潘志庚　高翔　丁丹丹

1 移動(dòng)AR簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是一種對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化模擬技術(shù)，包括對(duì)于環(huán)境的視覺、聽覺、觸覺等方面的感覺模擬。用戶通過使用必要的交互設(shè)備，最終獲得身臨其境的感受。VR涉及多個(gè)學(xué)科，包括心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、多媒體等，具有極強(qiáng)的學(xué)科交叉性，目前已經(jīng)成為了科研中一種常用的輔助手段。VR 的典型特征，即沉浸感、交互性和構(gòu)想性。沉浸感指的是用戶在虛擬環(huán)境中，得到了視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等多種感官刺激，仿佛身臨其境的感受。交互性是指在VR環(huán)境中用戶能夠擁有人性化的人機(jī)交互方式和操作。構(gòu)想性指的是通過前兩個(gè)特性，用戶能夠根據(jù)環(huán)境變化和交互變化而激發(fā)出更大的創(chuàng)意和想法。圖1是我們開發(fā)的虛擬健身系統(tǒng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是VR的技術(shù)拓展，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，將真實(shí)環(huán)境和虛擬物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間中。AR強(qiáng)調(diào)的是現(xiàn)實(shí)世界疊加虛擬世界，從而實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”。移動(dòng)AR技術(shù)是AR的一個(gè)分支。目前主要有傳統(tǒng)移動(dòng)AR技術(shù)和基于移動(dòng)終端的移動(dòng)AR技術(shù)兩種。圖2是我們開發(fā)的AR樂器虛擬教學(xué)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)移動(dòng)AR技術(shù)主要依靠PC機(jī)、頭盔顯示器或者全球定位系統(tǒng)（GPS）、磁傳感器等一些外接設(shè)備來完成系統(tǒng)。該類系統(tǒng)具有設(shè)備昂貴，不便于長期攜帶，維護(hù)成本較高等局限性。美國哥倫比亞大學(xué)研制的戶外AR導(dǎo)航系統(tǒng)，也是世界上第一個(gè)移動(dòng)AR系統(tǒng)。它使用視頻透視式頭盔顯示器和方向跟蹤器，用戶身后的背包里面裝有計(jì)算機(jī)、GPS以及無線電，手上是一個(gè)具有觸摸筆的可觸屏的手持設(shè)備。

而基于移動(dòng)終端的移動(dòng)AR技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，為人們的生活?yuàn)蕵返葞順O大的便捷和樂趣。圖3所示為谷歌眼鏡，是谷歌公司2012年4月發(fā)布的一款“AR”眼鏡。它同智能手機(jī)一樣，主要采用音頻交互的方式，可以控制拍照、視頻通話和導(dǎo)航以及網(wǎng)上沖浪、處理文字信息和電子郵件等。2013年11月12日，谷歌公司發(fā)布一系列新功能，包括搜索歌曲、掃描已保存播放列表，以及收聽高保真音樂等。在某種程度上，谷歌眼鏡改變了人們的生活方式。

移動(dòng)AR技術(shù)最重要的特征是移動(dòng)，它的應(yīng)用場景更加廣大，不僅僅只是局限在桌面上。因此移動(dòng)AR技術(shù)將會(huì)是未來發(fā)展的主流趨勢，尤其是基于移動(dòng)終端的移動(dòng)AR技術(shù)。雖然AR技術(shù)的應(yīng)用在硬件設(shè)備以及發(fā)展形式上發(fā)生了變化，但是AR技術(shù)的關(guān)鍵問題和關(guān)鍵技術(shù)依然沒有改變。而且，隨著移動(dòng)設(shè)備的硬件與軟件條件越來越高端，移動(dòng)AR技術(shù)也得到了迅飛猛進(jìn)的發(fā)展。

2 移動(dòng)AR的應(yīng)用

移動(dòng)AR的應(yīng)用面很廣，限于篇幅無法一一列舉，重點(diǎn)介紹幾類。

2.1教育與娛樂

相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方式來說，移動(dòng) AR 能幫助學(xué)生更加高效學(xué)習(xí)，直觀的演示和生動(dòng)的場景更是提升了知識(shí)吸收率和留存時(shí)長。早在 2001 年，Billinghurst 等人[1]發(fā)明了一種“魔法書（MagicBook）”（如圖4所示），將可交互的數(shù)字內(nèi)容覆蓋到真實(shí)書本上，為讀者提供了一種在真實(shí)書本和沉浸式虛擬環(huán)境的過渡效果。Dünser 在2007年[2]和2008[3]年分別做了實(shí)驗(yàn)證明魔法書確實(shí)能提升學(xué)生的閱讀體驗(yàn)和復(fù)述效果。自此之后，AR圖書開始大力發(fā)展，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有很多這樣的產(chǎn)品。AR圖書是將文本內(nèi)容進(jìn)行了增強(qiáng)，還有很多產(chǎn)品是將圖形內(nèi)容進(jìn)行增強(qiáng)。Feng等人[5]發(fā)明的 MagicToon 可以將紙上的畫轉(zhuǎn)化成栩栩如生的卡通形象。通過簡單便捷的點(diǎn)擊拖拽交互即可編輯生成的 3D 模型。

Fonseca等人[6]觀察學(xué)生用傳統(tǒng)和移動(dòng) AR的方式去學(xué)習(xí)建筑學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生用后者學(xué)習(xí)對(duì)“空間”的理解更深刻，直接導(dǎo)致他們的課程評(píng)估分?jǐn)?shù)變高?？梢钥闯觯涸谛枰Ⅲw模型或強(qiáng)交互的教學(xué)場景中，移動(dòng)AR可以幫助人們更形象、直接地觀察3D結(jié)構(gòu)，從而使學(xué)習(xí)更加有效。因此在天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、建筑學(xué)、工程學(xué)、設(shè)計(jì)和幾何學(xué)等學(xué)科，移動(dòng)AR都已經(jīng)有類似的應(yīng)用。Nguyen等人[7] 設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶可交互、可編輯的說明書，生動(dòng)地教用戶操作。

2.2 建筑工程

傳統(tǒng)的建筑圖或工程圖通常都是2D 視圖，從不同角度繪制的視圖或電腦輔助設(shè)計(jì)建模視圖等。2D 視圖雖然利于工程計(jì)算，但是通常需要工程師有非常強(qiáng)的空間想象能力才能在腦海中構(gòu)建出大致模型，3D 視圖則有可能導(dǎo)致失真、比例不對(duì)和丟失了真實(shí)建筑的細(xì)節(jié)等問題。此外，這些工程制圖大部分都需要專業(yè)人士去解讀，不同的水平也容易產(chǎn)生誤解。如果使用移動(dòng)AR，這些問題都可以充分解決。Velasco等人[7]提出了一種在移動(dòng) AR中通過交互來規(guī)劃建筑的設(shè)計(jì)方式。文獻(xiàn)[8-9]評(píng)估了移動(dòng) AR 在建筑規(guī)劃方面的優(yōu)勢，一致認(rèn)為移動(dòng)AR的直觀性促進(jìn)了決策制定和對(duì)規(guī)劃的理解。不僅如此，通過結(jié)合傳感器收集的數(shù)據(jù)、開發(fā)者提供的數(shù)據(jù)，可以將生成的各類3D模型疊加到現(xiàn)實(shí)場景中，使建筑規(guī)劃、維護(hù)、勘探和裝配都更加高效。

Schall等人[10]開發(fā)了一個(gè)手機(jī)應(yīng)用，可以生成像X光一樣的視圖，用于展示建筑或設(shè)施內(nèi)部的框架結(jié)構(gòu)，幫助現(xiàn)場勘探人員之間觀察建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Schall等人[11]還提供了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的測繪工具，通過讓有經(jīng)驗(yàn)的工程師使用傳統(tǒng)技術(shù)和完全沒經(jīng)驗(yàn)的工程師使用該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，最后發(fā)現(xiàn)其在交互性方面勝過傳統(tǒng)技術(shù)。Lee等人[12]開發(fā)了一個(gè)能快速搜索鉆井日志并用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化出來的系統(tǒng)。Kollatsch等人[13]則用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化出了裝配流水線相關(guān)的信息。此外移動(dòng) AR 在災(zāi)后（如地震）建筑勘察和檢測方面也有應(yīng)用。Behzadan等人[14]開發(fā)的視覺避撞系統(tǒng)可以幫助挖掘機(jī)操作員在工程實(shí)施時(shí)看到埋在建筑中的東西避免造成破壞或人員傷亡，如圖 5所示。如圖6所示，可在 AR 幫助下將先前存儲(chǔ)的建筑物基線疊加到現(xiàn)在的建筑物上，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物損壞程度的評(píng)估。

2.3 地理與導(dǎo)航endprint

導(dǎo)航一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的導(dǎo)航都是在2D地圖上，缺乏三維信息和對(duì)真實(shí)世界的感知。在移動(dòng) AR中，可以直接在視野中添加方向注釋（箭頭、路徑跟隨等）或一些必要的提示（交規(guī)、停車場位置等）， 如圖 7所示。典型的應(yīng)用有飛機(jī)飛行導(dǎo)航和汽車駕駛導(dǎo)航等。通過對(duì)視野內(nèi)事物的識(shí)別和追蹤，動(dòng)態(tài)地將需要的信息圖像疊加到真實(shí)場景上。除了交通方面，移動(dòng)AR在旅游景點(diǎn)、博物館、圖書館或商場的瀏覽和探索方面也有應(yīng)用。這類導(dǎo)覽式的應(yīng)用都大同小異，如博物館中，參觀者可以通過移動(dòng)AR和工藝品進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)等交互，更好地觀察工藝品的全貌，還可以通過AR展示出工藝品的數(shù)據(jù)信息等[4]。商場中可以直接通過移動(dòng)AR展示商品的信息，不用親自動(dòng)手去貨架上查看，甚至可以在移動(dòng) AR 中比貨。

2.4 醫(yī)療

移動(dòng) AR 可以將電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）等醫(yī)學(xué)三維重建得到的虛擬模型圖像融合到病人相應(yīng)的部位、器官，使醫(yī)生的視角得到增強(qiáng)[15]，在看到真實(shí)身體部位的同時(shí)，還能看到器官內(nèi)部的具體信息。這對(duì)于醫(yī)學(xué)手術(shù)計(jì)劃制定、手術(shù)演練、手術(shù)教學(xué)和術(shù)前對(duì)話等都提供了巨大的便利。典型的工作有用移動(dòng)AR幫助驗(yàn)尸[16]，通過將 CT 圖像疊加到尸體上，可以保證法醫(yī)在不丟失真實(shí)傷口信息的情況下，觀察分析肉眼不可見的內(nèi)傷，而且不會(huì)對(duì)尸體造成破壞，從而保護(hù)了證據(jù)（如圖 8所示）。Soeiro等人[17]開發(fā)了一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) Android 應(yīng)用來指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行經(jīng)顱磁刺激技術(shù)（TMS）治療。其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)部分用來顯示虛擬的病人腦模型，以便醫(yī)生了解目前病人腦中的脈沖變化。Hansen等人[18]開發(fā)了一種減少三維規(guī)劃模型復(fù)雜性的視覺算法，將 3D 模型更好地可視化到真實(shí)器官上，并在外科手術(shù)中運(yùn)用。

3 移動(dòng)AR的應(yīng)用前景

3.1 移動(dòng)AR的商業(yè)應(yīng)用模式

根據(jù)網(wǎng)易科技報(bào)道[19]，移動(dòng)AR技術(shù)的應(yīng)用前景多種多樣。雖然目前有很多頂尖的AR企業(yè)提供一系列的產(chǎn)品、服務(wù)和更多其他的東西，但歸納起來基本上屬于5種基本類型的公司，他們“錢”景無限。提供的技術(shù)產(chǎn)品或服務(wù)（也稱為商業(yè)模式）如表1所示。

3.2 移動(dòng)AR的市場預(yù)測

根據(jù)VR網(wǎng)報(bào)道[20]，AR/VR已經(jīng)成為一個(gè)雙速前進(jìn)的市場，其中移動(dòng)AR在2021年的安裝基數(shù)將超過2017年總AR/VR市場的2倍。蘋果ARKit、谷歌ARCore和Facebook Camera Effects平臺(tái)的推出改變了整個(gè)市場的軌跡，到2018年有可能獲得9億安裝基數(shù)。Digi-Capital已經(jīng)徹底修改了關(guān)于AR/VR市場的分析和預(yù)測報(bào)告。

l由于移動(dòng)AR的出現(xiàn)，VR的市場潛力減弱，移動(dòng)AR在未來將支配AR/VR市場；

l智能手機(jī)仍然是AR/VR的未來，但可能需要10年時(shí)間才能成為一個(gè)大眾消費(fèi)市場；

l直到第2代VR一體機(jī)（無需連接PC或移動(dòng)設(shè)備）在2019—2020年期間爆發(fā)之前，高端VR的發(fā)展可能不會(huì)提速；

l由于頭顯廠商和開發(fā)者正在轉(zhuǎn)向移動(dòng)AR，到2021年，移動(dòng)AR的安裝基數(shù)將增長至30億以上；

l智能眼鏡、高端VR和移動(dòng)VR的組合在同一時(shí)間段內(nèi)可能達(dá)到1億（即每個(gè)平臺(tái)數(shù)千萬），這使得移動(dòng)AR的安裝基數(shù)超出所有AR/VR頭顯的25倍以上。

在2021年，主導(dǎo)AR/VR安裝基數(shù)的移動(dòng)AR將占據(jù)總市場營收的2/3。移動(dòng)AR軟件的體量跟總移動(dòng)市場的體量接近，盡管每用戶平均收入（ARPU）較低，但巨大的用戶基數(shù)將能帶來高增長和高盈利。得益于硬件銷售，智能眼鏡、高端VR和移動(dòng)VR的ARPU更高，但較小的安裝基數(shù)限制了其非硬件營收的潛力。在2018年，移動(dòng)AR的營收將達(dá)到智能眼鏡的4.8倍，高端VR的1.3倍，以及移動(dòng)VR的1.5倍；而2021年將增長至智能眼鏡的3.9倍，高端VR的4.8倍，以及移動(dòng)VR的9.6倍。

鑒于移動(dòng)AR的安裝基數(shù)和轉(zhuǎn)換率的提高，電子商務(wù)在2021年可能成為AR/VR的最大營收來源。Houzz已經(jīng)通過移動(dòng)AR實(shí)現(xiàn)了11倍的銷售轉(zhuǎn)換，所以移動(dòng)AR電子商務(wù)可以進(jìn)一步鞏固亞馬遜，eBay和阿里巴巴的主導(dǎo)地位。硬件銷售（特別是消費(fèi)類智能眼鏡和第二代高級(jí)VR一體機(jī)）為第二營收來源；其次是廣告、游戲和非游戲應(yīng)用收入。AR將成為企業(yè)/B2B營收的主要驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，而視頻和線下娛樂（主題公園）營收則處于較低水平。

4 結(jié)束語

從前面的介紹可知，移動(dòng)AR的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到我們生活的多個(gè)方面。AR和VR的發(fā)展一開始受5G網(wǎng)絡(luò)的限制。5G網(wǎng)絡(luò)被視為解鎖市場機(jī)會(huì)的關(guān)鍵，擁有低延遲、高可靠和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一性的優(yōu)勢，能夠應(yīng)付VR和AR對(duì)網(wǎng)絡(luò)日益增長的速度和容量的需求。對(duì)于移動(dòng)AR應(yīng)用擴(kuò)展的速度以及應(yīng)用的廣度，讓我們拭目以待。

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