增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景增強(qiáng)。現(xiàn)實(shí)是把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體或其他信息合成到用戶感知的真實(shí)世界中的一種技術(shù)。它是對(duì)真實(shí)世界的補(bǔ)充，而不是完全替代真實(shí)世界。顯示技術(shù)和跟蹤注冊(cè)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，也是研究的重點(diǎn)本文簡(jiǎn)要介紹了頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示等顯示技術(shù)以及跟蹤注冊(cè)技術(shù)。最后提到了目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用和將來的發(fā)展方向。

引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality 簡(jiǎn)稱AR) 技術(shù)是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的補(bǔ)充，使得虛擬物體從感官上成為周圍真實(shí)環(huán)境的組成部分。與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality 簡(jiǎn)稱VR)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)只是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)，加深了對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感受。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)了用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知能力和與現(xiàn)實(shí)世界的交互能力如圖【1】。

Milgram根據(jù)用戶界面中計(jì)算機(jī)生成信息的比例的大小定義了一個(gè)真實(shí)環(huán)境到虛擬環(huán)境連續(xù)體，他認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的一部分。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的問題就是實(shí)現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實(shí)世界的融合。顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本技術(shù)之一。一般而言，可以把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)分為以下幾類：頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示。

1.1 頭盔顯示器(Head-mounted display, 簡(jiǎn)稱HMD)顯示

現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)界面中大多采用頭盔顯示真實(shí)世界器。主要原因是頭盔顯示器較其他幾種顯示技術(shù)而言沉浸感最強(qiáng)。因?yàn)橛糜谠鰪?qiáng)顯示系統(tǒng)的頭盔顯示器能夠看到周圍的真實(shí)環(huán)境，所以叫做透視式(see-through)頭盔顯示器。

透視式頭盔顯示器一般分為視頻透視式(Vedio seethrough)和光學(xué)透視式(Optical see-through )。前者是利用攝像機(jī)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行同步拍攝，將信號(hào)送入虛擬現(xiàn)實(shí)工作站在虛擬工作站中將虛擬場(chǎng)景生成器生成的虛擬物體同真實(shí)世界中采集的信息融合，然后輸出到頭盔顯示器。而后者則是利用光學(xué)組合儀器直接將虛擬物體同真實(shí)世界在人眼中融合，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)(如 圖2).

還有一種更為奇特的方法是虛擬視網(wǎng)膜顯示技術(shù)(Virtual Retinal Display 簡(jiǎn)稱VRD )。華盛頓大學(xué)的人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)室(HIT Lab) 研究出的VRD 是通過將低功率的激光直接投射到人眼的視網(wǎng)膜上，從而將虛擬物體添加到現(xiàn)實(shí)世界中來。

1.2 投影式顯示projection display

投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強(qiáng)的物體上，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。日本Chuo 大學(xué)研究出的PARTNER 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以用于人員訓(xùn)練，并且使一個(gè)沒有受過訓(xùn)練的試驗(yàn)人員通過系統(tǒng)的提示，成功地拆卸了一臺(tái)便攜式OHP(Over Head Projector)。

另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機(jī)(Head-Mounted Projective Display 簡(jiǎn)稱HMPD)來進(jìn)行投影。美國(guó)伊利諾斯洲立大學(xué)和密歇根洲立大學(xué)的一些研究人員研究出一種HMPD 的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)微型投影鏡頭一個(gè)戴在頭上的顯示器和一個(gè)雙面自反射屏幕組成。

由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體顯示在HMPD 的微型顯示器上，虛擬物體通過投影鏡頭折射后再由與視線成45 的分光器反射到自反射的屏幕上面。自反射的屏幕將入射光線沿入射角反射回去進(jìn)入人眼中從而實(shí)現(xiàn)了虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的重疊(如圖3 所示)。

1.3 手持式顯示器(Hand Held Display 簡(jiǎn)稱HHD)顯示

通過采用攝像機(jī)等其他輔助部件，一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用了手持式顯示器。美國(guó)華盛頓大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了一個(gè)便攜式的MagicBook 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 。該系統(tǒng)采用一種基于視覺的跟蹤方法把虛擬的模型重疊在真實(shí)的書籍上，產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景同時(shí)該界面也支持多用戶的協(xié)同工作。日本的SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室也研究出一種手持式顯示器，利用這種顯示器，構(gòu)建了TransVision 協(xié)同式工作環(huán)境。

1.4 普通顯示器顯示Monitor-based Display

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也可以采用普通顯示器顯示。在這種系統(tǒng)中，通過攝像機(jī)獲得的真實(shí)世界的圖像與計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體合成之后在顯示器輸出。在需要時(shí)也可以輸出為立體圖像這時(shí)需要用戶戴上立體眼鏡。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的注冊(cè)技術(shù)

注冊(cè)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，注冊(cè)實(shí)際上就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體和真實(shí)環(huán)境中景象“對(duì)齊”的過程。注冊(cè)必須先確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后通過正確的幾何投影將虛擬物體投影到觀察者的視野中。注冊(cè)一般分為動(dòng)態(tài)注冊(cè)和靜態(tài)注冊(cè)。動(dòng)態(tài)注冊(cè)是攝像機(jī)與真實(shí)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，確定二者的相對(duì)位置靜態(tài)注冊(cè)是攝像機(jī)與真實(shí)物體相對(duì)靜止的情況下確定二者的相對(duì)位置。 在目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)是采用的動(dòng)態(tài)注冊(cè)。動(dòng)態(tài)注冊(cè)技術(shù)一般可以分為兩種，基于跟蹤器的注冊(cè)技術(shù)和基于視覺的注冊(cè)技術(shù)。

2.1 基于跟蹤器的注冊(cè)技術(shù)

跟蹤的主要目的是記錄真實(shí)世界里的觀察者的方向和位置，以便保持虛擬空間和真實(shí)空間的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)精確的注冊(cè)一般主要有以下幾種：跟蹤技術(shù)飛行時(shí)間定位跟蹤、機(jī)構(gòu)聯(lián)接、跟蹤相差跟蹤、場(chǎng)跟蹤、復(fù)合跟蹤系統(tǒng)。

1) 飛行時(shí)間(Time of Flight,簡(jiǎn)稱TOF)定位跟蹤系統(tǒng)

這種方法就是利用一些手段測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和參照物之間的距離，然后推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在虛擬環(huán)境中的坐標(biāo)。前提是假定脈沖信號(hào)的傳播速度為常數(shù)，通過測(cè)定接收裝置接收相臨兩次脈沖信號(hào)之間的時(shí)間來確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相對(duì)于參照物的距離。

2) 機(jī)構(gòu)聯(lián)接跟蹤系統(tǒng)