关于增强现实技术的介绍

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1、增强现实小论文PB09025009 朱蕴儿摘要：增强现实（Augmented Reality，简称 AR），也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息（视觉、声音、嗅觉、触觉等）应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。通过本文我将针对增强现实的原理、历史以及发展现状进行简要介绍。关键词：增强现实、交互技术、虚拟环境。一、增强现实以及虚拟现实的原理1.增强现实与虚拟现实技术简介：21 世纪是计算机技术飞速发展的时代，随着网络的发展，注重用户交互作用的WEB2.0 网站如 Facebook, Twitter, 人人以及新浪微博发展势头强劲逐渐取代原先的门

2、户网站成为现代网络潮流先锋。然而这一切都还仅仅只是局限于传统的人机界面以及视窗操作，它把人的视角框定在了一个二维的屏幕上，它对于信息的搜寻还是采取关键字搜索的方法，它对于社交网络的建立还是抽象成 Newsfeed 的形式而不断远离现实生活中的面对面的交流，因此不论是在用户体验、信息的利用效率还是激发创作等各方面都还有很大的上升空间，而增强现实技术，或许在不久的将来将会替代它们、颠覆我们的网络生活。增强现实，是虚拟现实研究领域里逐渐引起广大学者关注的一个新兴的研究方向。顾名思义，增强现实是在现实场景的基础上叠加信息的一种技术，而虚拟现实则是通过计算机程序来为使用者提供一个虚拟的“现实”环境，而这

3、个环境本省是不存在的。简单的虚拟环境可以用于完全浸入式的简单的娱乐游戏中，但如果要产生一种更加逼近真实的环境，例如进行逼真的飞行模拟，就需要花费上千万美元。而增强现实技术可以利用已有的真实世界，为用户提供一种复合的视觉效果：用户观察到的真实世界同计算机产生的虚拟场景相融合。增强现实技术是随着虚拟现实技术的发展而发展的，它的基本软硬件构成与虚拟现实十分相似。虚拟现实技术利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。它是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域

4、，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的 3D 世界影像传回产生临场感（比如影视短片世界因爱而生中的场景）。增强现实（Augmented Reality，简称 AR），也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息（视觉、声音、嗅觉、触觉等）应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实与虚拟现实的差别主要在于沉浸感不同。比如当我们开着一辆小车畅游在一个陌生城市的马路上，这时我们需要即时的路况信息以及当地的风土人情等旅游信息，

5、对于现在的我们来说最方便的方法也许是打开熟悉的百度搜索引擎搜索或者是收听交通广播，不过这样得到的信息毕竟还是抽象的。但如果我们戴上使用了增强现实技术的眼镜，我们就可以看到叠加了这些信息的车窗、地图等。同样的，当一个设计人员在设计一套家具时，现在的他还只能用鼠标键盘来操作软件，但如果他戴上了使用了增强现实的感应手套、感应笔加上相应的投影技术，他就可以从电脑屏幕前解放出来，直接在虚拟的环境中进行创作，一边画一边就会有家具实体的全景图像，这样可以非常直观地看到设计出成品、发现问题，与环境发生交互作用。总而言之，这两种技术都是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。2.增强现实技术

6、的特点增强现实技术有 3I 的特点，即：Immersion（沉浸）-Interaction（交互）-Imagination（构想）。(1)沉浸：是指用户借助传感器进入虚拟环境，由于用户所看到的、听到的和感受到的一切内容非常逼真。因此，相信这一切都是“真实”存在，即用户具有身临其境之感。(2)交互：是指用户进入虚拟环境后，可以用自然的方式对虚拟现实环境中的物体进行操作，即用户的动作和意图可实时地影响和改变虚拟环境的构成。(3)构想：是逼真性与实时交互性而使用户产生的更丰富的联想，扩大用户的认知领域，提高认知能力。它表示增强现实系统使人从过去的只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果，发展到能够

7、沉浸到计算机系统所创建的系统中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的数字化信息发生交互作用，到能够利用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意。也就是说，在增强现实的系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。3.虚拟现实技术的设备基础：增强现实技术所需要的主要的输入设备是摄像头，因为它是基于现实的一种反馈，而输出设备主要为显示屏，用以将处理后的图像显示出来。

8、而虚拟现实的设备则较为复杂，了解它们也可以为我们今后的增强现实的研究开阔视野提供经验借鉴：i.图形：先介绍一下它的理论基础，即人类的立体视觉的形成机制：人对于单一图像的深度感知主要基于远近物体间的遮挡、阴影还有运动视差。当在一幅非单一图像的立体系统中，则是通过在大脑中进行两幅轻微偏移的图像的对准和融合，这时的图像视差（两个眼睛对准不同的图像间的水平位移)主要取决于人类的瞳孔距离（成年男女的瞳距为53-73 mm）。而比较适合的工作距离应该是离人大约几米的距离内。图形显示设备主要分为两种：个人图形显示设备以及大型显示设备。图形显示设 备个人图形显 示设备头盔显示器三维双目镜booms自动立体 显

9、示器被动自动立体 显示器主动自动立体 显示器大型显示设 备基于监视 器单屏监视器多屏监视器基于投影 仪CAVE大型显 示器墙式显示器个人图形显示设备：有头盔显示器、手执式三维双目镜、地面支撑的booms、地面支撑的被动自动立体显示器Virtual windows、桌面支撑的主动自动立体显示设备。a)下图展示了HMD（头盔显示器）的简化光学模型：就我不那么“正确”的理解来说，应该是将经过屏幕上图像的光线经过实为凸透镜的HMD镜片折射到眼球后再距眼球一倍焦距的地方形成两个图像的虚像，虚像间的水平距离恰为合适瞳孔距离的视差，于是形成了人的立体视觉。早期的HMD的控制器非常大型，如下图所示：而今的HM

10、D体积减小了许多，可以称为便携式的设备了，而且质量比较小，可以边带着眼镜边使用该显示器，如下图所示：b)手执式三维目镜的外形如下图所示：它的工作机理大致如下图所示：再次以我的非专业理解来分析一下它的光学原理，左右眼接受不同振动方向的偏振光（由LCOS面板产生光束后经由偏光器筛选出单一偏振方向的偏振光进入眼球）后在大脑中将两幅图融合成立体图像。c)Booms:可以根据人移动望远镜的角度以及远近来移动人眼看到的图像（上海世博会的最佳城市展览馆区中有这样的设备）。它的工作机理和之前介绍的两个有所不同，它不是根据直接的光路来改变人眼所看到的图像，而是通过望远镜移动所产生的位移数据计算出变化后的左右观察

11、视图，最后再显示到左右目镜上。之前的两个是根据光学原理而制作的图形显示器，而这个则是基于计算机算法制作的。具体过程如下所示：d)最后一个大类是自动立体显示器，它的优点是不需在距眼睛非常近的距离内戴任何视觉设备。它分为两个小类：被动自动立体显示器不跟踪用户的头部位置，因此需要把用户的眼睛限制在一个很小的范围内，而主动自动立体显示器跟踪用户的头部位置，因此能够适应用户头部位置的变化。（被动自动立体显示器）（主动自动显示器） 大型显示设备：相对于个人显示设备而言，大型显示设备所构造的虚拟环境更真实，并且允许多个人与同一环境进行交互作用，它相较个人显示设备而言大了许多的工作范围，它提高了用户的自然运动

12、和自然交互能力。根据显示器的大小可以划分为基于监视器和基于投影的两种类型。a)基于监视器的大型显示器：它由眼镜和监视器两个配件构成。其中眼镜可分为主动和被动两种，与自动显示器的分类标准一样，主动眼镜会跟踪头部的运动从而控制监视器上的图像产生变化，而被动则没有这个功能。监视器可以是单一的也可以是多个并排的。如下图所示：b)基于投影的大型显示器：需要特殊的“fast green”涂层来避免由于高达120的刷新率而产生的视觉暂留现象。不过，也需要密闭空间来作为投影区，就像之前提到的家具设计师的例子就是如此。由CRT投影仪、屏幕和镜子组成的CAVE大型显示器墙式大型显示器：可容纳很多观众，但由于墙体面

13、积大，因此图像的分辨率比较低，为了满足大图像尺寸，高图像亮度和高分辨率的要求，就需要用投影仪阵列。正如并排的监视器会出现连续性问题一样，多个投影仪也会出现此类问题，为了解决这个问题，它们投射的图像间需要有重叠。但是图像的重叠会使重叠部分的亮度变大，因此需要调节投影机，来调整重叠部分的亮度至合适。ii.三维声音：俗话说“耳朵的功能是指点眼睛”，听觉信息是仅次于视觉信息的第二传感通道。三维虚拟声音是一种新的特殊的媒体，给增强现实系统中加入虚拟听觉，既可以增强使用者在虚拟环境中的沉浸感和交互性，又可以降低大脑对于视觉信息的依赖（它能提供粗调的机制，用以引导细调的视觉，听觉可以引导肉眼对目标的搜索）。

14、立体声与三维虚拟声音是不同的。声音可以是单声道的（即双耳听到的是一样的声音），也可能是双声道的（左右耳听到的声音不同）。立体声是利用了双耳效应，即当声音传到左右耳时，由于声源距离左右耳间存在着距离差，使得我们的听觉系统能够识别出声源的方位，但是立体声只能辨别声源是位于我们的左边、右边还是前边。但三维虚拟声系统却能辨别声源的精确位置，它可以是来自任何方向的，如在一个虚拟的游戏场景中，当游戏中你的后方有人靠近时，你会听到后方传来脚步声。这样，符合我们在真实境界中听觉方式的声音系统称为三维虚拟声音。三维虚拟声音系统的核心技术史三维虚拟声音的定位，只有在它具有了全向性与实时跟踪性时才能保证听觉不会削弱

15、视觉的沉浸感，否则有可能会与视觉产生矛盾。iii.触觉显示设备：人的触觉传感器多数位于手上，因此主要的触觉显示设备为鼠标和手套。a)触觉鼠标：其内部构造为：也就是通过鼠标的光学传感器发回鼠标的位置信息后由计算机处理得出在该位置下的触觉信息，然后通过振动激励器实施不同振幅的振动来模拟真实的触感。不过这还是把人的手捆绑在了一个很小的二维区域内，并没有真正地实现增强现实的目的。b)Cyber Touch手套：如图所示，那些在指头上的黑色物体就是独立控制的振动激励器，它的运作机理和触觉鼠标差不多。c)温度反馈手套：它的热觉实现比较简单，只需要个仿真表面来模拟温度就好，不需要移动零部件。4.基于摄像头的

16、增强现实技术的基础原理现在所实现并且推广的增强现实技术主要是基于摄像头进行操作的，比如由日本 Tonchidot（顿智）公司开发的 AR 应用，能够在 iPhone 的摄像头的影像上叠加显示用户提交的评论，图片和动画以及 iButterfly 等应用；还有 Camspace 的 AR小游戏等等。而这些产品的程序基本流程可以理解为：取得摄像头图像对图像的位置和方向 进行检测在图像上叠加信息可以将这些产品依据方位检测手段的不同进行细分成三个类别：1)根据通过 GPS 取得纬度、经度和高度，通过地磁 Sensor(电子指南针)取得面向的方向，通过加速度 Sensor 取得倾斜的角度，然后根据这些位置信息获取相关信息后叠加显示。主要应用于手机应用程序中，目前最新的手机比如 iPhone 3GS 和 Anroid上已经具备 GPS、地磁 Sensor 和加速度 Sensor 这些装置。再加上 3G 的普及，无线网络的速度提升，基本上不会觉得慢。但也存在着 GPS 的精度问题，地磁 Sensor 容易受到周边设备(铁磁器等)的影响。必须装置: 摄像头、显示屏、GPS、地磁 Sensor(