增強現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)組成及實用領(lǐng)域綜合分析教學(xué)總結(jié)

1、此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除增強現(xiàn)實 (AR) 系統(tǒng)組成及實用領(lǐng)域綜合分析一、相關(guān)定義解析（一）虛擬現(xiàn)實定義虛擬現(xiàn)實（ VirtualReality ， VR ）是指采用計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成一種虛擬環(huán)境，用戶借助特殊的輸入 /輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進(jìn)行自然的交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。即虛擬現(xiàn)實是以沉浸性、 交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機高級人機界面， 綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬

2、境界中， 并能夠通過語言、 手勢等自然的方式與之進(jìn)行實時交互， 創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。圖表虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本原理資料來源：產(chǎn)研智庫（二）增強現(xiàn)實定義增強現(xiàn)實 （ Augmented Reality ，簡稱 AR ），是一種利用計算機系統(tǒng)產(chǎn)生三維信息來增強用戶對現(xiàn)實世界感知的新技術(shù)。一般認(rèn)為，AR 技術(shù)的出現(xiàn)源于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（ Virtual Reality ，簡稱 VR ）的發(fā)展，但二者存在明顯的差別。傳統(tǒng)VR 技術(shù)給予用戶一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創(chuàng)造一個世界；而 AR 技術(shù)則把計算機帶入到用戶的真實世界中，通過聽、看、摸、聞虛擬信息， 來增強對現(xiàn)實世界的感知，實現(xiàn)了從

3、“人去適應(yīng)機器”到技術(shù) “以人為本”的轉(zhuǎn)變。只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除圖表增強現(xiàn)實技術(shù)原理資料來源：產(chǎn)研智庫（三）混合現(xiàn)實定義混合現(xiàn)實技術(shù)（ Mixed Reality ，簡稱 MR ）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實場景信息， 在虛擬世界、 現(xiàn)實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。圖表VR、 AR及 MR關(guān)系圖資料來源：產(chǎn)研智庫二、增強現(xiàn)實系統(tǒng)組成分析（一） Monitor-based 系統(tǒng)只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除在基于計算機顯示器的AR 實現(xiàn)方案中，攝像機攝取的真實世界

4、圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器，用戶從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套最簡單使用的AR 實現(xiàn)方案。 由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR 系統(tǒng)研究者們大量采用。圖表Monitor-based增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)方案資料來源：產(chǎn)研智庫（二） Video see-through 系統(tǒng)頭盔式顯示器（Head-mounted displays-HMD ）被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現(xiàn)實技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR 中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD 。根據(jù)具體實現(xiàn)原理又劃

5、分為兩大類，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式 HMD （ video see-through HMD ）和基于光學(xué)原理的穿透式HMD （ optical see-throughHMD ）。圖表Video see-through增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)方案資料來源：產(chǎn)研智庫只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除（三） Optical see-through 系統(tǒng)在上述的兩套系統(tǒng)實現(xiàn)方案中，輸入計算機中的有兩個通道的信息，一個是計算機產(chǎn)生的虛擬信息通道，一個是來自于攝像機的真實場景通道。而在 optical see-through HMD實現(xiàn)方案中去處了后者，真實場景的圖像經(jīng)過一定的減光

6、處理后，直接進(jìn)入人眼， 虛擬通道的信息經(jīng)投影反射后再進(jìn)入人眼，兩者以光學(xué)的方法進(jìn)行合成。圖表Optical See-through增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)方案資料來源：產(chǎn)研智庫（四）三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能比較三種 AR 顯示技術(shù)實現(xiàn)策略在性能上各有利弊。在基于 monitor-based 和 video see-through顯示技術(shù)的AR 實現(xiàn)中， 都通過攝像機來獲取真實場景的圖像，在計算機中完成虛實圖像的結(jié)合并輸出。 整個過程不可避免的存在一定的系統(tǒng)延遲，這是動態(tài) AR 應(yīng)用中虛實注冊錯誤的一個主要產(chǎn)生原因。但這時由于用戶的視覺完全在計算機的控制之下，這種系統(tǒng)延遲可以通過計算機內(nèi)部虛實兩個通道的協(xié)調(diào)配

7、合來進(jìn)行補償。而基于optical see-through 顯示技術(shù)的 AR 實現(xiàn)中，真實場景的視頻圖像傳送是實時的，不受計算機控制，因此不可能用控制視頻顯示速率的辦法來補償系統(tǒng)延遲。只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除圖表三種 AR顯示技術(shù)實現(xiàn)原理示意圖資料來源：產(chǎn)研智庫另外，在基于 monitor-based 和 video See-through 顯示技術(shù)的AR 實現(xiàn)中， 可以利用計算機分析輸入的視頻圖像，從真實場景的圖像信息中抽取跟蹤信息（基準(zhǔn)點或圖像特征），從而輔助動態(tài)AR 中虛實景象的注冊過程。而基于optical see-through 顯示技術(shù)的AR 實現(xiàn)

8、中，可以用來輔助虛實注冊的信息只有頭盔上位置傳感器。三、增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈全景中國增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)主要參與者由生態(tài)級增強現(xiàn)實公司、增強現(xiàn)實軟件公司、增強現(xiàn)實硬件公司、 增強現(xiàn)實衍生品公司構(gòu)成。增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)茄邪l(fā)主導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)鏈，誰掌握核心底層技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)， 誰就能成為產(chǎn)業(yè)鏈的主角。因此，擁有核心底層技術(shù)的增強現(xiàn)實軟件公司占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的主導(dǎo)地位，是行業(yè)發(fā)展的制約因素。這些公司融合跟蹤定位技術(shù)、用戶交互技術(shù)、虛擬融合技術(shù)等； 增強現(xiàn)實核心底層技術(shù)， 推出增強現(xiàn)實軟件應(yīng)用開發(fā)軟件工具， 以幫助增強現(xiàn)實硬件公司和衍生品公司的發(fā)展便捷地進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)或創(chuàng)意內(nèi)容開發(fā)。只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)

9、站刪除圖表中國增強現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈地圖資料來源：產(chǎn)研智庫四、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實對比分析（一）側(cè)重點不同VR 強調(diào)用戶在虛擬環(huán)境中視覺、聽覺、觸覺等感官的完全浸沒，強調(diào)將用戶的感官與現(xiàn)實世界絕緣而沉浸在一個完全由計算機所控制的信息空間之中。AR 不僅不隔離周圍的現(xiàn)實環(huán)境，而且強調(diào)用戶在現(xiàn)實世界的存在性并努力維持其感官效果的不變性。 AR 系統(tǒng)致力于將計算機產(chǎn)生的虛擬環(huán)境與真實環(huán)境融為一體，從而增強用戶對真實環(huán)境的理解。（二）技術(shù)不同VR 側(cè)重于創(chuàng)作出一個虛擬場景供人體驗。AR 強調(diào)復(fù)原人類的視覺的功能，比如自動識別跟蹤物體，而不是手動指出；自動跟蹤并且對周圍真實場景進(jìn)行3D 建模，而不是照著場景做一個

10、極為相似的。（三）設(shè)備不同VR 通常需要借助能夠?qū)⒂脩粢曈X與現(xiàn)實環(huán)境隔離的顯示設(shè)備，一般采用浸沒式頭盔顯示器。AR 需要借助能夠?qū)⑻摂M環(huán)境與真實環(huán)境融合的顯示設(shè)備。只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除（四）交互區(qū)別因為 VR 是純虛擬場景，所以 VR 裝備更多的是用于用戶與虛擬場景的互動交互，更多的使用是：位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動捕系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等等。由于 AR 是現(xiàn)實場景和虛擬場景的結(jié)合，所以基本都需要攝像頭，在攝像頭拍攝的畫面基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬畫面進(jìn)行展示和互動，比如Google Glass。（五）應(yīng)用區(qū)別虛擬現(xiàn)實強調(diào)用戶在虛擬環(huán)境中的視覺、 聽覺、觸覺等感官的完全浸沒

11、， 對于人的感官來說，它是真實存在的，而對于所構(gòu)造的物體來說，它又是不存在的。因此，利用這一技術(shù)能模仿許多高成本的、 危險的真實環(huán)境。 因而其主要應(yīng)用在虛擬教育、 數(shù)據(jù)和模型的可視化、軍事仿真訓(xùn)練、工程設(shè)計、城市規(guī)劃、娛樂和藝術(shù)等方面。增強現(xiàn)實并非以虛擬世界代替真實世界，而是利用附加信息去增強使用者對真實世界的感官認(rèn)識。 因而其應(yīng)用側(cè)重于輔助教學(xué)與培訓(xùn)、醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、軍事偵察及作戰(zhàn)指揮、精密儀器制造和維修、遠(yuǎn)程機器人控制、娛樂等領(lǐng)域。五、增強現(xiàn)實國內(nèi)外市場比較（一）硬件配置國外 AR 頭戴顯示器配置全息處理器、景深攝像頭、高精度傳感器等超越Google Glass的硬件。中國大部分AR

12、頭戴顯示器是在Google Glass 基礎(chǔ)上，改進(jìn)交互方式、佩戴方式、電池容量、分辨率等。（二）特色功能國外 AR 頭戴顯示器可實現(xiàn)實時環(huán)境掃描、實時三維建模、 與全息圖像交互等超越手機的功能。中國 AR 頭戴顯示器功能基本是：拍照、攝像、發(fā)短信、通話、導(dǎo)航、上網(wǎng)，僅 Baidu Eye 具備基于深度學(xué)習(xí)的推送、識別功能。（三）應(yīng)用場景國外 AR 頭戴顯示器可應(yīng)用于三維設(shè)計、 三維游戲、輔助醫(yī)療教學(xué)等領(lǐng)域。 中國大部分 AR 頭戴顯示器由于功能與 Google Glass 相似，應(yīng)用場景基本相同?？傮w來看，中國 AR 頭戴顯示器市場處于行業(yè)初期，相比國外市場，價格具有優(yōu)勢，但自主創(chuàng)新能力不足

13、。目前國內(nèi)增強現(xiàn)實頭戴顯示器市場盈利模式主要以硬件銷售為主，行業(yè)定制化軟件開發(fā)盈利處于探索期；按照產(chǎn)品定位，行業(yè)用戶分別針對商業(yè)市場、消費級市場用戶；市場主要參與者中國市場AR 頭戴顯示器參與者較少，除百度、聯(lián)想以外，以初創(chuàng)公司為主。六、增強現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域分析（一）工業(yè)制造只供學(xué)習(xí)與交流此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除通過頭戴顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備零件圖等。（二）醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)生可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)， 在患者需要進(jìn)行手術(shù)的部位創(chuàng)造虛擬坐標(biāo)， 進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位。醫(yī)生們?nèi)缃窨梢允褂肁R 技術(shù)作為外科手術(shù)的可視化和培訓(xùn)設(shè)備。使用磁共振成像

14、（Magnetic Resonance Imaging ）、計算機斷層掃描（ Computed Tomography scans）、超聲波圖像診斷（ ultrasound imaging ）等非侵入式傳感器，可以實時的收集到一個病人的三維影像數(shù)據(jù)集。 這些數(shù)據(jù)集可以實時得到渲染，并和病人實體進(jìn)行結(jié)合。在效果上來看，這會讓醫(yī)生得到病人體內(nèi)的 “體內(nèi) X 射線視圖”。在最低創(chuàng)傷外科手術(shù)（小刀口或者不需要刀口的手術(shù)，從而減小創(chuàng)傷） 中，這將變得尤其有用。因為在一般的最低創(chuàng)傷外科手術(shù)中，醫(yī)生很難看到病人體內(nèi)的狀況，這使得手術(shù)變得尤其困難。AR 技術(shù)卻能在這時提供體內(nèi)視圖，而完全不需要刀口。AR 當(dāng)然也

15、可以在外科病房中的日常的可視化任務(wù)上發(fā)揮作用。外科醫(yī)生可以使用裸眼，發(fā)現(xiàn)一些他們單獨在MRI 或者 CT 中無法看到的病人生理特征。AR 可以讓外科醫(yī)生們同時得到這兩種視圖。這樣的視圖還能用于執(zhí)行一些精準(zhǔn)操作，例如，在外科頭部手術(shù)中顯示在頭蓋骨的哪里鉆孔，或者對一個小腫瘤執(zhí)行穿刺活檢。從非侵入式傳感器得到的信息，將和病人實體結(jié)合并顯示出來，精準(zhǔn)的告訴醫(yī)生從哪里開始他的手術(shù)。（三）軍事領(lǐng)域軍隊可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)， 創(chuàng)造出虛擬坐標(biāo)以及所在地點的地理數(shù)據(jù)， 幫助士兵進(jìn)行方位的識別，獲得實時所在地點的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。（四）電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域通過增強現(xiàn)實技術(shù)可以在轉(zhuǎn)播體育比賽的時候?qū)崟r的將輔助信息（比如球員數(shù)據(jù)） 疊加到轉(zhuǎn)播畫面中，使得觀眾可以得到更多的信息。（五）娛樂游戲領(lǐng)域增強現(xiàn)實游戲可以讓位于不同地點的玩家，結(jié)合GPS 和陀螺儀，以真實世界為游戲背景，加入虛擬元素，使游戲虛實結(jié)