎng)景中進(jìn)行自然互動(dòng)的人機(jī)交互技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了更加自然的交互能力，讓人們能夠以全新的方式去體驗(yàn)和認(rèn)知周圍的事物，并能幫助我們完成一些復(fù)雜的工作，在現(xiàn)階段增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)比虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用空間。

2 國(guó)內(nèi)外研究情況

最早關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究可以追溯至1968年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)了世界上第一臺(tái)光學(xué)透視頭戴式顯示器，該設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)生成的圖形實(shí)時(shí)與真實(shí)場(chǎng)景疊加、融合，掀開了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的面紗。1999年，美國(guó)華盛頓大學(xué)和日本廣島城市大學(xué)成功聯(lián)合開發(fā)了基于標(biāo)識(shí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)包ARToolKit并維護(hù)至今，極大地推動(dòng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及，進(jìn)而涌現(xiàn)出更多相關(guān)的軟件應(yīng)用和開發(fā)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心算法、人機(jī)交互方法和軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)是各大研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。主導(dǎo)基于自然平面圖像與立體物體識(shí)別追蹤三維注冊(cè)算法的瑞士洛桑理工學(xué)院計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室[1]、專注于基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互技術(shù)研究的新加坡國(guó)立大學(xué)多媒體交互實(shí)驗(yàn)室[2]以及正在研發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助汽車機(jī)械維修的德國(guó)寶馬實(shí)驗(yàn)室[3]都是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的翹楚，被公認(rèn)為代表業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。隨著硬件設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，原有的研究領(lǐng)域已拓展到許多新的領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究較國(guó)外起步較晚，主要的研究機(jī)構(gòu)大都分布在各大高校，如北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等，研究的領(lǐng)域比較單一、涉及面比較窄。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)開始對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸重視，并將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 跟蹤注冊(cè)技術(shù)

跟蹤注冊(cè)技術(shù)是指通過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景坐標(biāo)系的映射關(guān)系，將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體按照映射關(guān)系疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的確定位置，從而追蹤和定位顯示場(chǎng)景中的物體或圖像，這也是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的首要目標(biāo)。目前主要采用基于視覺(jué)的圖像實(shí)時(shí)識(shí)別追蹤計(jì)算技術(shù)和基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術(shù)，或采用二者結(jié)合的方式。

3.1.1 基于視覺(jué)的圖像實(shí)時(shí)識(shí)別追蹤計(jì)算技術(shù)

該技術(shù)首先提取平面識(shí)別標(biāo)識(shí)圖像的特征點(diǎn)，然后根據(jù)真實(shí)場(chǎng)景中的圖像反推計(jì)算出用戶的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而明確虛擬圖像或物體疊加上來(lái)的位置和方向。該技術(shù)不需要特殊硬件輔助計(jì)算，配準(zhǔn)精度高，但計(jì)算復(fù)雜度高，因此增加了系統(tǒng)延時(shí)；因?yàn)閷?duì)識(shí)別追蹤的速度、準(zhǔn)確性以及環(huán)境光的適應(yīng)性有較高要求，并且具有對(duì)多目標(biāo)的識(shí)別標(biāo)識(shí)同時(shí)追蹤的需求，所以大多數(shù)情況下都采用非線性迭代，魯棒性不高，誤差控制較困難。

3.1.2 基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術(shù)

基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術(shù)通過(guò)綁定六自由度或三自由度的運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器或攝像機(jī)，實(shí)時(shí)捕捉物體姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而求出物體的相對(duì)空間位置和方向，進(jìn)而確定虛擬圖像或物體疊加的透視坐標(biāo)。這種基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術(shù)不受環(huán)境光線的限制，并且系統(tǒng)延時(shí)小、精度更高，但設(shè)備昂貴，且移動(dòng)和安裝空間受限，比較適合應(yīng)用在一些比較專業(yè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

3.1.3 二者結(jié)合的匹配追蹤技術(shù)

在條件允許的情況下，可以將基于視覺(jué)的圖像實(shí)時(shí)識(shí)別追蹤計(jì)算技術(shù)與基于硬件跟蹤器的匹配追蹤技術(shù)結(jié)合，充分利用兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，提高跟蹤注冊(cè)的定位精度，從而提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 3D顯示技術(shù)

除了高效、精準(zhǔn)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)外，逼真的虛實(shí)融合的3D現(xiàn)實(shí)效果也是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中必不可少的，這依賴于高效率的3D顯示實(shí)時(shí)渲染引擎和各種輔助的3D顯示硬件設(shè)備。

3.2.1 3D顯示實(shí)時(shí)渲染引擎

充分利用新一代CPU和GPU的多核運(yùn)算能力，現(xiàn)階段的主流3D顯示實(shí)時(shí)渲染引擎可以在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)實(shí)時(shí)顯示逼真的虛擬物體3D渲染效果，配合實(shí)景光線追蹤技術(shù)以及多種光影的動(dòng)態(tài)效果，可進(jìn)一步提升虛實(shí)場(chǎng)景融合的3D效果顯示。與此同時(shí)，3D顯示實(shí)時(shí)渲染引擎還可以集成虛擬環(huán)繞立體聲庫(kù)和物理特效庫(kù)等，進(jìn)而對(duì)虛擬物體的聲效、重力、碰撞、粒子等物理效果進(jìn)行仿真，進(jìn)一步提用戶體驗(yàn)。

3.2.2 3D顯示硬件設(shè)備

輔助3D顯示的硬件設(shè)備可以分為頭戴式顯示、手持式顯示和空間顯示三類設(shè)備，各類設(shè)備的成像位置有所不同。頭戴式顯示設(shè)備在離用戶眼睛大約4-10厘米處成像，用戶在使用時(shí)需在頭部佩戴顯示設(shè)備，頭戴式顯示設(shè)備的主要缺點(diǎn)是顯示分辨率低、視域受限；手持式顯示設(shè)備在離觀察者一個(gè)手臂遠(yuǎn)的距離處成像，該類設(shè)備的主要缺點(diǎn)是：存儲(chǔ)容量小、處理器性能低、視域范圍小，且影響觀察者手臂的運(yùn)動(dòng)或其他操作；空間顯示設(shè)備可以和人體分離使用，在離人體較遠(yuǎn)處成像，避免了頭戴和手持顯示設(shè)備受人體空間的使用限制，并且系統(tǒng)可以采用外部交流供電，容易解決，可支持寬視域、高亮性、高分辨率和高對(duì)比度的影像，該類設(shè)備的主要缺點(diǎn)是：只能應(yīng)用于固定場(chǎng)景、合成影像精度低。

3.3 人機(jī)交互技術(shù)

用戶能夠與真實(shí)場(chǎng)景中的虛擬信息之間自然交互是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目標(biāo)，成熟的人機(jī)交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所不可或缺的。有多種方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)交互，從傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤交互到語(yǔ)言、手勢(shì)交互，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展極大的擴(kuò)展了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)獨(dú)特的虛實(shí)融合的3D顯示效果，傳統(tǒng)的二維平面界面交互方式也被擴(kuò)展到更加自然的3D空間交互方式，與現(xiàn)實(shí)的物體和場(chǎng)景有了更緊密直觀的關(guān)聯(lián)，基于語(yǔ)音或手勢(shì)的人機(jī)交互方式也應(yīng)運(yùn)而生?；谡Z(yǔ)音或手勢(shì)的交互是一種新穎的人機(jī)交互手段，用戶手部的動(dòng)作或說(shuō)出的話音可以看作是人機(jī)交互的接口，通過(guò)捕捉用戶的各種手勢(shì)、動(dòng)作、話音的信息作為交互的輸入，直觀且自然，并且降低了人機(jī)交互的成本，能夠讓用戶更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中與虛擬物體的互動(dòng)，若輔助3D虛擬環(huán)繞聲、虛擬觸感反饋等多模態(tài)交互技術(shù)，則可實(shí)現(xiàn)更自然的虛實(shí)融合的人機(jī)交互方式，這也是進(jìn)一步提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用人機(jī)交互體驗(yàn)的技術(shù)方向[4]。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用發(fā)展

近年來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，諸多領(lǐng)域的研究都可以與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，從而相互促進(jìn)發(fā)展。在醫(yī)療、軍事、古跡復(fù)原、娛樂(lè)游戲、網(wǎng)絡(luò)視頻通信等領(lǐng)域需求的積極推動(dòng)下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)都展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展前景，在跟蹤識(shí)別精度、硬件設(shè)備發(fā)展、虛實(shí)合成顯示等方面正在快速發(fā)展和提高。新型產(chǎn)品的出現(xiàn)也給研究人員帶來(lái)更多的啟示與靈感，從而拓展相關(guān)研究，促進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)向著更高、更快、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展。相信在不久的將來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為更自然有效的人機(jī)交互提供便利。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Jaka Sodnik， Saso Tomazic.Spatial[C]//Proceedings of the 18th Australia conference on Computer-Human Interaction.