科普:增强现实技术

增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。

一、增强现实技术简介

增强现实(Augmented Reality,简称 AR),是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术,这种技术的目标是把虚拟世界套在现实世界,并进行互动。

AR是一种将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息,通过计算机视觉等科学技术,应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。通过AR技术,真实的环境和虚拟环境叠加到同一画面或空间。

AR技术最早于1990年提出。随着5G时代的到来,高网速低时延的网络环境,给AR技术提供了前所未有的发展空间。

二、增强现实技术的基本原理及特征

(一)工作原理简介

移动式增强现实系统的早期原型增强现实的基本理念是将图像、声音和其他感官增强功能实时添加到真实世界的环境中。听起来十分简单。而且,电视网络通过使用图像实现上述目的不是已经有数十年的历史了吗?的确是这样,但是电视网络所做的只是显示不能随着摄像机移动而进行调整的静态图像。增强现实远比您在电视广播中见到的任何技术都要先进,尽管增强现实的早期版本一开始是出现在通过电视播放的比赛和橄榄球比赛中,例如Racef/x和添加的第一次进攻线,它们都是由SporTVision创造的。这些系统只能显示从一个视角所能看到的图像。下一代增强现实系统将显示能从所有观看者的视角看到的图像。

增强现实要努力实现的不仅是将图像实时添加到真实的环境中,而且还要更改这些图像以适应用户的头部及眼睛的转动,以便图像始终在用户视角范围内。

下面是使增强现实系统正常工作所需的三个组件:
① 头戴式显示器
② 跟踪系统
③ 移动计算能力

增强现实的开发人员的目标是将这三个组件集成到一个单元中,放置在用带子绑定的设备中,该设备能以无线方式将信息转播到类似于普通眼镜的显示器上。

(二)基本特征

AR系统具有三个突出的特点:

①真实世界和虚拟世界的信息集成;

②具有实时交互性;

③是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。

AR技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域。

三、增强现实技术的组成形式

一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的,常用的有如下三种组成形式。

(一)Monitor-Based

在基于计算机显示器的AR实现方案中,摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中,与计算机图形系统产生的虚拟景象合成,并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它结构简单,不能带给用户多少沉浸感,属于典型上一个时代的产物。Monitor-Based增强现实系统实现方案如下图所示:


(二)光学透视式

头盔式显示器(Head-mounteddisplays,简称HMD)被广泛应用于虚拟现实系统中,用以增强用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术,这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。根据具体实现原理又划分为两大类,分别是基于光学原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(VideoSee-through HMD)。

光学透视式增强现实系统具有简单、分辨率高、没有视觉偏差等优点,但它同时也存在着定位精度要求高、延迟匹配难、视野相对较窄和价格高等不足。

(三)视频透视式

视频透视式增强现实系统采用的基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)

四、增强现实技术的应用领域

AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域,诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用,而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性,在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域,具有比VR技术更加明显的优势。

1、 医疗领域:医生可以利用增强现实技术,轻易地进行手术部位的精确定位。

2、 军事领域:部队可以利用增强进行方位的识别,获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。

3、古迹复原和数字化文化遗产保护:文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者,用户不仅可以通过HMD看到古迹的文字解说,还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。

4、工业维修领域:通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户,包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。

5、网络视频通讯领域:该系统使用增强现实和人脸跟踪技术,在通话的同时在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体,在很大程度上提高了视频对话的趣味性。

6、电视转播领域:通过增强现实技术可以在转播体育比赛的时候实时的将辅助信息叠加到画面中,使得观众可以得到更多的信息。

7、娱乐、游戏领域:增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家,共同进入一个真实的自然场景,以虚拟替身的形式,进行网络对战。

8、旅游、展览领域:人们在浏览、参观的同时,通过增强现实技术将接收到途经建筑的相关资料,观看展品的相关数据资料。

9、市政建设规划:采用增强现实技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果。

来源:网络整理

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