吳雪薇 王利雙 張盈盈
【摘 要】近幾年來增強現(xiàn)實技術(shù)迅猛發(fā)展,本文將基于在華專利申請分析,對現(xiàn)有的增強現(xiàn)實技術(shù)進行綜述性的介紹。本文的研究重點是在全球增強現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展的背景下,著重研究中國境內(nèi)增強現(xiàn)實核心技術(shù)的發(fā)展,通過分析近幾年來增強現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)專利申請,對增強現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理,為國內(nèi)相關(guān)學(xué)者提供參考。
【關(guān)鍵詞】增強現(xiàn)實;智能交互;虛擬顯示
中圖分類號: TP18;TU984 文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 2095-2457(2019)30-0223-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.114
0 引言
隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展,計算機硬件設(shè)備的升級,人們不滿足于能夠呈現(xiàn)虛擬場景,越來越期待能夠與虛擬世界進行交互,因而增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運而生。增強現(xiàn)實Augment Reality(AR)能夠?qū)⑻摂M場景和真實世界中的場景無縫融合,并將融合后的場景呈現(xiàn)給用戶,使得用戶能夠通過自然的操作與虛擬世界進行實時交互,從而產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視鏡仿真和信息交流。隨著跟蹤注冊技術(shù)的進步,計算機性能的飛速發(fā)展,深度攝像機的普及等技術(shù)的發(fā)展,增強現(xiàn)實成為近年來的技術(shù)研究熱點,在娛樂、游戲等多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
AR技術(shù)的原理主要是通過追蹤虛擬物體在真實環(huán)境中的三維坐標(biāo),以實現(xiàn)虛擬信息與真實環(huán)境的實時融合,由此增強現(xiàn)實主要表現(xiàn)出三個特點:(1)真實環(huán)境與虛擬世界的融合;(2)具備實時交互性;(3)在三維空間中定位展現(xiàn)虛擬物體。
2 增強現(xiàn)實核心技術(shù)
2.1 三維跟蹤注冊技術(shù)
三維跟蹤注冊技術(shù)是指系統(tǒng)實時精確計算攝像機相對于真是世界的位置和姿態(tài),以便將虛擬場景正確的安置到它所應(yīng)處的位置,以便于按照觀察者的視場重建坐標(biāo)系。常用的三維跟蹤注冊技術(shù)主要有三類:一種是基于硬件設(shè)備的跟蹤注冊技術(shù),即基于位置的跟蹤技術(shù),一種是基于機器視覺的跟蹤注冊技術(shù),還有一種是基于混合的跟蹤注冊技術(shù)。
近年來的國內(nèi)相關(guān)專利申請情況如圖1所示。
圖1 三維跟蹤注冊技術(shù)發(fā)展趨勢
2.1.1 基于位置的跟蹤注冊技術(shù)
基于位置的三維跟蹤注冊技術(shù)類方案主要特點在于根據(jù)信號的發(fā)射器和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對空間位置和方向以及移動信息,進而計算出攝像機或者智能設(shè)備相對于正式世界的姿態(tài)?;谖恢玫娜S跟蹤注冊技術(shù)主要涉及全球定位系統(tǒng)(GPS),超聲波定位儀,慣性導(dǎo)航系統(tǒng),陀螺儀,磁跟蹤器,加速度傳感器,3維電子羅盤,機械跟蹤器等等硬件傳感器,通過搭載上述傳感器的便攜設(shè)備進行數(shù)據(jù)獲取。
2.1.2 基于視覺的跟蹤注冊技術(shù)
基于視覺的跟蹤注冊技術(shù)即是從真實環(huán)境中獲取一幅或者多幅圖像,然后標(biāo)定攝像機與目標(biāo)間的相對位置和方向。
2.2 虛實融合顯示技術(shù)
將虛擬目標(biāo)添加到真實視頻場景中并顯示給用戶,給用戶以良好的視覺感觀是虛實融合顯示需要解決的問題。將計算機生成的虛擬信息與用戶所處真實環(huán)境融合在一起,是增強現(xiàn)實的第二核心技術(shù)。目前,顯示常常依托的技術(shù)有手持式顯示器,空間投影顯示以及可穿戴式顯示器例如頭盔等。
近年來的國內(nèi)相關(guān)專利申請情況如圖2所示。
圖2 虛擬融合顯示技術(shù)發(fā)展趨勢
2.2.1 移動手持式顯示
手持式增強現(xiàn)實顯示設(shè)備借用手持式移動終端如手機、平板電腦等的顯示屏幕作為增強現(xiàn)實圖像的顯示設(shè)備。手持式顯示設(shè)備所生成的圖像可以在手臂伸展的范圍內(nèi)自由移動,然而顯然需要至少占用一只手,將會對使用者的操作與控制帶來不便,同時使用移動終端顯示屏幕作為增強現(xiàn)實顯示設(shè)備時,還對移動終端自身的性能和能耗都提出了較高的要求。
2.2.2 空間式顯示
空間式顯示設(shè)備通過多種技術(shù)使得用戶可以直接參與到三維空間的增強現(xiàn)實交互中,具體包括基于屏幕的視頻穿透顯示、空間光學(xué)穿透顯示和基于投影的空間顯示燈。投影設(shè)備能夠?qū)D像投影到大范圍的環(huán)境中,更適合室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境。然而空間式顯示設(shè)備由于其體積龐大,只能應(yīng)用于固定的顯示領(lǐng)域,缺乏沉浸式體驗,但對于演示三維模型等應(yīng)用具有突出的優(yōu)勢。
2.2.3 可穿戴式顯示
可穿戴顯示設(shè)備一般都集成有雙攝像頭,以及雙目顯示器,實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬場景融合的立體顯示效果。除了這種基于攝像機視頻捕捉到雙目顯示器的視頻透視穿戴顯示設(shè)備,透過將疊加的虛擬物體和數(shù)字信息直接投影到光學(xué)眼鏡片的光學(xué)透視可穿戴顯示設(shè)備也是未來增強現(xiàn)實穿戴顯示設(shè)備便攜化的發(fā)展趨勢。
2.3 智能交互技術(shù)
交互技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)中與顯示技術(shù)和跟蹤注冊技術(shù)密切相關(guān)的技術(shù),滿足了人們在虛擬和現(xiàn)實世界自然交互的愿望。增強現(xiàn)實技術(shù)本身作為一種新型的人機交互接口,存在多種方式實現(xiàn)人機交互,可分為四類:鼠標(biāo)、鍵盤及手柄交互技術(shù)、觸敏顯示屏交互技術(shù)、三維手勢交互技術(shù)、投影交互技術(shù),人機交互技術(shù)為增強現(xiàn)實系統(tǒng)帶來了廣泛的應(yīng)用。
近年來的國內(nèi)相關(guān)專利申請情況如圖3所示。
圖3 智能交互技術(shù)發(fā)展趨勢
2.3.1 鼠標(biāo)、鍵盤及手柄交互技術(shù)
傳統(tǒng)的人機交互手段,如鼠標(biāo),鍵盤及手柄,其操作方式并不能很好的適應(yīng)增強現(xiàn)實這種需要在現(xiàn)實三維空間進行人機互動的全新應(yīng)用場景。
2.3.2 觸敏顯示屏交互技術(shù)
觸摸屏雖然在一定程度上方便了人的輸入操作,提高了一些用戶體驗,只能將人手固定于物理存在的二維屏幕平面上進行操作,這也不符合人最自然的操作習(xí)慣,會受設(shè)備物理尺寸的限制,需要占據(jù)一定的物理空間,且屏幕易受環(huán)境光線影響,操控起來并不方便,用戶體驗也受到很大的限制。
2.3.3 三維手勢交互技術(shù)
使用電子設(shè)備捕獲用戶手勢、動作作為輸入,降低了用戶對操作設(shè)備的學(xué)習(xí)成本,符合人體自然地交互操控與便攜信息處理硬件設(shè)備的分體設(shè)計,使人能夠更集中精力于其所關(guān)注的信息而不是硬件設(shè)備本身,無需物理存在的鍵盤或觸摸屏,人體動作捕捉或手勢識別這種全新的三維空間交互技術(shù),能夠以更準確的方式讓使用者在現(xiàn)實場景中實現(xiàn)與虛擬物體的互動,同時輔助逐漸成熟的語音識別、3D虛擬環(huán)繞聲、虛擬觸感反饋等多模態(tài)交互技術(shù),實現(xiàn)了更自然的虛實融合的人機交互方式,從而極大地增強了用戶體驗。
2.3.4 投影交互技術(shù)
投影互動觸摸技術(shù),將操作菜單等可交互操作的畫面投影到一平面內(nèi),區(qū)別于將圖像生成與固定的設(shè)備表面,投影交互技術(shù)能夠?qū)D像投影到大范圍的環(huán)境之中,更適合室內(nèi)增強現(xiàn)實應(yīng)用環(huán)境。
3 結(jié)語
本文通過對中文專利庫中與增強現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的專利進行統(tǒng)計分析,得出以下結(jié)論:現(xiàn)有技術(shù)中,增強現(xiàn)實技術(shù)的核心技術(shù)主要在于三塊:三維跟蹤注冊、虛實融合顯示以及智能交互技術(shù)。其中,這三類技術(shù)的申請量差距并不太大,主要原因在于,一個完整的能給用戶實現(xiàn)良好體驗的增強現(xiàn)實系統(tǒng),給目標(biāo)物體定位并進行虛實場景融合顯示給用戶,并進行交互,這三個關(guān)鍵技術(shù)點無法繞開。
增強現(xiàn)實這個領(lǐng)域目前比較活躍,將虛擬環(huán)境與真實場景無縫結(jié)合,使用戶能不僅能夠與真實場景交互,同時也能與虛擬物體交互,擴大了用戶對世界的認知,其重點在于增加用戶的沉浸感。增強現(xiàn)實技術(shù)從2010年開始猛增,隨后一直保持著增長趨勢,VR技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。但是目前,AR技術(shù)也存在一些問題,技術(shù)核心難點在于,圖像識別技術(shù)結(jié)合觀察者的相對位置以及三維坐標(biāo)等信息進行定位來判斷物體所處的位置,如何做到對應(yīng)的精確性和實時性;虛實融合的可穿戴式設(shè)備如何做到小而精致,且能夠提供良好的融合沉浸感。