增強現(xiàn)實技術(shù)進展及其應(yīng)用

1增強現(xiàn)實技術(shù)

研究進展及其應(yīng)用2概念增強現(xiàn)實VS虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實系統(tǒng)AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀AR關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實例主要內(nèi)容3增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）的一個重要分支，也是近年來的研究熱點將計算機生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的“增強”綜合了計算機圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科一、概念4一、概念5VR強調(diào)的是虛擬世界給人的沉浸感，強調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對象進行交互操作AR則強調(diào)在真實場景中融入計算機生成的虛擬信息的能力，它并不隔斷觀察者與真實世界之間的聯(lián)系。AR具有較低的硬件要求、更高的注冊精度、更具真實感二、增強現(xiàn)實VS虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實場景增強現(xiàn)實場景6虛實結(jié)合實時交互三維注冊三、增強現(xiàn)實系統(tǒng)790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。比較有名的研究機構(gòu)有：美國麻省理工大學的圖像導航外科手術(shù)室哥倫比亞大學的圖形和用戶交互實驗室日本的混合現(xiàn)實實驗室德國的Arvika組織新加坡的混合現(xiàn)實實驗室此外，用于快速開發(fā)的開源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學的圖形實驗室成功開發(fā)并維護至今四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀8原有的研究領(lǐng)域拓展到多個新的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、娛樂教育、工業(yè)仿真、文化遺產(chǎn)保護等AR系統(tǒng)由簡單的桌面式擴展到戶外可攜帶型、空間體驗型顯示設(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、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀增強現(xiàn)實顯示器仍相當笨重，但開發(fā)人員相信他們可以開發(fā)出類似眼鏡的顯示器9我國在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機構(gòu)主要集中在高校的科研單位北京理工大學北京航空航天大學國防大學浙江大學上海大學從國內(nèi)發(fā)表的論文來看，主要集中在系統(tǒng)應(yīng)用和配準技術(shù)上，研究的問題比較單一、涉及面比較窄另外，從專利申請的情況看，全球共有108個，這之中我國僅有北京理工大學的一個（2008年數(shù)據(jù)）四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀10目前國內(nèi)AR的研究成果主要有：北京理工大學自主研制了視頻、光學穿透式兩類頭盔顯示器北京理工大學利用AR技術(shù)重建圓明園的實驗也取得了重要進展上海大學快速制造工程中心與浙江大學合作開發(fā)了AR場景光源的實時檢測和真實感繪制框架此外，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、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀11四、、AR技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展與與研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀

真實場景增強現(xiàn)實場景視頻透視式頭盔顯示器光學透視式頭盔顯示器12五、、AR關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)虛實物體配準顯示技術(shù)真實感繪制技術(shù)13虛實實物物體體配配準準對真真實實場場景景圖圖像像和和計計算算機機生生成成的的虛虛擬擬物物體體進進行行無無縫縫合合成成是是實實現(xiàn)現(xiàn)AR的首首先先目目標標其實實質(zhì)質(zhì)是是將將兩兩者者““對對齊齊””的的過過程程，，即即：：先先根根據(jù)據(jù)真真實實物物體體確確定定虛虛擬擬物物體體與與觀觀察察者者之之間間的的關(guān)關(guān)系系，，然然后后通通過過正正確確的的投投影影將將虛虛擬擬物物體體投投影影至至觀觀察察者者的的視視域域范范圍圍要求求正正確確（（無無延延時時））、、快快速速（（精精確確、、無無抖抖動動））、、魯魯棒棒（（不不受受光光照照、、遮遮擋擋、、物物體體運運動動的的影影響響））五、、AR關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)14五、、AR關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)幾何配準方法原理優(yōu)點缺點基于硬件跟蹤器的配準技術(shù)據(jù)信號發(fā)射源和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對空間位置和方向系統(tǒng)延遲小設(shè)備昂貴、對外部傳感器的校準比較難，且受設(shè)備和移動空間的限制，系統(tǒng)安裝不方便基于視覺計算的配準技術(shù)根據(jù)一幅或幾幅真實場景圖像反求出觀察者的運動軌跡，從而確定虛擬信息“對齊”的位置和方向無需特殊硬件設(shè)備，配準精度高計算復雜性高，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、魯棒性不強的缺點兩者混合的配準技術(shù)根據(jù)硬件設(shè)備定位用戶的頭部運動位姿，同時借助視覺方法對配準結(jié)果進行誤差補償算法魯棒性強、定標精度高系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)安裝繁瑣、移植困難15顯示示技技術(shù)術(shù)在觀觀察察者者的的眼眼睛睛和和真真實實物物體體之之間間的的光光路路上上成成像像的的技技術(shù)術(shù)根據(jù)據(jù)光光路路上上成成像像位位置置的的不不同同可可以以分分為為三三類類五、、AR關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)分類成像距離優(yōu)點缺點頭戴式顯示技術(shù)成像在離觀察者眼睛大約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手臂遠的距離——處理器性能低、存儲容量小、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，并在離人體較遠處成像支持高分辨率、寬視域、高亮型和高對比度的影像不可移動性、合成影像精度低16真實實感感繪繪制制技技術(shù)術(shù)其目目標標是是將將真真實實場場景景和和計計算算機機生生成成的的虛虛擬擬物物體體無無縫縫合合成成，，并并最最終終使使觀觀察察者者感感覺覺不不到到真真實實物物體體和和虛虛擬擬物物體體的的區(qū)區(qū)別別五、、AR關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)17六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—醫(yī)療療北卡卡羅羅萊萊納納大大學學的的AR輔助助B超檢檢查查和和胸胸部部活活組組織織切切片片倫敦敦Guy’’s醫(yī)院院MAGI項目目協(xié)協(xié)助醫(yī)醫(yī)生生從從耳耳道道中中取取出出神神經(jīng)經(jīng)瘤瘤卡內(nèi)內(nèi)基基梅梅隆隆大大學學的的““魔魔眼眼””工工程程布朗朗大大學學的的外外科科手手術(shù)術(shù)培培訓訓系系統(tǒng)統(tǒng)18六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—教育育歐洲洲計計算算機機工工業(yè)業(yè)研研究究中中心心的的機機械械模模型型注注解解19六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—工業(yè)業(yè)SONY公司司TransVision增強現(xiàn)現(xiàn)實實樣樣機機系系統(tǒng)統(tǒng)參與與者者看看到到的的圖圖像像20六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—商業(yè)業(yè)微軟軟推推增增強強現(xiàn)現(xiàn)實實技技術(shù)術(shù)新應(yīng)應(yīng)用用-記事事帖帖日本本新新宿宿高高島島屋屋百百貨貨公公司司內(nèi)內(nèi)的的數(shù)數(shù)字字化化妝妝鏡鏡21六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—市政政22六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—文化化希臘臘、、土土耳耳其其的的歷歷史史古跡跡數(shù)數(shù)字字重重建建23六、、應(yīng)應(yīng)用用實實例例—文化化“數(shù)數(shù)字字敦敦煌煌””工工程程由中中國國科科學學院院計計算算機機研研究究所所、、武武漢漢大大學學和和浙浙