增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加到用戶(hù)所在的真實(shí)世界的一種新興技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要分支。它提高了用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知能力，提供了人類(lèi)與世界溝通的新的方式，近年來(lái)受到研究者的廣泛關(guān)注。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義有兩種，一種是由Milgram P 和Kishino F 提出的：將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境放置在兩端，其中靠近真實(shí)環(huán)境的叫增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，靠近虛擬環(huán)境的叫增強(qiáng)虛擬，位于中間的叫混合現(xiàn)實(shí)；另一種是Azuma定義的：以虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)為特點(diǎn)，利用附加的圖片、文字信息對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行增強(qiáng)的技術(shù)。

與虛擬現(xiàn)實(shí)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)來(lái)計(jì)算虛擬物體在真實(shí)環(huán)境中的位置，通過(guò)將計(jì)算機(jī)中的虛擬物體或信息帶到真實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育等多個(gè)領(lǐng)域。

本文從跟蹤注冊(cè)技術(shù)、顯示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)3個(gè)方面概述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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

跟蹤注冊(cè)技術(shù)

對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的任務(wù)就是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前攝像機(jī)位置和姿態(tài)，判斷虛擬物體在真實(shí)世界中的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)世界的融合。其中攝像機(jī)位姿的獲取方法即為跟蹤注冊(cè)技術(shù)。從具體實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)，跟蹤注冊(cè)技術(shù)可以分為3類(lèi)：基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)及綜合視覺(jué)與傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

1）基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)主要通過(guò)硬件傳感器，如磁場(chǎng)傳感器、慣性傳感器、超聲波傳感器、光學(xué)傳感器、機(jī)械傳感器等對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤定位。

磁場(chǎng)傳感器根據(jù)磁發(fā)射信號(hào)與磁感應(yīng)信號(hào)之間的耦合關(guān)系獲得被測(cè)物體的空間方向信息，根據(jù)接收器的磁通量獲得接收器和信號(hào)源之間的相對(duì)位置信息。這類(lèi)設(shè)備一般較為輕巧，但環(huán)境中的金屬物質(zhì)會(huì)對(duì)磁場(chǎng)傳感器產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響跟蹤注冊(cè)的準(zhǔn)確性。慣性傳感器一般包括陀螺儀和加速度計(jì)等。陀螺儀可以用來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)方向；加速度計(jì)可以用來(lái)測(cè)量物體的加速度。兩者相結(jié)合就可以獲得物體的位置和方向。超聲波傳感器跟蹤根據(jù)不同聲源發(fā)出的超聲波到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間差、相位差和聲壓差實(shí)現(xiàn)跟蹤注冊(cè)。這類(lèi)方法受外界環(huán)境影響較大。光學(xué)傳感器通過(guò)分析接收到的反射光的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)跟蹤注冊(cè)。機(jī)械傳感器根據(jù)機(jī)械關(guān)節(jié)的物理連接來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)的位姿。綜合來(lái)看，基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)算法簡(jiǎn)單，獲取速度快，但設(shè)備較為昂貴，且容易受外界環(huán)境的影響。

2）基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

近年來(lái)圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)發(fā)展較快，一些較為成熟的技術(shù)已被應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的跟蹤注冊(cè)中?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)通過(guò)分析處理拍攝到的圖像數(shù)據(jù)信息識(shí)別和定位真實(shí)場(chǎng)景環(huán)境，進(jìn)而確定現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法一般只需要攝像機(jī)拍攝到的圖像信息，對(duì)硬件要求較低。

在實(shí)現(xiàn)方式上，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)方法可分為基于人工標(biāo)志的方法和基于自然特征的方法。

基于人工標(biāo)志的方法一般將包含有特定人工標(biāo)志的物體放置在真實(shí)場(chǎng)景中，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)采集到的圖像中的已知模板進(jìn)行識(shí)別獲得攝像機(jī)位姿，之后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系的變換即可將虛擬物體疊加到真實(shí)場(chǎng)景中。基于人工標(biāo)志的方法最具代表性的是ARToolkit和ARTag。ARToolkit通過(guò)使用人工標(biāo)志實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的跟蹤注冊(cè)，但其在遮擋敏感；ARTag采用數(shù)字編碼的方式在一定程度上增加了對(duì)遮擋的處理能力。圖1展示了ARToolkit 中人工標(biāo)志示例。圖2展示了ARTag中的人工標(biāo)志示例。

ARToolkit人工標(biāo)志示例

ARTag人工標(biāo)志示例

基于自然特征的方法通過(guò)提取圖像中的特征點(diǎn)，并計(jì)算場(chǎng)景中同一個(gè)三維點(diǎn)在二維圖像上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，優(yōu)化獲得三維點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置以及攝像機(jī)的位姿。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)與人工智能的發(fā)展，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）受到了人們的廣泛關(guān)注。這類(lèi)方法在跟蹤注冊(cè)的同時(shí)構(gòu)建場(chǎng)景地圖，具有運(yùn)算速度快、精度較高的優(yōu)點(diǎn)?；谧匀惶卣鞯姆椒ú恍枰藶榈卦谡鎸?shí)場(chǎng)景環(huán)境增加額外的信息，只需要跟蹤視頻中捕獲的場(chǎng)景中的自然特征，并經(jīng)過(guò)一系列幾何變換即可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的跟蹤注冊(cè)。相比基于人工標(biāo)志的方法，這類(lèi)方法更簡(jiǎn)單、方便，但自然特征數(shù)目與跟蹤效果的不穩(wěn)定將對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算速度和精度造成較大影響。

3）綜合視覺(jué)與傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

在一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)與基于傳感器的方法均不能獲得理想的跟蹤效果，因此，研究者綜合考慮二者的優(yōu)缺點(diǎn)，將二者結(jié)合起來(lái)，以獲得更優(yōu)的跟蹤注冊(cè)效果。香港科技大學(xué)沈劭劼課題組提出的視覺(jué)慣性導(dǎo)航（visual-inertial navigation system,VINS）系統(tǒng)將視覺(jué)與陀螺儀和加速度計(jì)信息深度融合，在無(wú)人機(jī)和手持移動(dòng)設(shè)備上均獲得了較好的跟蹤注冊(cè)效果；蘋(píng)果公司推出的ARKit和Google公司推出的ARCore增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)分別支持iOS和Android操作系統(tǒng)，為移動(dòng)端智能設(shè)備上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了無(wú)限可能。圖3展示了在ARKit和ARCore平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的移動(dòng)設(shè)備上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用示例。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用示例

顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最終目標(biāo)是為用戶(hù)呈現(xiàn)一個(gè)虛實(shí)融合的世界。因此，顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的重要組成部分。目前，常用的顯示設(shè)備有頭戴式顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備、手持式移動(dòng)顯示設(shè)備及投影顯示設(shè)備等。

1）頭戴式顯示設(shè)備

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求用戶(hù)可以觀察到現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)影像，頭戴式顯示設(shè)備主要是透視式頭盔顯示器。這類(lèi)設(shè)備的主要功能是將用戶(hù)所在環(huán)境中的真實(shí)信息與計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息融合，按真實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)方式可將其分為視頻透視式頭盔顯示器和光學(xué)透視式頭盔顯示器。

視頻透視式頭盔顯示器通過(guò)頭盔上一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)來(lái)獲取真實(shí)世界的實(shí)時(shí)影像，利用其中的圖像處理模塊和虛擬渲染模塊進(jìn)行融合，最終將虛實(shí)融合后的效果在頭盔顯示器上顯示出來(lái)。

微軟推出的Hololens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡采用全息技術(shù)，結(jié)合多個(gè)傳感器，將虛擬內(nèi)容投射成全息影像，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。這款眼鏡內(nèi)部集成了中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）和全息處理器（HPU），不需要連接任何其他設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)世界的交互。Meta公司推出的Meta2同樣是一款高沉浸感的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，其較Hololens 具有更大的視場(chǎng)角，但追蹤保真度仍有待優(yōu)化，且在使用過(guò)程中需要連接電腦進(jìn)行計(jì)算。圖4為Hololens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡與Meta2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡外觀。

Hololens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡（a）與Meta2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡（b）

光學(xué)透視式頭戴顯示器根據(jù)光的反射原理，通過(guò)多片光學(xué)鏡片的組合，為用戶(hù)產(chǎn)生虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景相互融合的畫(huà)面。與視頻透視式頭盔顯示器相比，光學(xué)透視式頭盔顯示器在顯示增強(qiáng)畫(huà)面時(shí)，不需要經(jīng)過(guò)圖像融合的過(guò)程，用戶(hù)看到的影像就是當(dāng)前的真實(shí)場(chǎng)景與虛擬信息的疊加。

Google公司推出的Google Glass是一款光學(xué)透視式頭盔顯示器，其經(jīng)過(guò)光學(xué)放大后將數(shù)據(jù)通過(guò)棱鏡顯示給用戶(hù)（圖5（a））。Google Glass可以通過(guò)聲音控制，實(shí)現(xiàn)拍照、視頻通話(huà)、全球定位系統(tǒng)（GPS）定位、文字處理、收發(fā)郵件等多種功能。Magic Leap公司發(fā)布了一款基于光場(chǎng)的頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備Magic Leap One（圖5（b））。這款設(shè)備利用外部攝像頭和計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理器實(shí)時(shí)追蹤用戶(hù)位置，同時(shí)在追蹤過(guò)程中可以不斷調(diào)整雙眼的焦距，并將包含有深度信息的圖像通過(guò)光場(chǎng)顯示器顯示出來(lái)。

Google Glass（a）與Magic Leap One（b）

2） 計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備

計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備作為傳統(tǒng)的輸出設(shè)備一般具有較高的分辨率，且體積較大。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，這類(lèi)設(shè)備更適用于將精細(xì)虛擬物體渲染并疊加于室內(nèi)或大范圍場(chǎng)景中。由于這類(lèi)設(shè)備沉浸感較弱，但價(jià)格較低，一般適用于低端或多用戶(hù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

3）手持式移動(dòng)顯示設(shè)備

手持式移動(dòng)顯示設(shè)備是一類(lèi)允許用戶(hù)手持的顯示設(shè)備。近年來(lái)智能移動(dòng)終端發(fā)展迅速，現(xiàn)有的智能手持設(shè)備大都配備了攝像頭、全球定位系統(tǒng)（GPS）和陀螺儀、加速度計(jì)等多種傳感器，更具備了高分辨率的大顯示屏，這為移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。與頭盔式顯示設(shè)備相比，手持式移動(dòng)顯示設(shè)備一般體積較小、重量較輕，便于攜帶，但沉浸感較弱，同時(shí)由于硬件的限制，不同設(shè)備的計(jì)算性能參差不齊。目前，隨著iOS系統(tǒng)下的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)ARKit和Android系統(tǒng)下的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)ARCore的發(fā)布，后續(xù)的多數(shù)新款智能移動(dòng)終端將支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

4）投影顯示設(shè)備

投影顯示設(shè)備可以將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)影像投影到大范圍環(huán)境，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)大屏幕顯示的需求。由于投影顯示設(shè)備生成圖像的焦點(diǎn)不會(huì)隨用戶(hù)視角發(fā)生變化，其更適用于室內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境。微軟研究院的RoomAlive項(xiàng)目將Kinect、投影儀、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)構(gòu)建房間的三維圖像將虛擬影像投影到整個(gè)房間，同時(shí)通過(guò)定位用戶(hù)位置實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。

人機(jī)交互技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目標(biāo)是構(gòu)建虛實(shí)融合的增強(qiáng)世界，使用戶(hù)能夠在現(xiàn)實(shí)世界中感受到近乎真實(shí)的虛擬物體，并提供人與這一增強(qiáng)的世界交互。在這一過(guò)程中，人機(jī)交互方式的好壞很大程度上影響了用戶(hù)的體驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的交互方式主要有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸控設(shè)備、麥克風(fēng)等，近年來(lái)還出現(xiàn)了一些更自然的基于語(yǔ)音、觸控、眼動(dòng)、手勢(shì)和體感的交互方式。

1）基于傳統(tǒng)的硬件設(shè)備的交互技術(shù)

鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、手柄等是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常見(jiàn)的交互工具，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)選中圖像中的某個(gè)點(diǎn)或區(qū)域，完成對(duì)該點(diǎn)或區(qū)域處虛擬物體的縮放、拖拽等操作。這類(lèi)方法簡(jiǎn)單易于操作，但需要外部輸入設(shè)備的支持，不能為用戶(hù)提供自然的交互體驗(yàn)，降低了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉沒(méi)感。

2）基于語(yǔ)音識(shí)別的交互技術(shù)

語(yǔ)言是人類(lèi)最直接的溝通交流方式。語(yǔ)言交互信息量大，效率高。因此，語(yǔ)音識(shí)別也成為了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的人機(jī)交互方式之一。近年來(lái)，人工智能的發(fā)展及計(jì)算機(jī)處理能力的增強(qiáng)，使得語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)日趨成熟并被廣泛應(yīng)用于智能終端上，其中最具代表性的是蘋(píng)果公司推出的Siri和微軟公司推出的Cortana，它們均支持自然語(yǔ)言輸入，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別獲取指令，根據(jù)用戶(hù)需求返回最匹配的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)交互，很大程度上提升了用戶(hù)的工作效率。

3）基于觸控的交互技術(shù)

基于觸控的交互技術(shù)是一種以人手為主的輸入方式，它較傳統(tǒng)的鍵盤(pán)鼠標(biāo)輸入更為人性化。智能移動(dòng)設(shè)備的普及使得基于觸控的交互技術(shù)發(fā)展迅速，同時(shí)更容易被用戶(hù)認(rèn)可。近年來(lái)，基于觸控的交互技術(shù)從單點(diǎn)觸控發(fā)展到多點(diǎn)觸控，實(shí)現(xiàn)了從單一手指點(diǎn)擊到多點(diǎn)或多用戶(hù)的交互的轉(zhuǎn)變，用戶(hù)可以使用雙手進(jìn)行單點(diǎn)觸控，也可以通過(guò)識(shí)別不同的手勢(shì)實(shí)現(xiàn)單擊、雙擊等操作。

4）基于動(dòng)作識(shí)別的交互技術(shù)

基于動(dòng)作識(shí)別的交互技術(shù)通過(guò)對(duì)動(dòng)作捕獲系統(tǒng)獲得的關(guān)鍵部位的位置進(jìn)行計(jì)算、處理，分析出用戶(hù)的動(dòng)作行為并將其轉(zhuǎn)化為輸入指令，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間的交互。微軟公司的Hololens采用深度攝像頭獲取用戶(hù)的手勢(shì)信息，通過(guò)手部追蹤技術(shù)操作交互界面上的虛擬物體。Meta公司的Meta2與Magic Leap公司的Magic Leap One同樣允許用戶(hù)使用手勢(shì)進(jìn)行交互。這類(lèi)交互方式不但降低人機(jī)交互的成本，而且更符合人類(lèi)的自然習(xí)慣，較傳統(tǒng)的交互方式更為自然、直觀，是目前人機(jī)交互領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

5）基于眼動(dòng)追蹤的交互技術(shù)

基于眼動(dòng)追蹤的交互技術(shù)通過(guò)捕獲人眼在注視不同方向時(shí)眼部周?chē)募?xì)微變化，分析確定人眼的注視點(diǎn)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的互動(dòng)，這一過(guò)程中無(wú)需手動(dòng)輸入。Magic Leap 公司的Magic Leap One在眼鏡內(nèi)部專(zhuān)門(mén)配備了用戶(hù)追蹤眼球動(dòng)作的傳感器，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)跟蹤眼睛控制計(jì)算機(jī)的目的。

AR 技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)維修、影視娛樂(lè)、醫(yī)療手術(shù)、教育培訓(xùn)等多個(gè)領(lǐng)域，并逐漸成為下一代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的主要方向。

工業(yè)制造與維修領(lǐng)域

在工業(yè)領(lǐng)域，制造與維修流程一般較為復(fù)雜，往往包含成百甚至上千個(gè)步驟。操作過(guò)程一旦發(fā)生錯(cuò)誤，將會(huì)造成巨大的損失。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⒁阎臄?shù)據(jù)信息正確的發(fā)送給流水線上的工人，如在用戶(hù)指向某一部位時(shí)系統(tǒng)顯示該部位的名稱(chēng)、功能等，從而減少錯(cuò)誤的發(fā)生，提高生產(chǎn)與維修效率。

在工廠中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還能從工業(yè)系統(tǒng)中捕獲信息，獲得每臺(tái)設(shè)備與操作流程的檢測(cè)和診斷數(shù)據(jù)并可視化，幫助維修人員找到可能出現(xiàn)問(wèn)題的源頭，并提醒工人進(jìn)行預(yù)防式維修，減少因設(shè)備損壞導(dǎo)致停工帶來(lái)的損失。Iconics公司將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入工業(yè)自動(dòng)軟件上，通過(guò)在理想位置投射相關(guān)信息，提高檢測(cè)設(shè)備或流程的效率。

市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和銷(xiāo)售領(lǐng)域

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)重新定義了產(chǎn)品展廳和演示的概念，并且完全顛覆了傳統(tǒng)的客戶(hù)體驗(yàn)。在購(gòu)買(mǎi)之前，用戶(hù)可以看到虛擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的狀態(tài)，促使他們做出更符合實(shí)際預(yù)期的購(gòu)買(mǎi)決策，進(jìn)而提升客戶(hù)的滿(mǎn)意度。

EasyAR與汽車(chē)之家聯(lián)合推出了AR看車(chē)軟件，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)App將虛擬的車(chē)輛放置在真實(shí)場(chǎng)景中，在購(gòu)車(chē)之前預(yù)覽其在道路上奔馳的效果（圖6）。瑞典宜家集團(tuán)推出了一款名為IKEA Place的家具類(lèi)應(yīng)用，用戶(hù)可以選擇自己喜歡的家具疊加上現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，避免在裝修過(guò)程中出現(xiàn)的家具尺寸不合適，風(fēng)格不統(tǒng)一等問(wèn)題（圖7）。

“AR看車(chē)”手機(jī)應(yīng)用軟件效果

“IKEA Place”手機(jī)應(yīng)用軟件效果

醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)手術(shù)導(dǎo)航是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用之一。由于很多醫(yī)學(xué)手術(shù)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，任何小操作誤差都可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)CT或醫(yī)學(xué)磁共振成像（MRI）進(jìn)行三維建模，并通過(guò)將構(gòu)建的模型與病人身體精確的配準(zhǔn)，為醫(yī)生提供現(xiàn)實(shí)與虛擬疊加的影像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療手術(shù)的導(dǎo)航作用。

Surgiceye公司在很多外科手術(shù)案例中引入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如在外科手術(shù)中，醫(yī)生可以直接通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)“查看”病人身體內(nèi)部、骨骼等信息。在實(shí)際應(yīng)用中，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與常規(guī)診斷的顯示方式相結(jié)合，幫助醫(yī)生精確的找到病理位置。

軍事領(lǐng)域

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將真實(shí)世界與虛擬世界融合起來(lái)，同時(shí)允許用戶(hù)實(shí)時(shí)交互，其被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的多個(gè)方面，在數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮了巨大作用。

在戰(zhàn)場(chǎng)上，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息。根據(jù)輸入的部隊(duì)位置信息，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅能向部隊(duì)顯示真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景，同時(shí)能夠疊加額外的環(huán)境信息以及敵我雙方的隱藏力量，實(shí)現(xiàn)多種戰(zhàn)場(chǎng)信息的可視化。

在軍事訓(xùn)練中，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的真實(shí)性有很高的要求；同時(shí)，很多環(huán)節(jié)需要反復(fù)多次，對(duì)裝備消耗大。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入不僅可以提供更為真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，達(dá)到實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的效果，還允許士兵在進(jìn)行反復(fù)操作，增加訓(xùn)練次數(shù)的同時(shí)減少對(duì)裝備的消耗。

此外，考慮戰(zhàn)場(chǎng)上指揮員對(duì)信息的掌握的重要性，引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使各級(jí)指揮官同時(shí)觀看戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及疊加的各種信息，并與之進(jìn)行交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指揮中心與各級(jí)戰(zhàn)斗人員之間的信息的快讀傳輸與高度共享。指揮員在快速下達(dá)指揮命令的同時(shí)了解各個(gè)作戰(zhàn)單元的情況，將地理上分散的小組聯(lián)合成一個(gè)協(xié)同合作的整體。

影視、娛樂(lè)、游戲領(lǐng)域

在電視、電影制作方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在真實(shí)拍攝的場(chǎng)景上，加入現(xiàn)實(shí)中不存在的虛擬景象或人物，如汽車(chē)爆炸、恐龍、科幻世界等。這種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的“所見(jiàn)即所得”的拍攝方式，大大簡(jiǎn)化電視、電影制作中動(dòng)畫(huà)特效帶來(lái)的工作量，降低制作成本。

在娛樂(lè)、游戲方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用來(lái)提供各種體驗(yàn)項(xiàng)目，如將遠(yuǎn)古時(shí)代的恐龍、深海中的鯊魚(yú)等不可能出現(xiàn)的動(dòng)物放置到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，滿(mǎn)足人們的好奇心；也可以將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景變身為戰(zhàn)場(chǎng)，使用戶(hù)能夠在虛實(shí)融合的世界里與別的玩家進(jìn)行對(duì)抗。近年來(lái)最具代表性的就是任天堂公司開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲Pokeman Go，打開(kāi)攝像頭用戶(hù)就可以捕捉現(xiàn)實(shí)世界中出現(xiàn)的小精靈并進(jìn)行戰(zhàn)斗。

教育領(lǐng)域

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種沉沒(méi)式的學(xué)習(xí)方式，可以將豐富的資源信息和其他數(shù)據(jù)整合到用戶(hù)能夠觀察到的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，為師生提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升主觀積極性。同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠構(gòu)建目標(biāo)對(duì)象的三維建模并顯示，學(xué)生可以通過(guò)從不同視角觀察模型，并與虛擬的模型進(jìn)行交互，增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的理解。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)削弱了位置、空間的限制，教師可以在課上或遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生，彌補(bǔ)了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中設(shè)備的不足，實(shí)現(xiàn)資源共享。

美國(guó)Z-Space公司開(kāi)發(fā)出了一系列面向普通教育的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了老師、學(xué)生及三維場(chǎng)景之間的交互。

古跡復(fù)原與數(shù)字化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是室內(nèi)博物館導(dǎo)覽，它通過(guò)在文物上疊加虛擬的文字、視頻信息，為游客提供更多的文物導(dǎo)覽解說(shuō)。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以利用采集到的數(shù)據(jù)復(fù)原再現(xiàn)文物古跡，將極具真實(shí)感的虛擬影像展現(xiàn)在游客眼前，為游客提供身臨其境的視覺(jué)體驗(yàn)。

Archeoguide 是一款基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的文物遺跡向?qū)?，通過(guò)GPS粗定位，能夠?yàn)橛慰驼宫F(xiàn)古跡復(fù)原后的希臘奧林匹亞神廟。由北京理工大學(xué)王涌天課題組研究的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圓明園景觀數(shù)字重建技術(shù)將部分圓明園遺址做很好的還原，真實(shí)感很強(qiáng)，游客可以從圓明園廢墟前看到重建后的皇家園林。

結(jié) 論

近年來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)與人工智能技術(shù)的推動(dòng)下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，無(wú)論是跟蹤注冊(cè)精度、顯示設(shè)備性能，還是人機(jī)交互自然性上都有很大提高，但也可以看出，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚有許多問(wèn)題有待解決。從跟蹤注冊(cè)技術(shù)上來(lái)說(shuō)，目前的跟蹤注冊(cè)方法只能對(duì)場(chǎng)景中少量的信息加以利用，如特征點(diǎn)信息，這造成系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的理解不完整；從顯示技術(shù)上來(lái)說(shuō)，能夠?yàn)橛脩?hù)提供高沉沒(méi)感的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡在體積和價(jià)格上還不能滿(mǎn)足大眾的需求；從交互方式上來(lái)說(shuō)，更為自然的、支持多用戶(hù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)仍有待研究。

雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有許多瓶頸，但大量的應(yīng)用研究分析表明，它具有巨大的應(yīng)用前景。在未來(lái)幾年里，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，特別是在移動(dòng)智能終端上的應(yīng)用，將會(huì)大量涌現(xiàn)。雖然與頭盔顯示設(shè)備相比，移動(dòng)設(shè)備沉沒(méi)感不強(qiáng)，但其具有很高的普及性；同時(shí)，ARKit、ARCore開(kāi)發(fā)平臺(tái)的推出，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與智能移動(dòng)設(shè)備的結(jié)合。在未來(lái)的發(fā)展中，更能發(fā)揮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的智能穿戴設(shè)備將為人類(lèi)創(chuàng)造更為真實(shí)的虛實(shí)融合世界，人們可以通過(guò)更自然的人機(jī)交互方式與系統(tǒng)進(jìn)行交互。未來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在很大程度上改變?nèi)祟?lèi)生活，是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(文章轉(zhuǎn)自科技導(dǎo)報(bào)）