AR技術(shù)介紹與分析

1、AR技術(shù)在機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用摘要：隨著AR 技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛和深入，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些可供科研的AR系統(tǒng)。AR技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)的巨大飛躍，使工業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)從手工、二維圖紙方式，轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)+虛擬的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、維修的新型流程，效率的大規(guī)模提高和成本的大規(guī)模減少，為行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的良性的循環(huán)。關(guān)鍵詞：AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）；VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）；機(jī)械工業(yè)流程1 AR技術(shù)介紹AR技術(shù)向人類(lèi)提供了一種在一般情況下不同于人類(lèi)可以感知的信息。是將原本在現(xiàn)實(shí)世界中的一定的時(shí)間、空間范圍內(nèi)中極其難以體驗(yàn)到的一些實(shí)體信息（比如視覺(jué)信息，聲音信息，味道信息，觸覺(jué)信息，等等），

2、通過(guò)數(shù)字科學(xué)技術(shù)模擬仿真后（數(shù)字CG模型等等）再疊加到現(xiàn)實(shí)世界上被人類(lèi)感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的一種感官體驗(yàn)。人類(lèi)最后所感知到的是一個(gè)包括虛擬世界和真實(shí)世界共同存在的情景環(huán)境。用戶(hù)用一種顯示設(shè)備，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬對(duì)象融為一體，并體驗(yàn)到一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境，其具有虛實(shí)結(jié)合，實(shí)時(shí)交互的新的特點(diǎn)。AR技術(shù)的前身VR技術(shù)，VR技術(shù)是從英文Virtual Reality一詞翻譯過(guò)來(lái)的，簡(jiǎn)稱(chēng)VR。中文翻譯成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，VR技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的技術(shù)，生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶(hù)借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受

3、和體驗(yàn)。一套默認(rèn)的VR系統(tǒng)環(huán)境主要由電腦設(shè)備、電腦軟件（引擎）、輸入、輸出設(shè)備、用戶(hù)和多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。電腦負(fù)責(zé)虛擬世界的構(gòu)建、生成和交互的實(shí)現(xiàn)；輸入輸出設(shè)備負(fù)責(zé)識(shí)別用戶(hù)的各種輸入并即時(shí)演算生成相應(yīng)信息；應(yīng)用軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、行為模型的建立，三維虛擬立體聲的生成，模型管理及實(shí)時(shí)顯示等；數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放整個(gè)虛擬世界中所有物體的各個(gè)方面的信息。很多人這時(shí)候會(huì)說(shuō)，三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)不也一樣是虛擬環(huán)境么，這里要說(shuō)一下區(qū)別，VR技術(shù)與三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于其交互性上。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)是依靠計(jì)算機(jī)預(yù)先處理好的路徑上所能看見(jiàn)的靜止照片連續(xù)播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用戶(hù)想

4、看什么地方就能看到什么地方，用戶(hù)只能按照設(shè)計(jì)師預(yù)先固定好的一條線(xiàn)路去看某些場(chǎng)景，用戶(hù)是被動(dòng)的；而VR技術(shù)則通過(guò)計(jì)算機(jī)即時(shí)演算，根據(jù)用戶(hù)的需要把整個(gè)空間中所有的信息真實(shí)地提供給用戶(hù)，用戶(hù)可依自己的路線(xiàn)行走，計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)景，真正做到“想得到，就看得到”。2 AR技術(shù)詳解現(xiàn)今智能手機(jī)已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用了AR技術(shù)，相對(duì)與智能手機(jī)而言，AR就是利用手機(jī)的GPS，和視野朝向（指南針）及手機(jī)朝向（方向傳感器/陀螺儀），用攝像頭拍攝實(shí)景，最終在手機(jī)屏幕上為用戶(hù)展示AR環(huán)境，其實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于投影矩陣的獲取。當(dāng)然，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，其實(shí)android系統(tǒng)已經(jīng)將投影矩陣封裝的比較好了，可以通過(guò)接口直接獲取投影矩陣

5、，然后將相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算成相應(yīng)的坐標(biāo)就可以了。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤手機(jī)在真實(shí)場(chǎng)景中的位置及姿態(tài)，并根據(jù)這些信息計(jì)算出虛擬物體在攝像機(jī)中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)虛擬物體畫(huà)面與真實(shí)場(chǎng)景畫(huà)面精準(zhǔn)匹配，所以，registration的性能是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。也就是說(shuō)，AR技術(shù)是實(shí)用信息技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種高強(qiáng)度的，無(wú)限的，充滿(mǎn)創(chuàng)意的補(bǔ)充和增強(qiáng)，而不是用完完全全的虛擬技術(shù)來(lái)制造出一個(gè)完全虛擬的世界來(lái)取代現(xiàn)實(shí)世界。因此在用戶(hù)看來(lái)，虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界最終在同一個(gè)空間得到了結(jié)合。3 AR技術(shù)在機(jī)械化生產(chǎn)流程中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)是結(jié)合設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力、工程、經(jīng)驗(yàn)和藝術(shù)、通過(guò)賦予產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、外觀、功能、色彩和包裝，將概

6、念性的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為了批量化生產(chǎn)的商品過(guò)程。典型的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程通常都是開(kāi)始和結(jié)束于真是物理樣件（模型），雖然現(xiàn)今隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展CAD的應(yīng)用和激光快速原形技術(shù)已成工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制作的主流技術(shù)，但是這樣的流程雖然相交于傳統(tǒng)方式有優(yōu)勢(shì)，但是，這樣一個(gè)反復(fù)試錯(cuò)的流程規(guī)范仍然在效率和成本上有著巨大的提高的余地，并且這個(gè)流程依然不能使各方面人員的發(fā)揮空間放大，并且在溝通環(huán)節(jié)上無(wú)法做到自由，而設(shè)計(jì)師們不能自由的表達(dá)理念和快速的修改，大量的時(shí)間浪費(fèi)在了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上面。隨著需求的不斷提升，上面提到的AR的前身，VR終于降臨了，VR的出現(xiàn)讓工業(yè)設(shè)計(jì)可以方便的方針和評(píng)審設(shè)計(jì)效果，在制作出真實(shí)物理模型之前，各

7、類(lèi)的參與人元可以有效地溝通，可以坐在一起在一個(gè)頗具身臨其境的虛擬環(huán)境中隨時(shí)的評(píng)審、感知和修改未來(lái)的產(chǎn)品，不過(guò)卻依然具備一些問(wèn)題：（1）由于傳感器反饋技術(shù)的限制，用戶(hù)在和虛擬產(chǎn)品互動(dòng)過(guò)程中缺乏真實(shí)感受；（2）在構(gòu)建一個(gè)完全沉浸的虛擬環(huán)境仍然需要大量的計(jì)算機(jī)資源；（3）在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之前，仍然需要預(yù)先學(xué)習(xí)VR技術(shù)引擎的相關(guān)知識(shí)由此，AR技術(shù)在工業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用，可以十分有效的彌補(bǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)的一些不足。使其可以通過(guò)顯示設(shè)備在真實(shí)的環(huán)境中評(píng)審、仿真、分析產(chǎn)品模型。隨著AR技術(shù)的發(fā)展，逐步由開(kāi)發(fā)出了一些基于AR技術(shù)的虛擬建模系統(tǒng)，比如，空間設(shè)計(jì)系統(tǒng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下自由曲面的創(chuàng)建和修改，這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)

8、相當(dāng)廣泛和深入，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些可供科研的AR系統(tǒng)，可以講影像投射到汽車(chē)上，從而改變材質(zhì)、貼花、顏色，將零件投射到真實(shí)的展示臺(tái)上展示，可以在真實(shí)環(huán)境中通過(guò)人體與與虛擬的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行交互，甚至是多位用戶(hù)的同時(shí)交互，在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中可以反復(fù)的用AR技術(shù)來(lái)虛擬裝配，來(lái)檢驗(yàn)制造誤差。4 AR技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用波音公司的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用AR技術(shù)幫助技術(shù)人員安裝組成飛機(jī)電路系統(tǒng)的線(xiàn)束。把這些操作流程以數(shù)字的形式存儲(chǔ)起來(lái)，既節(jié)省空間又節(jié)省開(kāi)支。目前在波音，技術(shù)人員們都是使用巨大的實(shí)體布局板來(lái)制作線(xiàn)束，這些巨大的布局板要用好幾個(gè)大倉(cāng)庫(kù)來(lái)儲(chǔ)存。如果新開(kāi)發(fā)的這套系統(tǒng)能得到很好的應(yīng)用，這些倉(cāng)庫(kù)就可以空出來(lái)用于別處了

9、。波音正在運(yùn)營(yíng)一套技術(shù)再投資計(jì)劃（Technology Reinvestment Program TRP），投資推動(dòng)將這項(xiàng)技術(shù)投入到工廠中。美國(guó)Marine公司就是將AR技術(shù)在裝甲炮塔上進(jìn)行測(cè)試。他們使用的系統(tǒng)叫ARMAR(Augmented Reality for Maintenance and Repair)，大概意思是“AR輔助維修”，該系統(tǒng)由哥倫比亞大學(xué)圖形和用戶(hù)界面實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造。通過(guò)為維修人員裝備頭戴式顯示器，維修人員可以在維修時(shí)輕松獲取對(duì)他們有用的很多幫助信息。目前該系統(tǒng)也被用在了軍事上。工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)支撐技術(shù)的發(fā)展主要取決于信息科技的發(fā)展。工業(yè)化的全流程都在以飛速的發(fā)展日新月異著

10、，AR技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)的巨大飛躍，使工業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)從手工、二維圖紙方式，轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)+虛擬的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、維修的新型流程，效率的大規(guī)模提高和成本的大規(guī)模減少， 為行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的良性的循環(huán)。如下圖所示。工業(yè)機(jī)械化行業(yè)的典型傳統(tǒng)流程示意AR 技術(shù)在工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中的流程示意5 二維平面物體的AR跟蹤的算法分析一般情況下， AR中二維平面物體的跟蹤可以歸結(jié)為如下問(wèn)題：給定一個(gè)模板圖片R，在視頻流中時(shí)刻檢測(cè)該圖片的（相對(duì)相機(jī)的）三維精確位置。進(jìn)行跟蹤定位的主流方法大致有兩種：一類(lèi)是直接法（direct method），另一類(lèi)是控制點(diǎn)法（keypoint-based）。5.1 直

11、接法直接法里的“直接”是說(shuō)直接用優(yōu)化方法去找最好的目標(biāo)，即姿態(tài)Pt。這里牽涉到三個(gè)主要元素：（1）怎么定義好和不好；（2）在哪里找Pt；（3）怎么找。 對(duì)于（1），一個(gè)直觀的辦法是：假設(shè)模板圖按照姿態(tài)Pt變換后對(duì)應(yīng)圖像It上的一個(gè)小區(qū)域，那么這個(gè)區(qū)域可以摳出一個(gè)圖像T，T（經(jīng)過(guò)歸一化以后）應(yīng)該和模板R長(zhǎng)得越像越好。對(duì)于（2），我們可以在所有可能的姿態(tài)中去找Pt。不過(guò)這個(gè)策略顯然是很費(fèi)時(shí)的，考慮到在視頻中相鄰圖像幀的變化有限，所以我們通常是在上一時(shí)刻的姿態(tài)（通常記為Pt-1）附近去尋找。至于怎么找，這就轉(zhuǎn)化成一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題了，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要在Pt-1的一個(gè)鄰域里面找一個(gè)Pt，使得通過(guò)Pt摳出來(lái)得

12、圖像塊T和R最相似。當(dāng)然，實(shí)際操作時(shí)候上面三個(gè)部分都各有講究。比如（1）中對(duì)于T和R是否相似可能要考慮光照的變化，（2）中如何定義姿態(tài)空間的鄰域以及合理的鄰域大小。對(duì)于（3），具體用什么樣的優(yōu)化算法來(lái)盡量對(duì)抗局部極值的干擾而又不能太耗時(shí)。不同的處理方式產(chǎn)生出了不同的跟蹤算法，其中典型的代表工作之一是ESM算法和它的一些變種。ESM是Efficient Second-order Minimization的縮寫(xiě)，源自Benhimane和Malis在2004年在IROS上發(fā)表的工作。該算法采用重構(gòu)誤差平方作為衡量R和T相似性的指標(biāo)，然后對(duì)于姿態(tài)空間進(jìn)行了在李群（Lie Group）上的重新構(gòu)建使得搜

13、索的步長(zhǎng)更為理性，在尋優(yōu)上面使用的二階近似的快速算法。這個(gè)算法的結(jié)構(gòu)清晰，各模塊都可以比較容易的獨(dú)立擴(kuò)展，所以在其基礎(chǔ)上衍生出了不少改進(jìn)算法，通常是針對(duì)實(shí)用場(chǎng)景中不同的調(diào)整（比如處理強(qiáng)光照或者運(yùn)動(dòng)模糊）。5.2 控制點(diǎn)法基于控制點(diǎn)的方法由于其實(shí)時(shí)高效性成為目前業(yè)內(nèi)主流方法?？刂泣c(diǎn)類(lèi)的方法并不直接對(duì)姿態(tài)Pt進(jìn)行尋優(yōu)，而是通過(guò)控制點(diǎn)匹配的方法來(lái)計(jì)算Pt。其基本出發(fā)點(diǎn)在于使用圖像中特別的點(diǎn)（通常是角點(diǎn)）來(lái)建立模板R和視頻圖像It之間的映射，通過(guò)該映射建立方程組，然后求解出姿態(tài)Pt。比如說(shuō)模板是一張人物的相片，那么我們?cè)谝曨l中定位的時(shí)候并不需要對(duì)于臉上的所有點(diǎn)進(jìn)行匹配，而可以通過(guò)一些控制點(diǎn)（眼角，鼻尖

14、，嘴角等）迅速定位。由于姿態(tài)Pt是由若干參數(shù)（一般是8個(gè)）控制的，那么求解Pt的一個(gè)辦法是弄一個(gè)方程組出來(lái)，比如說(shuō)8個(gè)線(xiàn)性的方程，那么我們就可以求出Pt了。那么這些方程怎么來(lái)呢？我們知道，Pt的作用是把模板R變到圖像It中，也就是說(shuō)R中的每個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)由Pt決定的變換就可以得到它在圖像中的位置。那么，反過(guò)來(lái)，如果我們知道圖像中的一個(gè)點(diǎn)（比如眼角）和模板中就是同一個(gè)點(diǎn)（就是說(shuō)他們匹配上了），我們就可以用這一對(duì)匹配點(diǎn)給出兩個(gè)方程（X、Y坐標(biāo)各一個(gè)），這樣的點(diǎn)就是所謂的控制點(diǎn)。當(dāng)我們有了足夠多的控制點(diǎn)對(duì)以后，就可以求解姿態(tài)Pt了?？偨Y(jié)起來(lái)，控制點(diǎn)法包括三個(gè)主要元素：（1）控制點(diǎn)提取和選擇，（2）控制

15、點(diǎn)匹配，（3）姿態(tài)求解。以上三個(gè)步驟看起來(lái)涇渭分明，實(shí)際使用時(shí)卻經(jīng)常是交織在一起的。主要原因是很難保證得到精確無(wú)誤的控制點(diǎn)。有用的可靠控制點(diǎn)常常夾雜著各種真假難辨的山寨們一起到來(lái)，所以經(jīng)常需要往返迭代在三個(gè)步驟之間，比如用RANSAC之類(lèi)的方法選擇控制點(diǎn)來(lái)得到服從大多數(shù)的姿態(tài)。相比直接法，控制點(diǎn)法的基本算法框架比較成熟，工程實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)很大程度上決定了算法的最終效果。5.3 直接法和控制點(diǎn)法的優(yōu)缺點(diǎn)比較這兩類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)略有不同，大致上可以總結(jié)如下： 6 AR技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義與未來(lái)AR技術(shù)最為重要的意義我覺(jué)得在于改變了人類(lèi)一直以來(lái)很根深蒂固的一個(gè)觀點(diǎn)：眼見(jiàn)為實(shí)。它能夠 “騙”過(guò)人類(lèi)的

16、眼睛，將所呈現(xiàn)的一切與本來(lái)現(xiàn)實(shí)中你看到的融為一體。那么由此展開(kāi)，AR做到的是我們現(xiàn)在能看到的多種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲中所能做到的，將一些不存在的物體憑空制造于你的眼前。如果說(shuō)傳統(tǒng)電子游戲是在一個(gè)虛擬的空間里讓你跟虛擬的對(duì)象進(jìn)行交互，而AR則做到了在現(xiàn)實(shí)空間里讓你跟虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。從而我們可以大膽想象，AR將首先從人類(lèi)現(xiàn)階段所有能從視覺(jué)層面感受的東西開(kāi)始進(jìn)行革命，我們用視覺(jué)所能感受到的一切將有可能都被AR技術(shù)取代，比如商品的包裝，可能并不需要在物理層面打印或者以任何實(shí)體形式制造于商品表面上，只要我們能通過(guò)AR技術(shù)感受到就行了，其他所有裝飾性物品同樣都可以以相同的形式被取代。簡(jiǎn)而言之，AR技術(shù)最終要做到

17、的就是“騙”過(guò)你對(duì)現(xiàn)實(shí)的各種感覺(jué)，讓虛擬來(lái)替代現(xiàn)實(shí)。如前文所述，現(xiàn)階段AR技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是從視覺(jué)出發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，那么從視覺(jué)出發(fā)等到觸覺(jué)層面也能以假亂真的時(shí)候，人類(lèi)其實(shí)是無(wú)法區(qū)分現(xiàn)實(shí)跟虛擬的區(qū)別的，達(dá)到VR技術(shù)所要達(dá)到的層面：虛擬現(xiàn)實(shí)。從本文的出發(fā)點(diǎn)上來(lái)討論，在機(jī)械化的生產(chǎn)進(jìn)程中，我們沒(méi)有必要再把實(shí)物生產(chǎn)出來(lái)進(jìn)行測(cè)試與改進(jìn)，利用AR技術(shù)我們就可以完成一系列流程，并且更加便捷地去進(jìn)行各種模擬與仿真，對(duì)推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)具有十分重大的意義。AR技術(shù)目前還尚未成熟，但隨著科技的發(fā)展，AR技術(shù)在機(jī)械化生產(chǎn)領(lǐng)域有往以下幾個(gè)方面發(fā)展的趨勢(shì)：設(shè)備小型化和便攜化、更真實(shí)的圖形再現(xiàn)、更加精確的跟蹤定位系統(tǒng)等。同時(shí)我也希望在不久的將來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠更廣泛而完全的結(jié)合到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中去。參考文獻(xiàn)【1】. 陳文棟，移動(dòng)機(jī)器人SLAM方法研究，華東交通大學(xué)，2014.【2】. 何玫，泡沫啟示錄：虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，中金公司，2016.【3】.