第1章　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論-1.2AR技術(shù)簡(jiǎn)介

第1章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論

1.2

AR技術(shù)簡(jiǎn)介

.目錄.2.AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

.3.

AR技術(shù)特征

.4.

AR主要顯示方式

.1

.AR發(fā)展歷史

1.2.1AR發(fā)展歷史1.2.1AR發(fā)展歷史1.2.1AR發(fā)展歷史1990年，波音公司研究員湯姆·考德爾（Tom

Caudell）創(chuàng)造了“AR”這個(gè)術(shù)語(yǔ)?？嫉聽柡退耐略O(shè)計(jì)了一個(gè)輔助飛機(jī)布線系統(tǒng)，用于代替笨重的示例圖版。這個(gè)頭戴設(shè)備將布線圖或者裝配指南投射到特殊的可再用方板上。這些AR投影可以通過(guò)計(jì)算機(jī)快速輕松地更改，機(jī)械師再也不需要手工重新改造或者制作示例圖版。1998年，AR第一次出現(xiàn)在大眾平臺(tái)上。當(dāng)時(shí)有電視臺(tái)在橄欖球賽電視轉(zhuǎn)播上使用AR技術(shù)將得分線疊加到屏幕中的球場(chǎng)上。此后，AR技術(shù)開始被用于天氣預(yù)報(bào)——天氣預(yù)報(bào)制作者將計(jì)算機(jī)圖像疊加到現(xiàn)實(shí)圖像和地圖上面。從那時(shí)起，AR真正地開始了其爆炸式的發(fā)展。2000年，布魯斯·托馬斯（BruceH.Thomas）在澳大利亞南澳大學(xué)可穿戴計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一款手機(jī)室外AR游戲——ARQuake。2008年左右，AR開始被用于地圖等手機(jī)應(yīng)用上。2016年，由任天堂和口袋妖怪以及谷歌共同推出了PokemonGo，在美國(guó)上線后迅速席卷全球，對(duì)于AR的普及起到了巨大的推動(dòng)作用。1.2.2AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.2AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.2AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由虛擬場(chǎng)景生成單元、（透射式）頭盔顯示器、頭部跟蹤設(shè)備和（虛實(shí)融合）交互設(shè)備構(gòu)成。其中虛擬場(chǎng)景生成單元負(fù)責(zé)虛擬場(chǎng)景的建模、管理、繪制和其它外設(shè)的管理；透射式頭盔顯示器負(fù)責(zé)顯示虛擬和現(xiàn)實(shí)融合后的信號(hào)；頭部跟蹤設(shè)備跟蹤用戶視線變化；交互設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)感官信號(hào)及環(huán)境控制操作信號(hào)的輸入輸出，如圖所示。首先，透射式頭盔顯示器采集真實(shí)場(chǎng)景的視頻或者圖像，傳入后臺(tái)的處理單元對(duì)其進(jìn)行分析和重構(gòu)，并結(jié)合頭部跟蹤設(shè)備的數(shù)據(jù)來(lái)分析虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的對(duì)齊并進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的融合計(jì)算；交互設(shè)備采集外部控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛實(shí)結(jié)合場(chǎng)景的交互操作。系統(tǒng)融合后的信息會(huì)實(shí)時(shí)地顯示在頭盔顯示器中，展現(xiàn)在人的視野中。1.2.3AR技術(shù)特征1.2.3AR技術(shù)特征1.2.3AR技術(shù)特征1.虛實(shí)結(jié)合

虛實(shí)結(jié)合是指在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中加入虛擬對(duì)象，可以把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬對(duì)象與用戶所處的真實(shí)環(huán)境融合，做到虛中有實(shí)，實(shí)中有虛。與VR技術(shù)不同的是，AR技術(shù)不會(huì)把使用者與真實(shí)世界隔開，而是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體和信息疊加到真實(shí)世界的場(chǎng)景中來(lái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景更直觀深入的了解和解讀，在有限的時(shí)間和有限的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域的理解。增強(qiáng)的信息可以是與真實(shí)物體相關(guān)的非幾何信息，如視頻、文字，也可以是幾何信息，如虛擬的三維物體和場(chǎng)景。2.實(shí)時(shí)交互

實(shí)時(shí)交互是指實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)世界中的虛擬信息間的自然交互。通過(guò)AR系統(tǒng)中的交互接口設(shè)備，人們以自然方式與AR環(huán)境進(jìn)行交互操作，這種交互要滿足實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是指不管用戶身處何地，都能通過(guò)系統(tǒng)迅速識(shí)別現(xiàn)實(shí)世界的事物，系統(tǒng)也可在設(shè)備中合成該事物圖像，通過(guò)傳感技術(shù)將可視化信息反饋給用戶。3.三維注冊(cè)

AR中的三維注冊(cè)是指將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體與用戶的真實(shí)場(chǎng)景全方位對(duì)準(zhǔn)。在VR中，注冊(cè)是指呈現(xiàn)給用戶的虛擬環(huán)境及其變化，要與用戶的各種感官的真實(shí)感知相匹配。

AR系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶頭部位置和方向，根據(jù)這些信息確定所要添加虛擬信息在真實(shí)坐標(biāo)中的位置，使得用戶眼前真實(shí)景象和虛擬景象保持同步。例如，宜家家居的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)注冊(cè)之后，當(dāng)人的位置變化時(shí)，虛擬的桌椅、沙發(fā)也能夠出現(xiàn)在人周圍合適的位置，而非在原有的位置不變，出現(xiàn)不匹配的情況。1.2.4AR主要顯示方式1.2.4AR主要顯示方式1.2.4AR主要顯示方式1.移動(dòng)手持顯示智能手機(jī)正是移動(dòng)手持AR顯示設(shè)備的代表，如圖所示。這類設(shè)備正在變得越來(lái)越好——顯示器分辨率越來(lái)越高，處理器越來(lái)越強(qiáng)，相機(jī)成像質(zhì)量越來(lái)越好，傳感器越來(lái)越多，提供著加速計(jì)、全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）、羅盤等功能……這些成為天然的AR平臺(tái)。人們正經(jīng)歷著智能手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備的大爆炸時(shí)代，這將會(huì)促進(jìn)AR的普及。盡管手持設(shè)備是消費(fèi)者接觸AR應(yīng)用最為方便的工具，但由于大部分手持設(shè)備不具備可穿戴功能，因此用戶無(wú)法獲得雙手解放的AR體驗(yàn)。2.可穿戴顯示可穿戴式顯示要使用一種可以戴在用戶頭上的類似眼鏡的頭戴AR顯示器，如圖所示。可穿戴式顯示器一般包含一套小型顯示器，有兩個(gè)內(nèi)嵌鏡頭和半透明鏡的在飛行仿真、工程設(shè)計(jì)以及教育訓(xùn)練等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。用戶的現(xiàn)實(shí)世界視角被AR設(shè)備截取，增強(qiáng)后的畫面重新顯示在用戶視野中。AR畫面透過(guò)眼鏡鏡片，或者通過(guò)眼鏡鏡片反射，進(jìn)入眼球視網(wǎng)膜從而成像。頭戴式AR設(shè)備可以讓用戶更加自然地體驗(yàn)AR，并且能夠?yàn)橛脩籼峁└蟮囊晥?chǎng)，給予用戶更強(qiáng)，更真實(shí)的“身在該處”的感覺(jué)。人們熟知的GoogleGlass屬于這一類型設(shè)備。

空間顯示技術(shù)，是利用包括全息投影在內(nèi)的視頻投影技術(shù)，直接將虛擬數(shù)字信息顯示在真實(shí)的環(huán)境之中，如圖所示。這種技術(shù)的系統(tǒng)不同于一般只適合于個(gè)人使用的AR系統(tǒng)，而是將AR與周