增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用

摘 要：增強現(xiàn)實技術(shù)是近年來的一個研究熱點，有著廣泛的應(yīng)用前景增強。現(xiàn)實是把計算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體或其他信息合成到用戶感知的真實世界中的一種技術(shù)。它是對真實世界的補充，而不是完全替代真實世界。顯示技術(shù)和跟蹤注冊技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，也是研究的重點本文簡要介紹了頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示等顯示技術(shù)以及跟蹤注冊技術(shù)。最后提到了目前增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用和將來的發(fā)展方向。

引 言

增強現(xiàn)實(Augmented Reality 簡稱AR) 技術(shù)是近年來的一個研究熱點，有著廣泛的應(yīng)用前景。它是對現(xiàn)實世界的補充，使得虛擬物體從感官上成為周圍真實環(huán)境的組成部分。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality 簡稱VR)不同，增強現(xiàn)實只是實現(xiàn)對現(xiàn)實環(huán)境的增強，加深了對現(xiàn)實環(huán)境的感受。

增強現(xiàn)實增強了用戶對現(xiàn)實世界的感知能力和與現(xiàn)實世界的交互能力如圖【1】。

Milgram根據(jù)用戶界面中計算機(jī)生成信息的比例的大小定義了一個真實環(huán)境到虛擬環(huán)境連續(xù)體，他認(rèn)為增強現(xiàn)實是混合現(xiàn)實環(huán)境中的一部分。

1 增強現(xiàn)實的顯示技術(shù)

增強現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計最基本的問題就是實現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實世界的融合。顯示技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的基本技術(shù)之一。一般而言，可以把增強現(xiàn)實的顯示技術(shù)分為以下幾類：頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示。

1.1 頭盔顯示器(Head-mounted display, 簡稱HMD)顯示

現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人機(jī)界面中大多采用頭盔顯示真實世界器。主要原因是頭盔顯示器較其他幾種顯示技術(shù)而言沉浸感最強。因為用于增強顯示系統(tǒng)的頭盔顯示器能夠看到周圍的真實環(huán)境，所以叫做透視式(see-through)頭盔顯示器。

透視式頭盔顯示器一般分為視頻透視式(Vedio seethrough)和光學(xué)透視式(Optical see-through )。前者是利用攝像機(jī)對真實世界進(jìn)行同步拍攝，將信號送入虛擬現(xiàn)實工作站在虛擬工作站中將虛擬場景生成器生成的虛擬物體同真實世界中采集的信息融合，然后輸出到頭盔顯示器。而后者則是利用光學(xué)組合儀器直接將虛擬物體同真實世界在人眼中融合，實現(xiàn)增強(如 圖2).

還有一種更為奇特的方法是虛擬視網(wǎng)膜顯示技術(shù)(Virtual Retinal Display 簡稱VRD )。華盛頓大學(xué)的人機(jī)界面實驗室(HIT Lab) 研究出的VRD 是通過將低功率的激光直接投射到人眼的視網(wǎng)膜上，從而將虛擬物體添加到現(xiàn)實世界中來。

1.2 投影式顯示projection display

投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強的物體上，從而實現(xiàn)增強。日本Chuo 大學(xué)研究出的PARTNER 增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以用于人員訓(xùn)練，并且使一個沒有受過訓(xùn)練的試驗人員通過系統(tǒng)的提示，成功地拆卸了一臺便攜式OHP(Over Head Projector)。

另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機(jī)(Head-Mounted Projective Display 簡稱HMPD)來進(jìn)行投影。美國伊利諾斯洲立大學(xué)和密歇根洲立大學(xué)的一些研究人員研究出一種HMPD 的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個微型投影鏡頭一個戴在頭上的顯示器和一個雙面自反射屏幕組成。

由計算機(jī)生成的虛擬物體顯示在HMPD 的微型顯示器上，虛擬物體通過投影鏡頭折射后再由與視線成45 的分光器反射到自反射的屏幕上面。自反射的屏幕將入射光線沿入射角反射回去進(jìn)入人眼中從而實現(xiàn)了虛擬物體與真實環(huán)境的重疊(如圖3 所示)。

1.3 手持式顯示器(Hand Held Display 簡稱HHD)顯示

通過采用攝像機(jī)等其他輔助部件，一些增強現(xiàn)實系統(tǒng)采用了手持式顯示器。美國華盛頓大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實驗室設(shè)計出了一個便攜式的MagicBook 增強現(xiàn)實系統(tǒng) 。該系統(tǒng)采用一種基于視覺的跟蹤方法把虛擬的模型重疊在真實的書籍上，產(chǎn)生一個增強現(xiàn)實的場景同時該界面也支持多用戶的協(xié)同工作。日本的SONY計算機(jī)科學(xué)實驗室也研究出一種手持式顯示器，利用這種顯示器，構(gòu)建了TransVision 協(xié)同式工作環(huán)境。

1.4 普通顯示器顯示Monitor-based Display

增強現(xiàn)實系統(tǒng)也可以采用普通顯示器顯示。在這種系統(tǒng)中，通過攝像機(jī)獲得的真實世界的圖像與計算機(jī)生成的虛擬物體合成之后在顯示器輸出。在需要時也可以輸出為立體圖像這時需要用戶戴上立體眼鏡。

2 增強現(xiàn)實的注冊技術(shù)

注冊技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，注冊實際上就是將計算機(jī)生成的虛擬物體和真實環(huán)境中景象“對齊”的過程。注冊必須先確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后通過正確的幾何投影將虛擬物體投影到觀察者的視野中。注冊一般分為動態(tài)注冊和靜態(tài)注冊。動態(tài)注冊是攝像機(jī)與真實物體相對運動的情況下，確定二者的相對位置靜態(tài)注冊是攝像機(jī)與真實物體相對靜止的情況下確定二者的相對位置。 在目前的增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，絕大多數(shù)是采用的動態(tài)注冊。動態(tài)注冊技術(shù)一般可以分為兩種，基于跟蹤器的注冊技術(shù)和基于視覺的注冊技術(shù)。

2.1 基于跟蹤器的注冊技術(shù)

跟蹤的主要目的是記錄真實世界里的觀察者的方向和位置，以便保持虛擬空間和真實空間的連續(xù)性，實現(xiàn)精確的注冊一般主要有以下幾種：跟蹤技術(shù)飛行時間定位跟蹤、機(jī)構(gòu)聯(lián)接、跟蹤相差跟蹤、場跟蹤、復(fù)合跟蹤系統(tǒng)。

1) 飛行時間(Time of Flight,簡稱TOF)定位跟蹤系統(tǒng)

這種方法就是利用一些手段測量運動目標(biāo)和參照物之間的距離，然后推導(dǎo)出運動目標(biāo)在虛擬環(huán)境中的坐標(biāo)。前提是假定脈沖信號的傳播速度為常數(shù)，通過測定接收裝置接收相臨兩次脈沖信號之間的時間來確定運動目標(biāo)相對于參照物的距離。

2) 機(jī)構(gòu)聯(lián)接跟蹤系統(tǒng)