增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的研究進展及應用

最為典型的機構(gòu)聯(lián)接跟蹤方式是直接用機構(gòu)聯(lián)接參照物和運動目標。機械式的跟蹤一般可以分為兩類:一種各種機構(gòu)的組合,另外一種就是采用彈簧來聯(lián)接.當彈簧處于張緊狀態(tài)時,就可以通過彈簧的參數(shù)計算出距離.

3) 相差(phase difference )跟蹤系統(tǒng)

相差跟蹤系統(tǒng)是通過測量參照物和運動目標上的同頻率信號的相位差來進行跟蹤的.采用的信號大多數(shù)是超聲波信號,它的缺點就是會有誤差積累,同時超聲波信號易受環(huán)境的溫度濕度和超聲波噪聲的影響.其優(yōu)點就是能夠有比較高的數(shù)據(jù)采集速度比TOF 超聲波跟蹤系統(tǒng)有更高的精度.

4) 場跟蹤系統(tǒng)

用來跟蹤的場包括電磁場和重力場,用得比較普遍的是電磁場.電磁場跟蹤采用的是線圈作為信號發(fā)生器,通過測量通過接收器的磁通量就可以確定接收器和信號源之間的相對距離.

電磁場跟蹤系統(tǒng)價格便宜結(jié)構(gòu)緊湊而且重量輕廣泛應用于各種增強現(xiàn)實系統(tǒng)中.另外一種場跟蹤系統(tǒng)是基于重力場的,采用的測量儀器一般是傾角計和加速度計.

5) 復合跟蹤系統(tǒng)

復合跟蹤系統(tǒng)指的是在同一增強現(xiàn)實系統(tǒng)中采用兩種以上的跟蹤方式,以實現(xiàn)各種跟蹤方式的優(yōu)勢互補.但是復合跟蹤系統(tǒng)往往會提高系統(tǒng)的復雜性和成本.

2.2 基于視覺的注冊技術(shù)

基于視覺的注冊是通過給定的一幅或者多幅圖像來確定攝像機和真實世界中目標的相對位置和方向.就目前的研究情況來看基于視覺的注冊主要有兩種情況,一種是事先對相機定標,對獲取的圖像進行分析.計算相機的位置;另外一種是通過仿射變換來實現(xiàn)注冊。

1) 通過對相機定標注冊

相機定標就是獲取相機的內(nèi)部參數(shù)然后根據(jù)這些參數(shù)和獲取的圖像來計算相機的位置和方向。這實際上是一個從三維場景到二維成像平面的轉(zhuǎn)換過程。通常關心的相機參數(shù)包括鏡頭的焦距以及傳感器像元的高度、寬度、高寬比等。

國內(nèi)也有研究人員從事動態(tài)注冊的研究[3]。文獻[3]介紹了相機定標以及跟蹤的算法，并且以PC 為平臺，實現(xiàn)了這個算法。

2) 通過仿射變換注冊

通過仿射變換注冊實際上是計算機圖形學和計算機視覺技術(shù)在增強現(xiàn)實系統(tǒng)設計中的一個運用。Konenderink 等人曾提出，給定三維空間中任何至少四個不共面的點空間中任何一個點的投影變換都可以用這四個點的變換結(jié)果的線性組合來表示。

通過引入全局仿射坐標系的定義，將虛擬物體和真實世界置于同一個統(tǒng)一的坐標系下面，從而很方便地實現(xiàn)了注冊。不僅如此該注冊方法也實現(xiàn)了深度的估計。國

外Kiriakos等人也討論過類似的系統(tǒng)，并且通過該方法設計出了具體的增強現(xiàn)實系統(tǒng) 。通過仿射變換實現(xiàn)注冊是增強現(xiàn)實注冊技術(shù)的一個突破它繞開了傳統(tǒng)的跟蹤、定標等一些繁瑣而且容易出現(xiàn)較大誤差的注冊方法，實現(xiàn)了通過計算機視覺的分析進行注冊。

3 增強現(xiàn)實系統(tǒng)的運用

由于增強現(xiàn)實系統(tǒng)既有虛擬的成分，同時也有現(xiàn)實世界的真實環(huán)境使得增強現(xiàn)實系統(tǒng)成為除了現(xiàn)實世界之外的最有沉浸感的環(huán)境。增強現(xiàn)實系統(tǒng)將成為一種新型的媒介，逐漸深入到從醫(yī)學到軍事等各個領域。

3.1 醫(yī)學

增強現(xiàn)實運用到醫(yī)療中，可以使外科醫(yī)生在給病人動手術(shù)的過程中，看到注冊到病人身體上的CT 或者MRI 圖像。不僅如此，增強現(xiàn)實系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療教育培訓中。另外，增強現(xiàn)實還可用于虛擬人體解剖圖、虛擬人體功能、虛擬手術(shù)模擬、遠程手術(shù)等并且可以用于康復醫(yī)療。

3.2 娛樂

增強現(xiàn)實系統(tǒng)廣泛應用于各種娛樂活動中。虛擬演播室技術(shù)是增強現(xiàn)實在傳統(tǒng)視頻合成技術(shù)的基礎上發(fā)展的結(jié)果。 同時增強現(xiàn)實技術(shù)還可用于各種游戲體育比賽的轉(zhuǎn)播等。

3.3 機器人技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)可以用于機器人視覺、遙控機器人等方面。采用增強現(xiàn)實技術(shù)可以給空間機器人的操作員一個具有沉浸感的環(huán)境，使得操作起來更容易。除了空間機器人以外在許多諸如采礦深海潛水等許多危險的工作環(huán)境中，也可以采用增強現(xiàn)實技術(shù)。

3.4 制造維護和維修

當設備維護人員在維護一臺陌生的設備的時候，往往需要看很多的手冊，利用增強現(xiàn)實系統(tǒng)則可以避免這一點日本Chuo 大學工業(yè)和系統(tǒng)工程系研究出的PARTNER 系統(tǒng)就指導了一個沒有經(jīng)過訓練的人員成功地拆卸了一臺投影機。這種系統(tǒng)一般是用增強現(xiàn)實技術(shù)為維護人員提供輔助信息。

3.5 其他

增強現(xiàn)實系統(tǒng)還廣泛運用于軍事訓練、商業(yè)等領域。增強現(xiàn)實技術(shù)在商業(yè)中的應用主要是用于廣告業(yè)例如在體育比賽轉(zhuǎn)播中插入廣告等。Daniela Hall等人還研制出了一種用于辦公室環(huán)境的增強現(xiàn)實系統(tǒng)Magicboard，華盛頓大學將增強現(xiàn)實技術(shù)運用于遠程會議系統(tǒng)。

4 增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展展望

雖然增強現(xiàn)實技術(shù)在近20 年來取得了很大的發(fā)展，但是還是存在很多技術(shù)方面的難題。例如透視式系統(tǒng)沒有足夠的亮度、分辨率和對比度。目前的大多數(shù)系統(tǒng)都是運用于預知的環(huán)境中，而在非預知的環(huán)境中的增強現(xiàn)實系統(tǒng)比較少。同時，如果增強現(xiàn)實系統(tǒng)運用于戶外用戶必須戴上計算機、傳感器、顯示器、電池等許多設備。從而使得系統(tǒng)顯得笨重，所以系統(tǒng)的微型化和低能耗也是一個重要的研究方向。

在網(wǎng)絡高度發(fā)展的今天，增強現(xiàn)實系統(tǒng)的網(wǎng)絡化也是一個重要的發(fā)展趨勢。通過網(wǎng)絡，可以減少一些裝備，同時也可以大大提高增強現(xiàn)實系統(tǒng)的效能。圖4 是Keith 等提出的增強現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡化的構(gòu)想圖，通過GPS 無線接入網(wǎng)絡可以將增強現(xiàn)實系統(tǒng)連上因特網(wǎng)。

和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不同,增強現(xiàn)實系統(tǒng)的實時性要求非常高。前者的某些數(shù)據(jù)可以事先計算好，而增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬物體必須實時地生成，并被準確地描繪到現(xiàn)實世界的景象中。這就要求降低系統(tǒng)的延遲性，提高軟件的計算速度。

5 結(jié)論

增強現(xiàn)實技術(shù)是一個多學科交叉的領域，它包括計算機視覺、計算機圖形學、傳感器、網(wǎng)絡、GPS等許多技術(shù)在現(xiàn)實化的增強顯示中，人們能夠把真實世界和電腦圖形重合在一起，便可以得到對真實世界更深的理解。因此，AR被人們稱為“更真實的現(xiàn)實”。AR不僅在與VR有相似的應用領域，但是由于其具有能夠?qū)φ鎸嵀h(huán)境的增強輸出特性，在醫(yī)療研究和解剖訓練、精密儀器制造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等領域，具有VR技術(shù)更加明顯的優(yōu)勢。相信隨著技術(shù)的日益成熟，AR將會走進人們的生活，為人們接受。