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

最為典型的機(jī)構(gòu)聯(lián)接跟蹤方式是直接用機(jī)構(gòu)聯(lián)接參照物和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。機(jī)械式的跟蹤一般可以分為兩類:一種各種機(jī)構(gòu)的組合,另外一種就是采用彈簧來聯(lián)接.當(dāng)彈簧處于張緊狀態(tài)時(shí),就可以通過彈簧的參數(shù)計(jì)算出距離.

3) 相差(phase difference )跟蹤系統(tǒng)

相差跟蹤系統(tǒng)是通過測(cè)量參照物和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的同頻率信號(hào)的相位差來進(jìn)行跟蹤的.采用的信號(hào)大多數(shù)是超聲波信號(hào),它的缺點(diǎn)就是會(huì)有誤差積累,同時(shí)超聲波信號(hào)易受環(huán)境的溫度濕度和超聲波噪聲的影響.其優(yōu)點(diǎn)就是能夠有比較高的數(shù)據(jù)采集速度比TOF 超聲波跟蹤系統(tǒng)有更高的精度.

4) 場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)

用來跟蹤的場(chǎng)包括電磁場(chǎng)和重力場(chǎng),用得比較普遍的是電磁場(chǎng).電磁場(chǎng)跟蹤采用的是線圈作為信號(hào)發(fā)生器,通過測(cè)量通過接收器的磁通量就可以確定接收器和信號(hào)源之間的相對(duì)距離.

電磁場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)價(jià)格便宜結(jié)構(gòu)緊湊而且重量輕廣泛應(yīng)用于各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中.另外一種場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)是基于重力場(chǎng)的,采用的測(cè)量?jī)x器一般是傾角計(jì)和加速度計(jì).

5) 復(fù)合跟蹤系統(tǒng)

復(fù)合跟蹤系統(tǒng)指的是在同一增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中采用兩種以上的跟蹤方式,以實(shí)現(xiàn)各種跟蹤方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).但是復(fù)合跟蹤系統(tǒng)往往會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本.

2.2 基于視覺的注冊(cè)技術(shù)

基于視覺的注冊(cè)是通過給定的一幅或者多幅圖像來確定攝像機(jī)和真實(shí)世界中目標(biāo)的相對(duì)位置和方向.就目前的研究情況來看基于視覺的注冊(cè)主要有兩種情況,一種是事先對(duì)相機(jī)定標(biāo),對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析.計(jì)算相機(jī)的位置;另外一種是通過仿射變換來實(shí)現(xiàn)注冊(cè)。

1) 通過對(duì)相機(jī)定標(biāo)注冊(cè)

相機(jī)定標(biāo)就是獲取相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)然后根據(jù)這些參數(shù)和獲取的圖像來計(jì)算相機(jī)的位置和方向。這實(shí)際上是一個(gè)從三維場(chǎng)景到二維成像平面的轉(zhuǎn)換過程。通常關(guān)心的相機(jī)參數(shù)包括鏡頭的焦距以及傳感器像元的高度、寬度、高寬比等。

國內(nèi)也有研究人員從事動(dòng)態(tài)注冊(cè)的研究[3]。文獻(xiàn)[3]介紹了相機(jī)定標(biāo)以及跟蹤的算法，并且以PC 為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)算法。

2) 通過仿射變換注冊(cè)

通過仿射變換注冊(cè)實(shí)際上是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)運(yùn)用。Konenderink 等人曾提出，給定三維空間中任何至少四個(gè)不共面的點(diǎn)空間中任何一個(gè)點(diǎn)的投影變換都可以用這四個(gè)點(diǎn)的變換結(jié)果的線性組合來表示。

通過引入全局仿射坐標(biāo)系的定義，將虛擬物體和真實(shí)世界置于同一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系下面，從而很方便地實(shí)現(xiàn)了注冊(cè)。不僅如此該注冊(cè)方法也實(shí)現(xiàn)了深度的估計(jì)。國

外Kiriakos等人也討論過類似的系統(tǒng)，并且通過該方法設(shè)計(jì)出了具體的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 。通過仿射變換實(shí)現(xiàn)注冊(cè)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)注冊(cè)技術(shù)的一個(gè)突破它繞開了傳統(tǒng)的跟蹤、定標(biāo)等一些繁瑣而且容易出現(xiàn)較大誤差的注冊(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了通過計(jì)算機(jī)視覺的分析進(jìn)行注冊(cè)。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)用

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)既有虛擬的成分，同時(shí)也有現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為除了現(xiàn)實(shí)世界之外的最有沉浸感的環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將成為一種新型的媒介，逐漸深入到從醫(yī)學(xué)到軍事等各個(gè)領(lǐng)域。

3.1 醫(yī)學(xué)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)運(yùn)用到醫(yī)療中，可以使外科醫(yī)生在給病人動(dòng)手術(shù)的過程中，看到注冊(cè)到病人身體上的CT 或者M(jìn)RI 圖像。不僅如此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療教育培訓(xùn)中。另外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還可用于虛擬人體解剖圖、虛擬人體功能、虛擬手術(shù)模擬、遠(yuǎn)程手術(shù)等并且可以用于康復(fù)醫(yī)療。

3.2 娛樂

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種娛樂活動(dòng)中。虛擬演播室技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在傳統(tǒng)視頻合成技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的結(jié)果。 同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于各種游戲體育比賽的轉(zhuǎn)播等。

3.3 機(jī)器人技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于機(jī)器人視覺、遙控機(jī)器人等方面。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給空間機(jī)器人的操作員一個(gè)具有沉浸感的環(huán)境，使得操作起來更容易。除了空間機(jī)器人以外在許多諸如采礦深海潛水等許多危險(xiǎn)的工作環(huán)境中，也可以采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

3.4 制造維護(hù)和維修

當(dāng)設(shè)備維護(hù)人員在維護(hù)一臺(tái)陌生的設(shè)備的時(shí)候，往往需要看很多的手冊(cè)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則可以避免這一點(diǎn)日本Chuo 大學(xué)工業(yè)和系統(tǒng)工程系研究出的PARTNER 系統(tǒng)就指導(dǎo)了一個(gè)沒有經(jīng)過訓(xùn)練的人員成功地拆卸了一臺(tái)投影機(jī)。這種系統(tǒng)一般是用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為維護(hù)人員提供輔助信息。

3.5 其他

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還廣泛運(yùn)用于軍事訓(xùn)練、商業(yè)等領(lǐng)域。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)中的應(yīng)用主要是用于廣告業(yè)例如在體育比賽轉(zhuǎn)播中插入廣告等。Daniela Hall等人還研制出了一種用于辦公室環(huán)境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Magicboard，華盛頓大學(xué)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展展望

雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近20 年來取得了很大的發(fā)展，但是還是存在很多技術(shù)方面的難題。例如透視式系統(tǒng)沒有足夠的亮度、分辨率和對(duì)比度。目前的大多數(shù)系統(tǒng)都是運(yùn)用于預(yù)知的環(huán)境中，而在非預(yù)知的環(huán)境中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較少。同時(shí)，如果增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)用于戶外用戶必須戴上計(jì)算機(jī)、傳感器、顯示器、電池等許多設(shè)備。從而使得系統(tǒng)顯得笨重，所以系統(tǒng)的微型化和低能耗也是一個(gè)重要的研究方向。

在網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)展的今天，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化也是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。通過網(wǎng)絡(luò)，可以減少一些裝備，同時(shí)也可以大大提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的效能。圖4 是Keith 等提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的構(gòu)想圖，通過GPS 無線接入網(wǎng)絡(luò)可以將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)連上因特網(wǎng)。

和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不同,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高。前者的某些數(shù)據(jù)可以事先計(jì)算好，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬物體必須實(shí)時(shí)地生成，并被準(zhǔn)確地描繪到現(xiàn)實(shí)世界的景象中。這就要求降低系統(tǒng)的延遲性，提高軟件的計(jì)算速度。

5 結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，它包括計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、GPS等許多技術(shù)在現(xiàn)實(shí)化的增強(qiáng)顯示中，人們能夠把真實(shí)世界和電腦圖形重合在一起，便可以得到對(duì)真實(shí)世界更深的理解。因此，AR被人們稱為“更真實(shí)的現(xiàn)實(shí)”。AR不僅在與VR有相似的應(yīng)用領(lǐng)域，但是由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境的增強(qiáng)輸出特性，在醫(yī)療研究和解剖訓(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VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)。相信隨著技術(shù)的日益成熟，AR將會(huì)走進(jìn)人們的生活，為人們接受。