王凌云　湯敏麗

摘要：文章旨在探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和創(chuàng)新挑戰(zhàn)。首先，介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、3D建模與渲染、跟蹤和定位技術(shù)，以及人機(jī)交互技術(shù)等。其次，分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，指出隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展以及新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。最后，總結(jié)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在技術(shù)難題、法規(guī)與政策以及用戶(hù)接受度等方面的挑戰(zhàn)。文章指出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向和需要解決的技術(shù)難題，為未來(lái)的研究提供了思路和方向。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）13-0107-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界相結(jié)合的技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和傳感技術(shù)，它將數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界中，以提供額外的信息和視覺(jué)體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正在改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞健?/p>

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)90 年代，當(dāng)時(shí)這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，包括教育、娛樂(lè)、醫(yī)療、工業(yè)等。在教育領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于模擬實(shí)驗(yàn)、虛擬演示和交互式教程；在娛樂(lè)領(lǐng)域，它可以用于游戲、電影和音樂(lè)會(huì)；在醫(yī)療領(lǐng)域，可以用于手術(shù)模擬、康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)教育；在工業(yè)領(lǐng)域，可以用于生產(chǎn)流程模擬、機(jī)械維護(hù)和質(zhì)量控制。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，既可以豐富人們的日常生活，也可以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，催生新的商業(yè)模式，對(duì)于提升國(guó)家在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的科技實(shí)力具有重要意義。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)之一，發(fā)揮著舉足輕重的作用。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的主要任務(wù)包括：首先，通過(guò)對(duì)真實(shí)世界的圖像進(jìn)行采集和處理，識(shí)別和檢測(cè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的物體，如人臉、手勢(shì)、文字等，提取出有用的信息。其次，將虛擬信息與真實(shí)世界的圖像進(jìn)行匹配和注冊(cè)，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備的位置和姿態(tài)，以提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。最后，分析現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)、布局和光照等因素，以便在虛擬場(chǎng)景中構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相融合的虛擬物體。計(jì)算機(jī)視覺(jué)可以幫助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備更好地理解和感知周?chē)h(huán)境，以適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)。

1.2 3D 建模與渲染

3D建模和渲染是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，3D建模與渲染的主要任務(wù)包括：首先，通過(guò)對(duì)真實(shí)世界物體進(jìn)行采集和測(cè)量，建立3D模型。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備需要將虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合，使虛擬物體具有真實(shí)感。這需要通過(guò)渲染技術(shù)對(duì)虛擬物體進(jìn)行光照、陰影和反射等效果處理。最后，將渲染后的虛擬物體與真實(shí)世界的場(chǎng)景進(jìn)行匹配和注冊(cè)，以便在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中顯示和交互。3D建模和渲染讓虛擬信息與真實(shí)世界更加融合，提高用戶(hù)體驗(yàn)和交互性。

1.3 實(shí)時(shí)跟蹤與定位

實(shí)時(shí)跟蹤與定位技術(shù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，實(shí)時(shí)跟蹤與定位的主要任務(wù)包括：首先，通過(guò)對(duì)真實(shí)世界的圖像和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，提取出有用的信息；其次，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和傳感器技術(shù)，對(duì)真實(shí)世界中的物體和場(chǎng)景進(jìn)行識(shí)別和跟蹤[2]；最后，根據(jù)跟蹤結(jié)果和傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬信息進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和更新。實(shí)時(shí)跟蹤與定位可以精確地確定虛擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中的位置，在現(xiàn)實(shí)世界中創(chuàng)建更具沉浸感的虛擬環(huán)境。

1.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的重要支撐技術(shù)[3-4]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，人機(jī)交互的主要任務(wù)包括：首先，通過(guò)人機(jī)界面等技術(shù)對(duì)用戶(hù)的輸入進(jìn)行識(shí)別和理解；其次，根據(jù)用戶(hù)的意圖和需求，對(duì)虛擬信息進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理；最后，將處理后的虛擬信息實(shí)時(shí)疊加在真實(shí)世界的物體和場(chǎng)景上，以提供額外的信息和視覺(jué)體驗(yàn)。人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來(lái)更多可能性，可以幫助人們更加自然和直觀地與虛擬信息進(jìn)行交互和操作。

2 發(fā)展趨勢(shì)

2.1 硬件設(shè)備以及軟件開(kāi)發(fā)

隨著智能手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、頭戴式顯示器等移動(dòng)設(shè)備的普及和功能的不斷增強(qiáng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯[5]。首先，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備輕量化成為趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)更舒適的佩戴體驗(yàn)和更長(zhǎng)時(shí)間的使用。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備將更加智能化，以更好地理解和預(yù)測(cè)用戶(hù)行為，提供更加個(gè)性化和智能化的服務(wù)。此外，設(shè)備還將具備手勢(shì)識(shí)別、頭部追蹤等功能，以提供更自然和直觀的用戶(hù)交互方式。最后，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)將更加完善。設(shè)備制造商將與應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者和內(nèi)容提供商合作，為用戶(hù)提供更多高質(zhì)量的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容和應(yīng)用。設(shè)備的兼容性和可擴(kuò)展性也將得到提高，以便用戶(hù)可以輕松地與其他設(shè)備或平臺(tái)進(jìn)行連接和交互。

2.2 云計(jì)算技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更高效的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)可以為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供穩(wěn)定、高效的計(jì)算和存儲(chǔ)支持，使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以更加流暢地運(yùn)行，并且可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)范圍。首先，云計(jì)算技術(shù)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析的能力。隨著圖形處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，云計(jì)算將處理更復(fù)雜的3D渲染和計(jì)算密集型任務(wù)，并通過(guò)流式傳輸將高質(zhì)量的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容傳送到用戶(hù)的設(shè)備上，降低本地設(shè)備的性能需求。其次，云計(jì)算技術(shù)將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供智能化實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和分析能力。例如，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以根據(jù)用戶(hù)的偏好和行為為其提供更精準(zhǔn)的個(gè)性化體驗(yàn)，并允許多個(gè)用戶(hù)在同一增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)和協(xié)作。此外，利用云計(jì)算，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將輕松實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)兼容性和可擴(kuò)展性，使得開(kāi)發(fā)者能夠?yàn)槎喾N設(shè)備和操作系統(tǒng)提供一致的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。最后，云計(jì)算技術(shù)需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)措施，包括加密傳輸、訪問(wèn)控制和合規(guī)性管理，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供安全可靠的保障。

2.3 5G 與邊緣計(jì)算

隨著邊緣計(jì)算的發(fā)展，部分增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)可能轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備上，與云計(jì)算形成互補(bǔ)，以減少延遲和提高響應(yīng)速度。首先，5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、低延遲和大連接數(shù)特性將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供高速低延遲的通信。這將使用戶(hù)可以更加便捷地訪問(wèn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容和服務(wù)，提高用戶(hù)體驗(yàn)。其次，邊緣計(jì)算技術(shù)將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供更高效的數(shù)據(jù)處理和分析能力。通過(guò)將計(jì)算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)器上，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和負(fù)擔(dān)，提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)性。此外，5G和邊緣計(jì)算還將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供更廣泛的支持。例如，處理和分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)，如圖像、音頻和傳感器數(shù)據(jù)，減輕了云端的負(fù)擔(dān)，并保護(hù)了用戶(hù)的隱私。

2.4 人工智能

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能的結(jié)合，可以為人們帶來(lái)更加豐富、逼真的虛擬增強(qiáng)體驗(yàn)。首先，人工智能技術(shù)提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的智能化水平，提高其感知、理解和反應(yīng)能力。例如，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲開(kāi)發(fā)者可以創(chuàng)造出更具個(gè)性化的對(duì)手，通過(guò)分析玩家在游戲中的表現(xiàn)，學(xué)習(xí)玩家的表現(xiàn)，然后逐步調(diào)整自己的行為，提供更富有挑戰(zhàn)性，更智能、更個(gè)性化的體驗(yàn)。其次，人工智能技術(shù)可以提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。例如通過(guò)自然語(yǔ)言處理和語(yǔ)義理解技術(shù)，人工智能可以根據(jù)教學(xué)的設(shè)定，創(chuàng)造出具有邏輯性和情感張力的教學(xué)任務(wù)，不僅減少了教師的工作量，還為學(xué)生提供了更多的教學(xué)選擇。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的融合被視為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的連接性將變得更加強(qiáng)大和穩(wěn)定，能夠無(wú)縫地連接到互聯(lián)網(wǎng)，方便增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和交互。例如，在工業(yè)環(huán)境中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以顯示來(lái)自傳感器和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。在智能城市和公共空間中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更高效的信息傳遞和服務(wù)提供，更加深入地應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備健康管理、預(yù)測(cè)性維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。例如，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航可以幫助行人找到最近的停車(chē)位或公共交通站點(diǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)交通和環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.6 信息安全

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，隱私和安全問(wèn)題也日益凸顯。首先，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要加強(qiáng)用戶(hù)隱私保護(hù)。在收集和使用用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，必須遵守相關(guān)法律法規(guī)和倫理規(guī)范，確保用戶(hù)數(shù)據(jù)的合法性和安全性。加密技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)以及匿名化、去標(biāo)識(shí)化技術(shù)等將成為保護(hù)信息安全的重要手段，保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)不被泄露和濫用。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要加強(qiáng)安全性保障。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有與現(xiàn)實(shí)世界交互的特點(diǎn)，因此必須采取嚴(yán)格的安全措施，確保用戶(hù)信息和數(shù)據(jù)不被非法獲取和利用。例如，應(yīng)加強(qiáng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的代碼審核和安全性測(cè)試，以減少安全漏洞和風(fēng)險(xiǎn)。訪問(wèn)控制技術(shù)可以限制用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露。最后，安全審計(jì)技術(shù)可以對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的操作進(jìn)行記錄和監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全問(wèn)題。政府和企業(yè)也應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)法律法規(guī)的制定和完善，規(guī)范增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用和管理，保障用戶(hù)的合法權(quán)益和安全。

3 創(chuàng)新挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)既可以拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和開(kāi)發(fā)更優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用服務(wù)，也讓新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。這需要不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。此外，還可以開(kāi)發(fā)更自然、更智能的用戶(hù)界面和交互方式，以提供更優(yōu)質(zhì)的用戶(hù)體驗(yàn)。雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如跟蹤和定位的準(zhǔn)確性、圖像和視頻的穩(wěn)定性、虛實(shí)結(jié)合的自然性等技術(shù)難題。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用涉及個(gè)人隱私、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，相關(guān)的法規(guī)和政策制定可能存在一定的滯后性，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)一定的限制。最后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用需要用戶(hù)具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和認(rèn)知能力，目前仍有部分用戶(hù)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用不太了解或不會(huì)使用，對(duì)應(yīng)用接受度和滿(mǎn)意度會(huì)受到影響。未來(lái)需要不斷進(jìn)行探索和創(chuàng)新，以克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

4 總結(jié)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的交互方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)在近年來(lái)取得了顯著的發(fā)展，主要得益于關(guān)鍵技術(shù)的突破和趨勢(shì)的創(chuàng)新。本文從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)和創(chuàng)新挑戰(zhàn)三個(gè)方面進(jìn)行了探討。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)研究將以智能化、個(gè)性化、開(kāi)放、可擴(kuò)展、用戶(hù)體驗(yàn)和隱私保護(hù)為目標(biāo)，以推動(dòng)其不斷發(fā)展，并為人類(lèi)帶來(lái)更加沉浸式的體驗(yàn)和更多的便利。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項(xiàng)目：本文得到黔東南州科技計(jì)劃項(xiàng)目（No. 黔東南科合J 字〔2021〕43 號(hào)）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（No . 黔教合KY 字〔2020〕178）號(hào)資助