一、什么是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)?
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這門技術(shù)曾經(jīng)局限于實(shí)驗(yàn)室,隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件能力的提高,已經(jīng)開始快速的進(jìn)入到大眾視野,并在會(huì)展、營(yíng)銷、科教、設(shè)計(jì)、出版、娛樂(lè)等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,被時(shí)代周刊列為當(dāng)前最具活力和前景的十大技術(shù)之一。而最近由Gartner數(shù)十位優(yōu)秀的本土分析師所做的最新的研究報(bào)告也顯示,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被入選為2014中國(guó)十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一。那么,究竟什么是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)呢?
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality),簡(jiǎn)稱AR,是利用計(jì)算機(jī)生成一種逼真的視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和各種感覺(jué)的虛擬環(huán)境,通過(guò)各種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)用戶和環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。它是一種全新的人機(jī)交互技術(shù),利用這樣一種技術(shù)可以模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)景觀,它是以交互性和構(gòu)想為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。使用者不僅能夠通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性,而且能夠突破空間、時(shí)間以及其它客觀限制,感受到在真實(shí)世界中無(wú)法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。簡(jiǎn)言之,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)就是把真實(shí)世界連接到數(shù)字世界的一門技術(shù)。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有三個(gè)核心組成要素:
1、(Combines real and virtual)虛實(shí)結(jié)合
虛實(shí)結(jié)合,可以理解為在一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景中無(wú)縫融入虛擬對(duì)象的空間,為人們帶來(lái)一個(gè)視覺(jué)效果更真實(shí)、場(chǎng)景信息更豐富的新環(huán)境。它可以將顯示器屏幕擴(kuò)展到真實(shí)環(huán)境,使計(jì)算機(jī)窗口與圖標(biāo)疊映于現(xiàn)實(shí)對(duì)象,由眼睛凝視或手勢(shì)指點(diǎn)進(jìn)行操作;讓三維物體在用戶的全景視野中根據(jù)當(dāng)前任務(wù)或需要交互地改變其形狀和外觀;對(duì)于現(xiàn)實(shí)目標(biāo)通過(guò)疊加虛擬景象產(chǎn)生類似于X光透視的增強(qiáng)效果;將地圖信息直接插入現(xiàn)實(shí)景觀以引導(dǎo)駕駛員的行動(dòng);通過(guò)虛擬窗口調(diào)看室外景象、使墻壁仿佛變得透明。
2、(Interactive in real time)即時(shí)互動(dòng)
即時(shí)互動(dòng),字面理解為馬上溝通、馬上交流,在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中其含義則是:使交互從精確的位置擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)境,從簡(jiǎn)單的人面對(duì)屏幕交流發(fā)展到將自己融合于周圍的空間與對(duì)象中。運(yùn)用信息系統(tǒng)不再是自覺(jué)而有意的獨(dú)立行動(dòng),而是和人們的當(dāng)前活動(dòng)自然而然地成為一體。交互性系統(tǒng)不再是具備明確的位置,而是擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)境。
3、(Registered in 3-D)3D定位
為了改善效果,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所投射的圖像必須在空間定位上與用戶相關(guān),當(dāng)用戶轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)頭部時(shí),視野變動(dòng),計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息隨之做相應(yīng)的變化,這是依靠三維環(huán)境注冊(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。這種系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶頭部位置和視線方向,為計(jì)算機(jī)提供添加虛擬信息在投影平面中映射位置的依據(jù),并將這些信息實(shí)時(shí)顯示在熒光屏的正確位置。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中要涉及多種因素,因此其技術(shù)研究對(duì)象范圍包括信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)圖形和圖像處理、人機(jī)界面和心理學(xué)、移動(dòng)計(jì)算、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式計(jì)算、信息獲取和信息可視化、以及新型顯示器和傳感器等。
圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)原理圖
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的工作原理可以概括為:首先用攝像機(jī)拍攝現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景;然后,通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)捕獲識(shí)別標(biāo)記,實(shí)時(shí)記錄它的位置和方向;最后,將數(shù)據(jù)平臺(tái)中存儲(chǔ)的虛擬3D對(duì)象與真實(shí)場(chǎng)景疊加到這一位置,實(shí)現(xiàn)同步,從而達(dá)到虛實(shí)融合的效果。此處需要特別解釋一下“識(shí)別標(biāo)識(shí)”中的“標(biāo)識(shí)”,標(biāo)識(shí)就是標(biāo)志識(shí)別,分為人工和非人工兩類,標(biāo)志識(shí)別的過(guò)程有對(duì)包含人工標(biāo)志的圖像進(jìn)行二值化、采用連通域提取的算法實(shí)現(xiàn)標(biāo)志區(qū)域識(shí)別等。標(biāo)識(shí)的作用是向虛擬物體提供繪制信息。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為一門時(shí)尚的技術(shù),其特點(diǎn)為:
1、AR的優(yōu)越性體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)虛擬事物和真實(shí)環(huán)境的結(jié)合,讓真實(shí)世界和虛擬物體共存。
2、AR實(shí)現(xiàn)虛擬世界和真實(shí)世界的實(shí)時(shí)同步,滿足用戶在現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地感受虛擬空間中模擬的事物,增強(qiáng)使用的趣味性和互動(dòng)性。
簡(jiǎn)而言之,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象,并通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確"放置"在真實(shí)環(huán)境中,借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體,并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境。
二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展歷程
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality,簡(jiǎn)稱AR)技術(shù)可以將虛擬的三維物體融合到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,并能支持用戶與其進(jìn)行交互,它已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域,同時(shí)也是人機(jī)界面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。下圖是筆者自己繪制的一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展的歷程圖。
圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展的歷程圖
由上圖可知,AR技術(shù)始于二十世紀(jì)六十年代,由美國(guó)哈佛大學(xué)教授伊萬(wàn)?薩瑟蘭(IvanSutherland)發(fā)明了光學(xué)透明頭盔顯示器(see一throughHead一MountedDisplay,簡(jiǎn)稱STHMD)顯示計(jì)算機(jī)生成的3D圖形。1968年,他在美國(guó)哈弗大學(xué)展示了第一臺(tái)頭盔顯示器的目鏡。在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)下,此后頭戴顯示器在飛機(jī),地面車輛以及艦只訓(xùn)練方面都取得了不俗的成績(jī)。20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)10年代,國(guó)外AR的發(fā)展較為成熟,一些公司和高校不斷研制出完善的AR系統(tǒng);國(guó)內(nèi)真正開始發(fā)展AR技術(shù),是從2012年開始,這其中谷歌眼鏡的推出,可以說(shuō)激發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者與企業(yè)對(duì)AR技術(shù)的新的興趣。
同沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)相比,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不但應(yīng)用的場(chǎng)合廣泛,而且更加安全,因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以讓用戶在看到虛擬物體的同時(shí),仍能看到真實(shí)的場(chǎng)景,即使在停電和設(shè)備故障等情況下,也能保證用戶的安全。事實(shí)上,從20世紀(jì)90年代末開始,這個(gè)領(lǐng)域的研究者們常常聚會(huì)在一系列年度召開的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)國(guó)際研討會(huì)和工作會(huì)議上,例如,國(guó)際增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工作會(huì)議(IWAR),國(guó)際增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研討會(huì)(ISAR)和國(guó)際混合與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)會(huì)議(ISMAR)等。這些會(huì)議在很大程度上促進(jìn)了AR的研究發(fā)展。近年來(lái)隨著移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的增強(qiáng)和對(duì)網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的關(guān)注,對(duì)戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和支持分布式協(xié)同操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究明顯增加。
據(jù)統(tǒng)計(jì),從1995年至今,涉及AR系統(tǒng)的國(guó)際專利多達(dá)一百多篇,新近公開的一篇德國(guó)專利DEI0108064述及的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),用視頻或音頻信息進(jìn)行綜合視覺(jué)跟蹤,探測(cè)用戶三維信息并報(bào)告其位置,其中的圖像記錄單元,記錄圖像并轉(zhuǎn)換格式,注釋系統(tǒng),合成位置數(shù)據(jù),存檔數(shù)據(jù),生成實(shí)時(shí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境。美國(guó)公開的專利US2002191003也涉及了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù),他們用攝像機(jī)定位物體位置并報(bào)告給連通的計(jì)算機(jī)以呈現(xiàn)圖像,同時(shí)讓計(jì)算機(jī)模擬出天氣、險(xiǎn)情等三維場(chǎng)景,經(jīng)過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)處理后的畫面將真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行無(wú)縫融合讓觀眾有深深的身臨其境的感覺(jué),這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航海安全控制輔助、飛行員培訓(xùn)、應(yīng)急訓(xùn)練等方面。而國(guó)內(nèi)涉及AR的專利還很少。總體來(lái)講,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國(guó)處于起步階段,盡管有許多評(píng)論家說(shuō)目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)更多的只是噱頭,但不可否認(rèn)許多虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的企業(yè)以及高校已經(jīng)開始專注于“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的研發(fā)和應(yīng)用。
國(guó)外研究AR系統(tǒng)的單位有德國(guó)SIEMENSAG、美國(guó)微軟公司、美國(guó)MIT大學(xué),美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、澳大利亞Vienna大學(xué)、日本Nara協(xié)會(huì)等,這些單位已經(jīng)在AR系統(tǒng)的攝像機(jī)校正算法、AR頭盔顯示器的設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)的應(yīng)用、視覺(jué)跟蹤技術(shù)等方面取得了一些可喜的成果。目前,國(guó)內(nèi)研究AR系統(tǒng)的單位有中視典數(shù)字科技有限公司、大連新銳天地傳媒有限公司、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所、國(guó)防科技大學(xué)、西安石油學(xué)院、電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海大學(xué)等。
三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)價(jià)值與作用
AR技術(shù)不僅在與VR技術(shù)相類似的應(yīng)用領(lǐng)域,諸如尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂(lè)與藝術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。而且由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性,在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機(jī)導(dǎo)航、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域,具有比VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)。
1、專業(yè)級(jí)應(yīng)用
1)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究
軍用飛機(jī)和直升機(jī)利用頭盔顯示器將矢量圖形疊加到飛行員視野中,提供導(dǎo)航信息。美國(guó)著名的SIMNET系統(tǒng)在1995年融入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過(guò)一些特殊的頭盔式顯示器和測(cè)距儀,使配備該設(shè)備的戰(zhàn)斗人員能夠看見其他作戰(zhàn)單位的增強(qiáng)信息。
圖3 AR技術(shù)在軍事上的應(yīng)用
2)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn),利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將病人的MRI(核磁共振)或CT(計(jì)算機(jī)控制X射線斷層分析)疊加在病人身體或?qū)嵨锶梭w模型上,幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)方案的制定、手術(shù)時(shí)的輔助指引、模擬的手術(shù)訓(xùn)練。MIT的AI實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在腦外科手術(shù)中的應(yīng)用研究,利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)合成圖像的手術(shù)技術(shù)操作。
圖4 AR技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
3)在工程設(shè)計(jì)和裝配維修領(lǐng)域的應(yīng)用研究
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì),表現(xiàn)為在設(shè)計(jì)定型前可以仿真、分析和評(píng)審產(chǎn)品模型。相較于現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù),由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的改善主要有三個(gè)方面:首先,在早期創(chuàng)意階段,應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交互的、可觸摸的設(shè)計(jì)界面,表現(xiàn)為用戶可以直接繪制虛擬的、立體可視的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型;其次,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助工程人員實(shí)現(xiàn)交互、協(xié)同地評(píng)審,以及分析和測(cè)試產(chǎn)品模型;最后,在產(chǎn)品評(píng)估階段,應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行物理樣機(jī)和數(shù)據(jù)模型的虛擬裝配(即裝配仿真)。
圖5 AR技術(shù)用于汽車設(shè)計(jì)
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝配領(lǐng)域的必要性表現(xiàn)在:根據(jù)設(shè)計(jì)者的交互操作,實(shí)時(shí)捕捉設(shè)計(jì)者的裝配意圖,識(shí)別并建立裝配關(guān)系,實(shí)現(xiàn)零部件的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)等;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械儀器的組裝維修方面,可將裝配流程指南按照工作進(jìn)度準(zhǔn)確地顯示給用戶,指導(dǎo)用戶順利完成任務(wù)。相對(duì)安裝手冊(cè)而言,這些附加的文字、圖像更加生動(dòng)易于理解。
圖6 AR技術(shù)應(yīng)用于維修和模具裝配
1995年ECRC(歐洲計(jì)算機(jī)研究中心)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程協(xié)作進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備使得異地的設(shè)計(jì)人員或客戶與本地的設(shè)計(jì)人員共享一個(gè)實(shí)物或CAD模型信息,并可以實(shí)時(shí)地交流設(shè)計(jì)改進(jìn)思想?屏_拉多大學(xué)Feiners研究組應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行激光打印機(jī)的維修。波音公司將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造中的電力線連接和接線器的裝配。
相信隨著科技的不斷進(jìn)步,未來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)上的發(fā)展趨勢(shì),將是從工業(yè)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)裝配、維修過(guò)程,擴(kuò)展到制造業(yè)的各個(gè)階段。在國(guó)外的一些發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家(如德國(guó)),已經(jīng)在開始設(shè)想增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)的智慧工廠中的應(yīng)用。
圖7 AR技術(shù)在未來(lái)智慧工廠中應(yīng)用
2、消費(fèi)級(jí)應(yīng)用
1)在娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,諸如LCD,LED,OLED等技術(shù)的出現(xiàn),以及智能手機(jī)等設(shè)備的發(fā)展,互動(dòng)的理念開始更為人們所重視,這樣AR技術(shù)終于可以“兩條腿走路”,輔助與互動(dòng)起頭并進(jìn),消費(fèi)級(jí)的頭戴顯示器終于出現(xiàn)了。
圖8 谷歌眼鏡
這款高科技眼鏡擁有智能手機(jī)的所有功能,鏡片上裝有一個(gè)微型顯示屏,用戶無(wú)需動(dòng)手便可上網(wǎng)沖浪或者處理文字信息和電子郵件,同時(shí),戴上這款“拓展現(xiàn)實(shí)”眼鏡,用戶可以用自己的聲音控制拍照、視頻通話和辨明方向。可以說(shuō)是典型應(yīng)用了AR技術(shù)的互動(dòng)性。
2)在娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究
德國(guó)DML(數(shù)字媒體實(shí)驗(yàn)室)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)擴(kuò)展了原來(lái)基于藍(lán)影技術(shù)制作天氣預(yù)報(bào)節(jié)目的方法,用虛擬的三維場(chǎng)景替換了原來(lái)的平面背景,使得節(jié)目效果更好。傳統(tǒng)節(jié)目采用虛擬腳本是順序的,而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬播出系統(tǒng)可以不受腳本順序的限制,可以任意觸發(fā)某個(gè)流程,提高節(jié)目的可看性和真實(shí)性。
圖9 AR技術(shù)在節(jié)目中的應(yīng)用
3、拓展級(jí)應(yīng)用
1)電信增值領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著智能設(shè)備的增多,AR在APP上的應(yīng)用也越來(lái)越多,現(xiàn)在已經(jīng)有軟件可以實(shí)現(xiàn)打開手機(jī)的相機(jī),然后掃描四周的建筑物,從而在相機(jī)的取景器出現(xiàn)對(duì)應(yīng)信息的功能,這也是典型的AR技術(shù)。
圖10 AR技術(shù)在智能手機(jī)上的應(yīng)用
2)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究
英國(guó)Fraunhofer學(xué)院開發(fā)了適用于城市規(guī)劃的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),使得建筑設(shè)計(jì)人員能夠在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)視方案的效果,與應(yīng)用于該領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以讓設(shè)計(jì)人員更真實(shí)地體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與周圍環(huán)境是否和諧。
圖11 AR技術(shù)在建筑上的應(yīng)用
四、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)及軟硬件平臺(tái)
1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為一門新興領(lǐng)域,結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)、圖像處理(Image Processing)、機(jī)器視覺(jué)(Machine Vision)等諸多學(xué)科的技術(shù)。同時(shí)也依賴于顯示設(shè)備(Monitor)、圖形加速設(shè)備(Graphics Cards)、傳感器(Sensor)、跟蹤器(Tracker)、交互工具(Interactive Tools)等硬件設(shè)備的發(fā)展。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不是將用戶與現(xiàn)實(shí)世界隔離,而是利用虛擬的圈形和文字等信息對(duì)真實(shí)世界的場(chǎng)景進(jìn)行增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界和虛擬世界的無(wú)縫融合,并能夠使用戶如在真實(shí)環(huán)境中一樣自然實(shí)時(shí)地交互。在用戶眼中,真實(shí)物體和虛擬模型是共存的。簡(jiǎn)單而言,一個(gè)完善的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要有顯示技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、虛實(shí)融合技術(shù)、用戶交互技術(shù)構(gòu)成。
圖12 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)
1)顯示技術(shù):主要指顯示設(shè)備,如頭盔顯示器(HMD)、投影式顯示器、移動(dòng)設(shè)備顯示器和電腦所用的液晶或CRT顯示器。
圖13 頭戴顯示器
2)注冊(cè)跟蹤技術(shù):增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要建立虛擬空間坐標(biāo)系與真實(shí)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,使得虛擬物體能夠合并到真實(shí)世界的正確位置上,這個(gè)過(guò)程就是注冊(cè)(Registration)。由于觀察者的位置會(huì)不斷變化,系統(tǒng)要實(shí)時(shí)的根據(jù)觀察者的視場(chǎng)重建坐標(biāo)系的關(guān)系,這個(gè)過(guò)程就是跟蹤(Tracking)。注冊(cè)跟蹤的方法主要有兩種:基于硬件設(shè)備的方法和基于視頻處理的方法。
3)虛實(shí)融合技術(shù):簡(jiǎn)單的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)只是將虛擬模型直接疊加到真實(shí)場(chǎng)景上面,也就是說(shuō)虛擬模型永遠(yuǎn)顯示在真實(shí)物體前方,不能很好的融合到真實(shí)場(chǎng)景中。虛實(shí)融合技術(shù)就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。主要包括虛實(shí)環(huán)境的注冊(cè)、虛擬物體和真實(shí)物體的遮擋處理、陰影和光照一致性和自然的交互。其中遮擋處理是為了獲得虛擬物體與真實(shí)物體正確的遮擋關(guān)系,需要比較兩者之間的深度信息。陰影和光照一致性方面要能夠?qū)崟r(shí)的適應(yīng)真實(shí)環(huán)境的光照變化,同時(shí)考慮真實(shí)物體和虛擬物體之間的陰影,使得虛擬物體產(chǎn)生如同真實(shí)物體一樣的光照和陰影效果。另外虛擬模型還要考慮虛焦模糊等情況下的顯示效果。
4)用戶交互技術(shù):增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)環(huán)境中虛擬物體自然直觀的三維交互,這就需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互工具,并能夠跟蹤定位到交互工具的位置信息.執(zhí)行用戶對(duì)空間物體實(shí)施的指令。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互方式主要兩種:基于硬件設(shè)備的方式,如數(shù)據(jù)手套;谝曨l處理的方式,如在標(biāo)識(shí)物上生成按鈕、菜單、筆等,也有采用手勢(shì)識(shí)別的方式輸入命令。
圖14 AR系統(tǒng)工作流程圖
簡(jiǎn)言之,跟蹤和定位技術(shù)與標(biāo)定技術(shù)共同完成對(duì)位置與方位的檢測(cè),并將數(shù)據(jù)報(bào)告給AR系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)被跟蹤對(duì)象在真實(shí)世界里的坐標(biāo)與虛擬世界中的坐標(biāo)統(tǒng)一,達(dá)到讓虛擬物體與用戶環(huán)境無(wú)縫結(jié)合的目標(biāo)。為了生成準(zhǔn)確定位,AR系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的標(biāo)定,測(cè)量值包括攝像機(jī)參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對(duì)象定位以及變形等。
2、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件平臺(tái)及算法
1)軟件平臺(tái)及算法:
軟件:目前比較知名的有Layar、Taggar、Metaio及InfinityAR等AR應(yīng)用程序。
算法:增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),基礎(chǔ)是圖像算法實(shí)現(xiàn)的,這部份算法目前發(fā)展階段為,極少數(shù)公司掌握了可實(shí)用級(jí)別的算法,然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)了產(chǎn)品。算法SDK也有供應(yīng)商,比如德國(guó)的metaio,美國(guó)的Total Immersion都是付費(fèi)庫(kù),如果你有產(chǎn)品想使用可以讓其定制。還有一種方法就是自主開發(fā),有兩種方式實(shí)現(xiàn):方式一,買已經(jīng)有效果的成品算法集成;方式二,外包給其他公司開發(fā)。
2)硬件平臺(tái):增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件平臺(tái)的組成包括:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視頻輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉跟蹤系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。如Oculus Rift面向消費(fèi)領(lǐng)域的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備。
在國(guó)外,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的公司擁有自己的軟件和相配置的硬件。比如德國(guó)的metaio集團(tuán)在軟件領(lǐng)域,擁有自主研發(fā)的全平臺(tái)AR軟件;在硬件領(lǐng)域,metaio集團(tuán)在全球首先推出了適用于手機(jī),平板電腦,筆記本電腦和智能電視的AR芯片,于2012年已經(jīng)開始銷售。
在國(guó)內(nèi),大多數(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的公司還在起步階段。中視典數(shù)字科技有限公司作為國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的領(lǐng)軍者,在軟件領(lǐng)域,有自主研發(fā)的一款直接面向三維美工的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件ARP系列;在硬件領(lǐng)域,目前有4D動(dòng)感影院系統(tǒng)、環(huán)幕城市規(guī)劃展廳、環(huán)幕導(dǎo)游培訓(xùn)教室、虛擬汽車駕駛系統(tǒng)、虛擬自行車健身系統(tǒng)、交互式物理觸摸屏、立體顯示器、頭盔立體顯示器、數(shù)據(jù)手套及其他AR設(shè)備。
總體來(lái)講,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)的主要研究方向分為三方面。一方面企業(yè)需要開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)無(wú)縫融合的高效算法和軟件,另一方面企業(yè)需要開發(fā)廉價(jià)的硬件設(shè)備,降低AR系統(tǒng)的硬件成本。此外,企業(yè)也需要進(jìn)一步加強(qiáng)用戶視覺(jué)和聽覺(jué)感知方面的研究,積極開展觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等方面的研究,最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)自然的多模態(tài)人機(jī)交互。
3、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案介紹
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的解決方案,概括來(lái)講,分為網(wǎng)絡(luò)版、專業(yè)版、以及移動(dòng)設(shè)備版三套應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)版應(yīng)用主要是利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行消費(fèi)者或普通用戶層面的開發(fā),比如各類小游戲,舉個(gè)例子:用戶利用可識(shí)別的紙張,即可對(duì)著電腦進(jìn)行投籃游戲等;專業(yè)版主要是針對(duì)各類企業(yè)和客戶專門開發(fā)應(yīng)用軟件,用以推廣產(chǎn)品、品牌營(yíng)銷等;移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用目前還處于初步發(fā)展階段,主要是用戶通過(guò)手機(jī)及攝像頭,對(duì)準(zhǔn)某個(gè)建筑物、圖書的時(shí)候即可知曉相關(guān)的消息,獲得信息、進(jìn)行電子商務(wù)等。
圖15 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用實(shí)例1
對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),普通用戶的期待顯然是在于對(duì)生活便利性的改善。比如戴上智能眼鏡看窗外的景色,便會(huì)顯示今天的天氣情況;在大街上行走,看到餐館、咖啡廳的招牌,就會(huì)顯示出招牌菜、用戶評(píng)價(jià)等信息。
但不可否認(rèn)的是,目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚處于不成熟的階段,看上去更多像是噱頭。不僅是硬件設(shè)備上的不成熟(設(shè)計(jì)、電池、GPS精度、處理能力等),軟件上也存在不足(物體識(shí)別能力、商家信息支持等),我們還沒(méi)有辦法完全在生活中完全依賴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和設(shè)備,短期內(nèi)只能作為商家吸引消費(fèi)者的營(yíng)銷手段。
當(dāng)然,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是科技發(fā)展趨勢(shì),也代表了人們對(duì)未來(lái)便捷生活的憧憬,未來(lái)的發(fā)展空間還是不可估量的。觀察國(guó)內(nèi)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)企業(yè),大部分企業(yè)還處于起步階段,市場(chǎng)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)模式,此外,還表現(xiàn)在行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用需要進(jìn)一步探討、相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和用戶體驗(yàn)還不明確,但總體來(lái)看,中國(guó)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)仍具有增長(zhǎng)快,市場(chǎng)需求大的特點(diǎn)。
五、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究分析公司ABI research的預(yù)測(cè):增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)商今年將會(huì)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這個(gè)應(yīng)用上投資6.7億美元,在五年內(nèi),這個(gè)數(shù)字將躍升至25億美元;分析師還認(rèn)為“AR”這個(gè)應(yīng)用將會(huì)成為“更加日;囊苿(dòng)設(shè)備應(yīng)用的一部分”尤其在市場(chǎng)營(yíng)銷、車載系統(tǒng)、游戲娛樂(lè)和醫(yī)學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域。
圖16 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用實(shí)例2
1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為展覽展示的趨勢(shì)
2012年10月,廣東科學(xué)中心推出“重回侏羅紀(jì)”互動(dòng)展項(xiàng)吸引不少孩子體驗(yàn),甚至成為十一黃金周很多家長(zhǎng)必帶孩子去玩的地點(diǎn)之一。此互動(dòng)展項(xiàng)由夢(mèng)想人軟件科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱夢(mèng)想人)創(chuàng)新設(shè)計(jì),孩子們一旦踏進(jìn)體驗(yàn)區(qū),立刻就能和逼真的恐龍互動(dòng),比如觸摸恐龍,喂食恐龍以及與恐龍合影,讓孩子們真實(shí)地體驗(yàn)恐龍。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),將虛擬和現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景帶給參觀者,感受現(xiàn)代互動(dòng)科技的魅力,將成為展覽展示的趨勢(shì)。
2、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為市場(chǎng)營(yíng)銷的賣點(diǎn)
近日,由可口可樂(lè)和人人網(wǎng)聯(lián)手打造的“可口可樂(lè):那些年,我們的同學(xué)會(huì)”市場(chǎng)活動(dòng)案例獲得2013年大中華區(qū)艾菲獎(jiǎng)銅獎(jiǎng),人人網(wǎng)首次以AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))互動(dòng)技術(shù)亮相廣告節(jié),彈唱樂(lè)隊(duì)和沙灘排球等互動(dòng)創(chuàng)意吸引大量觀眾排隊(duì)體驗(yàn)。參與者一旦踏入體驗(yàn)區(qū),球友和樂(lè)隊(duì)旋即出現(xiàn)在身旁。倍感驚喜之余,參與者立刻放開手腳,和“興趣同好”一起全情投入,展現(xiàn)年輕活力。
越來(lái)越多的IT公司發(fā)布新產(chǎn)品時(shí)愿意采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),比如惠普2012年發(fā)布HP Proliant Generation8服務(wù)器,就請(qǐng)到夢(mèng)想人設(shè)計(jì)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品發(fā)布會(huì),全面清晰的為惠普服務(wù)器的推廣提供了現(xiàn)實(shí)與3D虛擬完美結(jié)合的演示過(guò)程,令每一位與會(huì)客人都留下深刻印象。
宜家也采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造新版的產(chǎn)品目錄展示家具。用戶將智能手機(jī)對(duì)著產(chǎn)品目錄就可以和3D產(chǎn)品模型、產(chǎn)品視頻以及數(shù)字說(shuō)明書內(nèi)容互動(dòng)。宜家并不是把紙質(zhì)直接換成移動(dòng)版本的產(chǎn)品目錄,這不符合用戶習(xí)慣,而是決定為紙質(zhì)版產(chǎn)品目錄加入一個(gè)數(shù)字化層級(jí),而選擇增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最好的選擇,自然在未來(lái)將有更多的人選擇。
3、結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車載系統(tǒng)將成為汽車標(biāo)配
奔馳正在研發(fā)運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型車載導(dǎo)航系統(tǒng),駕駛員在駕駛汽車時(shí),汽車儀表盤上的觸摸屏能生動(dòng)地顯示汽車周圍環(huán)境。圖像信息將實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上,駕駛員可以從屏幕上了解行駛方向、街道名稱等各種信息。它不僅能協(xié)助你抵達(dá)目的地,而且也是一種駕駛樂(lè)趣。預(yù)計(jì)第一套AR車載導(dǎo)航系統(tǒng)將在2015年安裝到量產(chǎn)汽車上,到2023年,年銷量將達(dá)到210萬(wàn)。豐田目前正在開發(fā)這類技術(shù),采用觸摸式車窗,乘客能夠從中獲取車外某個(gè)物體與車輛的距離,系統(tǒng)甚至能夠辨認(rèn)出這項(xiàng)物體是動(dòng)物、人類甚至廣告牌,極大增加駕乘的體驗(yàn)和安全。
4、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)讓游戲娛樂(lè)拉進(jìn)現(xiàn)實(shí)
谷歌去年就已將發(fā)布一款基于地理位置信息的“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”游戲——Ingress。游戲基于Google地圖的數(shù)據(jù),通過(guò)手機(jī)內(nèi)置的GPS定位系統(tǒng)確認(rèn)玩家位置,玩家需要拿手機(jī)接近這些據(jù)點(diǎn),進(jìn)行入侵(Hack)、攻擊及防守等動(dòng)作。游戲的最終目標(biāo)是將游戲世界和現(xiàn)實(shí)世界的界限模糊化,為游戲娛樂(lè)打開一扇新的窗戶,讓游戲娛樂(lè)的場(chǎng)景搬進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界,目前越來(lái)越多游戲公司正在開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲。
5、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成為醫(yī)生的“助手”
2013年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上,復(fù)旦大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心主任宋志堅(jiān)教授及其團(tuán)隊(duì)展出這一最新研發(fā)成果——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著iPad在患者不同身體部位上方的移動(dòng),屏幕上會(huì)隨之產(chǎn)生出相應(yīng)的圖像,并最終鎖定患者顱內(nèi)腫瘤的具體位置,引導(dǎo)醫(yī)生實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的“精確手術(shù)”。
6、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)讓圖書更立體更互動(dòng)
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在改變著我們傳統(tǒng)的閱讀方式,結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、三維模型等與現(xiàn)實(shí)世界創(chuàng)建的兒童讀物為孩子們帶來(lái)身臨其境般的沉浸式體驗(yàn),增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)無(wú)疑為圖書作者創(chuàng)建了增強(qiáng)效果的藝術(shù)呈現(xiàn)界面,并賦予了參與者一種額外的體驗(yàn)過(guò)程。夢(mèng)想人從2004年就開始推廣增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖書的事業(yè),目前已經(jīng)與多家國(guó)內(nèi)出版社合作推出數(shù)本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖書,將來(lái)將和更多的優(yōu)秀出版社合作,制作出更適合讀者欣賞的圖書。
7、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以規(guī)劃?rùn)C(jī)器路徑
對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作一直是一個(gè)難題,尤其是當(dāng)機(jī)器人距離很遙遠(yuǎn)時(shí),通信連接會(huì)有很大的延遲。在這個(gè)情況下,相比于直接遠(yuǎn)程控制機(jī)器人,控制本地的一個(gè)虛擬機(jī)器人就更有優(yōu)勢(shì)。用戶通過(guò)操作本地的虛擬機(jī)器人,就可以實(shí)時(shí)的規(guī)劃和制定機(jī)器人的行動(dòng)。這些結(jié)果會(huì)被直接的在現(xiàn)實(shí)世界得到顯示。只要規(guī)劃經(jīng)過(guò)測(cè)試并決定后,用戶就告訴真實(shí)的機(jī)器人執(zhí)行該規(guī)劃。這就避免了冗長(zhǎng)的延遲導(dǎo)致的導(dǎo)航不穩(wěn)定。虛擬的機(jī)器人還可以模擬在假造的環(huán)境中的效果,從而為特定任務(wù)的規(guī)劃提供幫助。ARGOS系統(tǒng)就證明了相比傳統(tǒng)的單視場(chǎng)的接口,立體AR技術(shù)是進(jìn)行機(jī)器路徑規(guī)劃的更好更精確的方法。還有其他的很多研究團(tuán)隊(duì)也在遠(yuǎn)程呈現(xiàn)系統(tǒng)中用到這個(gè)應(yīng)用。
總體來(lái)看,市場(chǎng)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需求是很大的,但國(guó)內(nèi)企業(yè)滿足客戶需求的能力卻略顯不足,尤其是擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán),產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)硬的企業(yè)并不多,行業(yè)整體缺乏品牌效應(yīng)。我想企業(yè)應(yīng)該共同努力,進(jìn)一步提高自己自主研發(fā)和創(chuàng)新的能力,為客戶提供可靠的解決方案,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)的發(fā)展,進(jìn)而帶領(lǐng)中國(guó)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)邁入國(guó)際大舞臺(tái)。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶你體驗(yàn)虛實(shí)世界
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