增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用

1、1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用研究進(jìn)展及其應(yīng)用2l概念l增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) VS 虛擬現(xiàn)實(shí)l增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)lAR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀lAR關(guān)鍵技術(shù)l應(yīng)用實(shí)例主要內(nèi)容主要內(nèi)容3l增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）的一個(gè)重要分支，也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)l將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的“增強(qiáng)”l綜合了計(jì)算機(jī)圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多門學(xué)科一、概念一、概念4一、概念一、概念5lVR強(qiáng)調(diào)的是虛擬世界給人的沉浸感，強(qiáng)調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作lAR

2、則強(qiáng)調(diào)在真實(shí)場(chǎng)景中融入計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息的能力，它并不隔斷觀察者與真實(shí)世界之間的聯(lián)系。lAR具有較低的硬件要求、更高的注冊(cè)精度、更具真實(shí)感二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) VS 虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景6l虛實(shí)結(jié)合l實(shí)時(shí)交互l三維注冊(cè)三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)7l90年代以前，AR的概念還比較模糊；90年代是AR技術(shù)迅速發(fā)展的10年。比較有名的研究機(jī)構(gòu)有：l美國(guó)麻省理工大學(xué)的圖像導(dǎo)航外科手術(shù)室l哥倫比亞大學(xué)的圖形和用戶交互實(shí)驗(yàn)室l日本的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室l德國(guó)的Arvika組織l新加坡的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室l此外，用于快速開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學(xué)的圖形實(shí)驗(yàn)室成

3、功開(kāi)發(fā)并維護(hù)至今四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀8l原有的研究領(lǐng)域拓展到多個(gè)新的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、娛樂(lè)教育、工業(yè)仿真、文化遺產(chǎn)保護(hù)等lAR系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的桌面式擴(kuò)展到戶外可攜帶型、空間體驗(yàn)型l顯示設(shè)備也從頭盔顯示器延伸到大型可觸摸式、桌面投射式和便攜式四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器仍相當(dāng)笨重，但開(kāi)發(fā)人員相信他們可以開(kāi)發(fā)出類似眼鏡的顯示器9l我國(guó)在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)主要集中在高校的科研單位l北京理工大學(xué)l北京航空航天大學(xué)l國(guó)防大學(xué)l浙江大學(xué)l上海大學(xué)l從國(guó)內(nèi)發(fā)表的論文來(lái)看，主要集中在系統(tǒng)應(yīng)用和配準(zhǔn)技術(shù)上，研究的問(wèn)題比較單一、涉及面

4、比較窄l另外，從專利申請(qǐng)的情況看，全球共有108個(gè)，這之中我國(guó)僅有北京理工大學(xué)的一個(gè)（2008年數(shù)據(jù)）四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀10l目前國(guó)內(nèi)AR的研究成果主要有：l北京理工大學(xué)自主研制了視頻、光學(xué)穿透式兩類頭盔顯示器l北京理工大學(xué)利用AR技術(shù)重建圓明園的實(shí)驗(yàn)也取得了重要進(jìn)展l上海大學(xué)快速制造工程中心與浙江大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了AR場(chǎng)景光源的實(shí)時(shí)檢測(cè)和真實(shí)感繪制框架l此外，在城市規(guī)劃、地下管網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀11四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 真實(shí)場(chǎng)景 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景視頻透視式頭盔顯示器

5、光學(xué)透視式頭盔顯示器12五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)13l虛實(shí)物體配準(zhǔn)l對(duì)真實(shí)場(chǎng)景圖像和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體進(jìn)行無(wú)縫合成是實(shí)現(xiàn)AR的首先目標(biāo)l其實(shí)質(zhì)是將兩者“對(duì)齊”的過(guò)程，即：先根據(jù)真實(shí)物體確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后通過(guò)正確的投影將虛擬物體投影至觀察者的視域范圍l要求正確（無(wú)延時(shí)）、快速（精確、無(wú)抖動(dòng)）、魯棒（不受光照、遮擋、物體運(yùn)動(dòng)的影響）五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)14五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)幾何配準(zhǔn)方法幾何配準(zhǔn)方法原理原理優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)基于硬件跟蹤器的配準(zhǔn)技術(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射源和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對(duì)空間位置和方向系統(tǒng)延遲小設(shè)備昂貴、對(duì)外部傳感器的校準(zhǔn)比較難，且受設(shè)備和

6、移動(dòng)空間的限制，系統(tǒng)安裝不方便基于視覺(jué)計(jì)算的配準(zhǔn)技術(shù)根據(jù)一幅或幾幅真實(shí)場(chǎng)景圖像反求出觀察者的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而確定虛擬信息“對(duì)齊”的位置和方向無(wú)需特殊硬件設(shè)備，配準(zhǔn)精度高計(jì)算復(fù)雜性高，造成系統(tǒng)延遲大；大多數(shù)都用非線性迭代，造成誤差難控制、魯棒性不強(qiáng)的缺點(diǎn)兩者混合的配準(zhǔn)技術(shù)根據(jù)硬件設(shè)備定位用戶的頭部運(yùn)動(dòng)位姿，同時(shí)借助視覺(jué)方法對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償算法魯棒性強(qiáng)、定標(biāo)精度高系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)安裝繁瑣、移植困難15l顯示技術(shù)l在觀察者的眼睛和真實(shí)物體之間的光路上成像的技術(shù)l根據(jù)光路上成像位置的不同可以分為三類五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分類分類成像距離成像距離優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)頭戴式顯示技術(shù)成像在離觀察者眼睛

7、大約4-10厘米處，觀察者頭部需要戴上顯示設(shè)備分辨率低、視域受限手持式顯示技術(shù)成像于離觀察者一個(gè)手臂遠(yuǎn)的距離處理器性能低、存儲(chǔ)容量小、視域范圍小、攝像頭精度低空間顯示技術(shù)將顯示設(shè)備和人體分離，并在離人體較遠(yuǎn)處成像支持高分辨率、寬視域、高亮型和高對(duì)比度的影像不可移動(dòng)性、合成影像精度低16l真實(shí)感繪制技術(shù)l其目標(biāo)是將真實(shí)場(chǎng)景和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體無(wú)縫合成，并最終使觀察者感覺(jué)不到真實(shí)物體和虛擬物體的區(qū)別五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)17六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)例醫(yī)療醫(yī)療北卡羅萊納大學(xué)的AR輔助B超檢查和胸部活組織切片倫敦Guys醫(yī)院MAGI項(xiàng)目協(xié)助醫(yī)生從耳道中取出神經(jīng)瘤卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的“魔眼”工程布朗大學(xué)的外科手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)18六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)例教育教育歐洲計(jì)算機(jī)工業(yè)研究中心的機(jī)械模型注解19六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)例工業(yè)工業(yè)SONY公司TransVision增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)樣機(jī)系統(tǒng)參與者看到的圖像20六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)例商業(yè)商業(yè)微軟推增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)新應(yīng)用-記事帖日本新宿高島屋百貨公司內(nèi)的數(shù)字化妝鏡21六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)例市政市政22六、應(yīng)用實(shí)例六、應(yīng)用實(shí)