增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR系統(tǒng)組成及實(shí)用領(lǐng)域綜合分析

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR系統(tǒng)組成及實(shí)用領(lǐng)域綜合分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)組成及實(shí)用領(lǐng)域綜合分析（一）虛擬現(xiàn)實(shí)定義虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）是指采用計(jì)算機(jī)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(hù)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(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等獲得與真實(shí)世界相同的感受。即虛擬現(xiàn)實(shí)是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面，綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并能夠通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)技術(shù)基本原理（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)定義增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR），是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生三維信息來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)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(hù)一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創(chuàng)造一個(gè)世界；而AR技術(shù)則把計(jì)算機(jī)帶入到用戶(hù)的真實(shí)世界中，通過(guò)聽(tīng)、看、摸、聞虛擬信息，來(lái)增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知，實(shí)現(xiàn)了從“人圖表增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理（三）混合現(xiàn)實(shí)定義混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MixedReality，簡(jiǎn)稱(chēng)MR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過(guò)在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶(hù)之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)的真實(shí)感。（一）Monitor-based系統(tǒng)在基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR實(shí)現(xiàn)方案中，攝像機(jī)攝取的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)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(hù)從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場(chǎng)景圖片。它雖然不能帶給用戶(hù)多少沉浸感，但卻是一套最簡(jiǎn)單使用的AR實(shí)現(xiàn)方案。由于這套方案的硬件要求很低，因此被實(shí)驗(yàn)室中的AR系統(tǒng)研究者們大量采用。圖表Monitor-based增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案頭盔式顯示器（Head-mounteddisplays-HMD）被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶(hù)的視覺(jué)沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類(lèi)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(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類(lèi)，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（videosee-throughHMD）和基于光學(xué)原理的穿透式HMD（opticalsee-圖表Videosee-through增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案在上述的兩套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，輸入計(jì)算機(jī)中的有兩個(gè)通道的信息，一個(gè)是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息通道，一個(gè)是來(lái)自于攝像機(jī)的真實(shí)場(chǎng)景通道。而在opticalsee-throughHMD實(shí)現(xiàn)方案中去處了后者，真實(shí)場(chǎng)景的圖像經(jīng)過(guò)一定的減光處理后，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OpticalSee-through增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案（四）三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能比較三種AR顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)策略在性能上各有利弊。在基于monitor-based和videosee-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，都通過(guò)攝像機(jī)來(lái)獲取真實(shí)場(chǎng)景的圖像，在計(jì)算機(jī)中完成虛實(shí)圖像的結(jié)合并輸出。整個(gè)過(guò)程不可避免的存在一定的系統(tǒng)延遲，這是動(dòng)態(tài)AR應(yīng)用中虛實(shí)注冊(cè)錯(cuò)誤的一個(gè)主要產(chǎn)生原因。但這時(shí)由于用戶(hù)的視覺(jué)完全在計(jì)算機(jī)的控制之下，這種系統(tǒng)延遲可以通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部虛實(shí)兩個(gè)通道的協(xié)調(diào)配合來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。而基于opticalsee-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，真實(shí)場(chǎng)景的視頻圖像傳送是實(shí)時(shí)的，不受計(jì)算機(jī)控制，因此不可能用控制視頻顯示速率的辦法來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)延遲。圖表三種AR顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理示意圖另外，在基于monitor-based和videoSee-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，可以利用計(jì)算機(jī)分析輸入的視頻圖像，從真實(shí)場(chǎng)景的圖像信息中抽取跟蹤信息（基準(zhǔn)點(diǎn)或圖像特征），從而輔助動(dòng)態(tài)AR中虛實(shí)景象的注冊(cè)過(guò)程。而基于opticalsee-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，可以用來(lái)輔助虛實(shí)注冊(cè)的信息只有頭盔上位置傳感器。中國(guó)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)主要參與者由生態(tài)級(jí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)公司、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件公司、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件公司、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)衍生品公司構(gòu)成。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)茄邪l(fā)主導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)鏈，誰(shuí)掌握核心底層技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)，誰(shuí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(hù)具，以幫助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件公司和衍生品公司的發(fā)展便捷地進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)或創(chuàng)意內(nèi)容開(kāi)發(fā)。VR強(qiáng)調(diào)用戶(hù)在虛擬環(huán)境中視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的完全浸沒(méi)，強(qiáng)調(diào)將用戶(hù)的感官與現(xiàn)實(shí)世界絕緣而沉浸在一個(gè)完全由計(jì)算機(jī)所控制的信息空間之中。AR不僅不隔離周?chē)默F(xiàn)實(shí)環(huán)境，而且強(qiáng)調(diào)用戶(hù)在現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境融為一體，從別跟蹤物體，而不是手動(dòng)指出；自動(dòng)跟蹤并且對(duì)周?chē)鎸?shí)場(chǎng)景進(jìn)行3D建模，而不是照著場(chǎng)景做一個(gè)極為相似的。（三）設(shè)備不同VR通常需要借助能夠?qū)⒂脩?hù)視覺(jué)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離的顯示設(shè)備，一般采用浸沒(méi)式頭盔顯AR需要借助能夠?qū)⑻摂M環(huán)境與真實(shí)環(huán)境融合的顯示設(shè)備。因?yàn)閂R是純虛擬場(chǎng)景，所以VR裝備更多的是用于用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)交互，更多的使用是：位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動(dòng)捕系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等等。由于AR是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景的結(jié)合，所以基本都需要攝像頭，在攝像頭拍攝的畫(huà)面基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬畫(huà)面進(jìn)行展示和互動(dòng)，比如GoogleGlass。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)用戶(hù)在虛擬環(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的完全浸沒(méi)，對(duì)于人的感官來(lái)說(shuō)，它是真實(shí)存在的，而對(duì)于所構(gòu)造的物體來(lái)說(shuō)，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(xiǎn)的真實(shí)環(huán)境。因而其主要應(yīng)用在虛擬教育、數(shù)據(jù)和模型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)并非以虛擬世界代替真實(shí)世界，而是利用附加信息去增強(qiáng)使用者對(duì)真實(shí)世界的感官認(rèn)識(shí)。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(jī)器人控制、娛樂(lè)等領(lǐng)域。（一）硬件配置國(guó)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戴方式、電池容量、分辨率等。（二）特色功能?chē)?guó)外AR頭戴顯示器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)環(huán)境掃描、實(shí)時(shí)三維建模、與全息圖像交互等超越手機(jī)的功能。中國(guó)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BaiduEye具備基于深度學(xué)習(xí)的推送、識(shí)別功能。（三）應(yīng)用場(chǎng)景國(guó)外AR頭戴顯示器可應(yīng)用于三維設(shè)計(jì)、三維游戲、輔助醫(yī)療教學(xué)等領(lǐng)域。中國(guó)大部分AR頭戴顯示器由于功能與GoogleGlass相似，應(yīng)用場(chǎng)景基本相同?？傮w來(lái)看，中國(guó)AR頭戴顯示器市場(chǎng)處于行業(yè)初期，相比國(guó)外市場(chǎng)，價(jià)格具有優(yōu)勢(shì)，但目前國(guó)內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器市場(chǎng)盈利模式主要以硬件銷(xiāo)售為主，行業(yè)定制化軟件開(kāi)發(fā)盈利處于探索期；按照產(chǎn)品定位，行業(yè)用戶(hù)分別針對(duì)商業(yè)市場(chǎng)、消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)用戶(hù)；市場(chǎng)主要參與者中國(guó)市場(chǎng)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。（一）工業(yè)制造通過(guò)頭戴顯示器將多種輔助信息顯示給用戶(hù)，包括虛擬儀表的面板、設(shè)備的內(nèi)部結(jié)（二）醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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（MagneticResonanceImaging）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（ComputedTomographyscans）、超聲波圖像診斷（ultrasoundimaging）等非侵入式傳感器，可以實(shí)時(shí)的收集到一個(gè)病人的三維影像數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集可以實(shí)時(shí)得到渲染，并和病人實(shí)體進(jìn)行結(jié)合。在效果上來(lái)看，這會(huì)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?yàn)樵谝话愕淖畹褪中g(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(shí)提AR當(dāng)然也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(dú)在MRI或者CT中無(wú)法看到的病人生理特征。AR可以讓外科醫(yī)生們同時(shí)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(duì)一個(gè)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(shí)體結(jié)合并顯示出來(lái)，精準(zhǔn)的告訴醫(yī)生從哪里開(kāi)始他的手術(shù)。軍隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)造出虛擬坐標(biāo)以及所在地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)，幫助士兵進(jìn)行方位的識(shí)別，獲得實(shí)時(shí)所在地點(diǎn)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(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在轉(zhuǎn)播體育比賽的時(shí)候?qū)崟r(shí)的將輔助信息（比如球員數(shù)據(jù)）疊加到轉(zhuǎn)播畫(huà)面中，使得觀眾可以得到更多的信息。（五）娛樂(lè)游戲領(lǐng)域增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲可以讓位于不同地點(diǎn)的玩家，結(jié)合GPS和陀螺儀，以真實(shí)世界為游戲背景，加入虛擬元