增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、可視化技術(shù)以及光電成像技術(shù)等一系列技術(shù)的發(fā)展在近年出現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實(shí)營造一個(gè)和用戶周圍環(huán)境完全不同的由計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是把計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或文字信息疊加到真實(shí)的環(huán)境中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境之間搭起了一個(gè)橋梁。

 
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案

是一個(gè)典型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景，用戶借助手機(jī)、平板電腦等智能終端顯示設(shè)備自帶的攝像頭觀察周圍的真實(shí)環(huán)境，在其手持的智能終端顯示屏上除了可以看到其周圍的真實(shí)環(huán)境之外，還可以看到由計(jì)算機(jī)生成的虛擬輔助信息，如最近的麥當(dāng)勞在哪個(gè)位置，這可以通過在周圍環(huán)境上疊加一個(gè)漢堡來表示附近有一家麥當(dāng)勞店。當(dāng)用戶來到一個(gè)陌生城市，如果要找最近的地鐵站，可以通過手機(jī)攝像頭掃描周圍環(huán)境來得知最近的地鐵站或其他一些感興趣的地點(diǎn)在哪個(gè)位置。除了在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，近年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。在本次國防電子展上展出了一套單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，借助攝像機(jī)和頭盔顯示器士兵在觀察戰(zhàn)場環(huán)境時(shí)可以看到例如敵方的火力點(diǎn)等很多提示信息。在夜晚和惡劣天氣情況下這套系統(tǒng)具有重要作用，可以更好的保護(hù)士兵，使得士兵能夠更好地地完成作戰(zhàn)任務(wù)。

近年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，圖2是一些典型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，在體育轉(zhuǎn)播時(shí)，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以把運(yùn)動員的名字或者所做國家的國旗疊加在跑道上，由于事先已經(jīng)獲取了攝像機(jī)以及賽場環(huán)境的準(zhǔn)確參數(shù)，可以保證在實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播時(shí)由計(jì)算機(jī)所添加的虛擬物體或者文字信息天衣無縫的融合到當(dāng)前環(huán)境中。除了體育轉(zhuǎn)播以外，現(xiàn)在很多的演出中也應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的另外一個(gè)典型應(yīng)用是運(yùn)行在手機(jī)上的一個(gè)智能感知系統(tǒng)。例如借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，當(dāng)用戶到達(dá)一個(gè)陌生的環(huán)境需要獲取信息時(shí)，通過舉起手機(jī)拍攝周圍環(huán)境，所有的陌生文字都可以變成其熟悉的語言。在商業(yè)區(qū)舉起手機(jī)拍攝就可以很快找到最近的快餐店的地址。當(dāng)想知道天氣時(shí)，只需要拍攝一下天空，就可以獲得天氣的信息。

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要解決的

一系列關(guān)鍵技術(shù)

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分主要包括可以把用戶當(dāng)前所處的真實(shí)環(huán)境和計(jì)算機(jī)所生成的虛擬物體以及文字同時(shí)進(jìn)行顯示的顯示載體，這既可以是單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中的頭盔顯示器，也可以是用戶手持的智能手機(jī)或者是平板電腦。除了融合顯示裝置外，還需要了解用戶意圖的人機(jī)交互設(shè)備，因?yàn)橄到y(tǒng)需要知道用戶現(xiàn)在的需求是什么，采用傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)這樣的人機(jī)交互，需要采用包括語音識別、眼動跟蹤、身體動作跟蹤等一系列的自然交互手段。此外還需要硬件計(jì)算平臺來完成融合顯示、虛擬物體的繪制以及人機(jī)交互等一系列的復(fù)雜運(yùn)算。除了上述硬件平臺之外還需要一系列軟件的支撐，包括識別當(dāng)前用戶所看到的場景中的物體種類以及物體具體位置的識別和跟蹤軟件，把虛擬的三維物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的繪制和融合顯示的三維圖形渲染繪制軟件，這些硬件和軟件平臺一起構(gòu)成了移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

目前有三種方式可以實(shí)現(xiàn)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括基于頭盔式顯示器的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、基于手持投影儀的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及基于智能手機(jī)、平板電腦等便攜智能終端的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

盡管移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)顯示出了在諸多領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用前景，但是由于技術(shù)條件和成本的限制，和大規(guī)模的推廣應(yīng)用尚有一定的距離，目前比較成熟的應(yīng)用大多集中在軍事、醫(yī)療等對價(jià)格不是特別敏感的領(lǐng)域。

目前制約移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)性能的因素主要包括以下兩個(gè)方面，一是移動計(jì)算平臺的計(jì)算資源、電池的壽命和重量的限制。二是戶外場景復(fù)雜多變的因素，由于戶外存在光照的變化以及遮擋等問題，同時(shí)用戶在戶外的場景中自由移動，事先無法預(yù)測用戶的軌跡，而環(huán)境又會有陰晴雨雪變化，所有這些不可控的因素制約了移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

開發(fā)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需要攻克以下六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

一、高效便攜的終端定位系統(tǒng)，為了獲得用戶在環(huán)境中的準(zhǔn)確位置，完成對用戶在環(huán)境中的準(zhǔn)確定位，目前有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶攜帶手機(jī)時(shí)，通過移動網(wǎng)絡(luò)可以對用戶進(jìn)行粗略定位，可以記錄用戶在網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)歷史軌跡，通過這樣的一系列的歷史數(shù)據(jù)，在服務(wù)器端可以對用戶當(dāng)前的位置有一個(gè)相對精確的估計(jì)，這些的復(fù)雜運(yùn)算是在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)的，借助服務(wù)器端強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以在不占用移動端過多資源的情況下獲取準(zhǔn)確的定位。

二、移動終端和多核工作站之間不同計(jì)算能力設(shè)備間的任務(wù)協(xié)同。為了實(shí)現(xiàn)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，要完成非常多復(fù)雜的運(yùn)算，包括對用戶位置的跟蹤、渲染、繪制等，這些復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)要在移動終端和系統(tǒng)的服務(wù)器中進(jìn)行協(xié)調(diào)，目前的解決方案是把一部分工作放在手機(jī)端由手機(jī)實(shí)現(xiàn)，而將另外一部分復(fù)雜運(yùn)算放在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)。

三、海量目標(biāo)的精確識別。在生活中有時(shí)我們希望能夠知道用戶面前的建筑物是什么，用戶面前的車是什么型號，目前有多種方式實(shí)現(xiàn)這樣的功能。為了識別出這些物體，可以通過提取對象的輪廓特征、紋理特征等來辨識。由于戶外環(huán)境的復(fù)雜多變，單一的特征很難實(shí)現(xiàn)百分之百的識別，為此在移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過多特征融合進(jìn)行物體識別，例如對于同一個(gè)用戶眼前的建筑物，首先提取它的多種特征，通過融合多種特征來更加詳盡的對目標(biāo)加以識別和描述。

四、六自由度跟蹤定位，即知道用戶在環(huán)境中是在向哪個(gè)方向看以及確定用戶所處的位置，所采用的方法是事先在計(jì)算機(jī)存儲部分已經(jīng)標(biāo)好的圖像，當(dāng)實(shí)際用戶使用的時(shí)候，通過將拍攝到場景中的圖像和事先存儲的圖像進(jìn)行匹配可以獲得準(zhǔn)確的六自由度信息。

五、多傳感器數(shù)據(jù)融合。目前移動智能終端帶有多種傳感器，在實(shí)際使用中即可以通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對攝像頭所拍攝的環(huán)境物體進(jìn)行跟蹤，也可以采用慣性傳感器進(jìn)行姿態(tài)跟蹤，通過融合多個(gè)傳感器的輸出可以獲取更加準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果。

六、真實(shí)、高效的3D渲染。為了實(shí)現(xiàn)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，還需要把生成的三維物體準(zhǔn)確的繪制到當(dāng)前的場景中，考慮到移動終端資源的限制，需要繪制算法能夠盡可能簡化，解決的方法之一就是簡化傳輸數(shù)據(jù)的冗余性，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)高效的三維渲染。

下面介紹國外的典型應(yīng)用。圖3所示是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)瀏覽器，用戶只需要在手機(jī)上選擇一個(gè)頻道，在拍攝周圍環(huán)境的時(shí)候，用戶所有感興趣的信息都會自動出現(xiàn)在屏幕上。比如在選擇餐飲的時(shí)候，周圍的所有的飯店的符號都會出現(xiàn)在屏幕上，用戶可以通過點(diǎn)擊屏幕看到對應(yīng)的評價(jià)，甚至可以下載飯店的優(yōu)惠券。

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在博物館導(dǎo)覽方面也有很好的應(yīng)用。博物館提供了非常多的展品，但目前所有展品的標(biāo)簽所提供的信息都是有限的，用戶到博物館參觀時(shí)希望知道展品背后的故事。借助移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶進(jìn)入到博物館時(shí)可以在手機(jī)上下載一個(gè)軟件，當(dāng)用戶在博物館內(nèi)進(jìn)行游覽時(shí)當(dāng)用戶看到感興趣的展品，通過手機(jī)屏幕呈現(xiàn)和這個(gè)展品有關(guān)的文字、圖片以及視頻等信息可以增強(qiáng)用戶對展品的認(rèn)識。

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在電子商務(wù)方面也有很多的應(yīng)用，例如近年來在北京地鐵站出現(xiàn)的虛擬購物超市，消費(fèi)者只要通過手機(jī)拍攝想要購買的物品并發(fā)送給服務(wù)商，就可以享受到送貨上門的服務(wù)。

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教學(xué)培訓(xùn)上也有廣泛的應(yīng)用，國外開發(fā)了一款在iPhone上的運(yùn)行的軟件，可以在實(shí)際的電路上通過三維顯示的方式來疊加學(xué)生需要搭建的電子元器件來指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電路的搭建。在化學(xué)、地理等等一些教學(xué)中，通過對三維的分子結(jié)構(gòu)以及三維的空間星系進(jìn)行增強(qiáng)顯示可以加深對這些知識的理解。

在導(dǎo)航導(dǎo)覽方面增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有更加廣泛的應(yīng)用，目前國外新開發(fā)的GPS軟件上已經(jīng)應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，當(dāng)把這樣一款GPS安放在駕駛的車輛上，就會看到前方的道路地面疊加出了方向箭頭，可以實(shí)時(shí)指引駕駛員，通過這樣的可視化手段為用戶提供了非常好的使用感受。

在本屆國防電子展上也有多款產(chǎn)品應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，例如晚上駕駛照明條件不好時(shí)，可以借助紅外傳感器觀察周圍環(huán)境，然后把增強(qiáng)后的路況借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯示在風(fēng)擋玻璃并后準(zhǔn)確的疊加在駕駛員前方的道路上，從而增強(qiáng)用戶對環(huán)境的理解。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在商業(yè)廣告方面也有很多的應(yīng)用，Ibutterfly是一款下載在iPhone上的AR應(yīng)用，是旅游和餐飲業(yè)的一個(gè)很好的宣傳平臺。在娛樂游戲方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以把用戶周圍的真實(shí)場景變?yōu)橛螒驁鼍埃谏缃痪W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以方便用戶與好友進(jìn)行在線交流。

近年來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在古跡重建及導(dǎo)覽方面也有很多的應(yīng)用，例如用戶到圓明園進(jìn)行游覽時(shí)可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)看到圓明園被燒毀之前的壯美建筑，加深對古跡現(xiàn)場的理解。

發(fā)展方向

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)發(fā)展方向是基于投影儀的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。盡管目前手機(jī)屏幕越來越大，但是不可能無限增大，同時(shí)大的顯示屏幕對于電池是一個(gè)非常大的考驗(yàn)。美國MIT開發(fā)的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)借助微型的投影儀把增強(qiáng)信息投到用戶手上以及用戶閱讀的報(bào)紙上，同時(shí)用戶可以通過不同的手部動作和投射出的影像進(jìn)行交互，通過投影機(jī)可以把用戶周圍任何的平面、曲面都變成顯示表面，可以幫助用戶更好的工作和生活。

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的另外一個(gè)發(fā)展方向就是對智能信息的挖掘，通過對用戶消費(fèi)習(xí)慣以及行為習(xí)慣的分析，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給用戶一個(gè)最好的建議，這樣的系統(tǒng)有賴于對原始數(shù)據(jù)的智能發(fā)掘，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，不久的將來，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將很快走入生活，從而更好的服務(wù)于我們的生活。