增强现实技术综述

王星玮,王建国,侯麒麟, 王佳丽, 王泽璞

摘要：增强现实技术是一种将虚拟信息叠加到真实环境中，从而增强用户对真实环境的感知的技术。它通过跟踪注册将虚实物体叠加，然后利用显示技术将叠加后的环境呈现给用户，并提供交互功能。本文论述了增强现实的发展历史、包含的重要技术及其在生产生活中的应用。

关键词：增强现实；跟踪注册；显示技术；人机交互

1、增强现实的发展历史

美国科学家IvanSutherland在1965年发表了《终极显示》，对沉浸式显示器做了描述。1968年，他使用光学透视器件构建了第一套虚拟现实系统。他的一系列研究开创了全新的领域，这个领域又分化成如今的虚拟现实和增强现实两大研究方向[1]。

虚拟现实技术利用人工构造出整个三维虚拟环境，将用户置于该环境内。在这个环境中，用户所看到的所有物体都是虚拟的，但用户可以与这些物体进行交互。

由于虚拟现实呈现的环境中没有真实物体，容易导致真实感差。为了解决这一问题，增强现实出现。增强现实是指在真实环境中引入虚拟物体，实现对真实环境的增强[2]。

增强现实最大的优点是直观。通过将虚拟物体或虚拟信息叠加到真实场景中，使得用户能够更快速地了解真实场景并与之互动。随着技术的发展，增强现实也越来越多地应用于教育、军事、医疗、生产制造、娱乐等各行各业。

2、增强现实的关键技术

2.1  跟踪注册技术

注册是指空间特性上的对准，在增强现实中注册的对象会在某一坐标系下对齐。实现注册，就需要不断获得真实物体的位姿。测量位姿的方法叫做跟踪。跟踪的对象可以是计算机，也可以是人[3]。目前主要的技术有三种：基于传感器、基于计算机视觉和传感器与计算机视觉相融合的跟踪注册技术。

2.1.1  基于硬件传感器的跟踪注册技术

根据出现时间，基于传感器的跟踪系统又可分为固定跟踪系统和移动传感器。

固定跟踪系统不需要携带或移动，包括机械跟踪、电磁跟踪和超声波跟踪。

机械跟踪是最早的跟踪技术，利用机械关节臂和运动链数学公式来确定末端的位置和方向。这种方法精密度和更新率高，但操作的自由度严格受限于机械结构。目前多用于其他跟踪系统的校正或检测上。

电磁跟踪利用磁场强度和方向来测量物体位姿。该方法的显著优势是不需要可视，可用于遮挡的情况。缺点是易受铁磁材料或其他电磁信号的干扰。

固定系统一般适合一些不太需要用户进行太多移动的情况。与此相对，在无约束环境下漫游的用户需要移动传感器来实现跟踪。主要技术有全球定位系统、无线网络、惯性传感器、磁力仪以及光学传感器等。

全球定位技术可确定物体位置，在户外的效果较好。以GPS为例，在城市中手机GPS的精度是5到10米，精度不够。实际应用中只将其数据作为一个粗略的初始位置。此外，GPS不能确定方向，必须从其他传感器中获取。

利用无线网络也可以确定个人位置。如果能测量到足够数量的信号塔信号，则可以通过三边测量或概率图确定位置。现在的智能手机通常综合运用GPS、WiFi和蜂窝无线功能，从而达到非常高的定位精度。

磁力仪又称电子罗盘，利用霍尔效应测量地磁场方向来确定相对于地磁北极的方位。该方法易受局部磁场的干扰，有时不可靠。

光学跟踪通过摄像机来实现，精度较高，是当今最主要的跟踪手段之一。

综上所述，基于传感器的跟踪注册技术比较成熟，但成本较高，有些方法易受环境的影响。

2.1.2  基于计算机视觉的跟踪注册技术

基于计算机视觉的跟踪注册技术包括带标记跟踪和不带标记跟踪两种。

带标记跟踪是将标志物放在场景中，通过标志物来确定摄像机的位姿。比较有代表性的方法是ARToolkit，利用标志物实现跟踪注册，存在遮挡敏感问题。

不带标记的跟踪无需标志物，通过环境中的自然特征来实现跟踪注册。ARTag采用数字编码的方式实现跟踪，有一定的处理遮挡能力，但效果不稳定。

2.1.3  综合视觉与传感器的跟踪注册技术

很多时候单独运用传感器或计算机视觉并不能获得理想的效果，因此可将二者结合起来。比如将计算机视觉信息和惯性导航系统获得的信息深度融合，从而获得更好的跟踪效果。

2.2  显示技术

显示技术将虚拟信息和真实信息相融合，是增强现实中最关键的技术之一。常用的显示设备有头戴式、屏幕式及手持式等。

头戴式显示设备包括视频透视式和光学透视式。视频透视式显示器通过视频信号将融合之后的场景显示给用户。光学透视式显示器通过一套光学组合器为用户展现虚实结合的场景。

计算机屏幕具有较高的分辨率，可满足桌面机用户的需求，一般用于室内。这种方法沉浸感较弱，但适合多用户体验。

手持式显示设备依托于智能手机进行开发，利用了智能手机携带的摄像头、传感器和GPS系统等。这类设备轻巧易携带，但沉浸感较弱。

2.3  人机交互技术

用户可以自然地与环境中的物理对象进行交互，这是增强现实和虚拟现实之间的重要区别之一。传统的人机交互方式主要通过键盘、鼠标等设备，新型的交互技术可基于触控、手势和语音等进行人机交互。

在传统的人机交互中，用户利用鼠标、键盘等设备对虚拟物体进行选择、拖拽等操作。这种技术成熟，实现简单，缺点是沉浸感较弱。

触控交互技术是普通硬件交互技术的发展，是指在触摸屏上进行各种操作。相比于鼠标和键盘等输入设备，触摸屏输入更简单。随着触屏技术的发展，多点触控、指关节敲击、熄屏双击等触控技术也被实现，使得输入方式更加便捷。

手势交互技术将手作为人机交互的接口，通过捕获用户的手势并转化为相应的指令，实现人机交互。微软的HoloLens系统就是通过手势信息来实现人机交互的。该方法直观、自然，是目前研究的热点之一。

语音识别技术的发展使得使用自然语言进行人机交互成为了现实。语音交互在智能终端上已经有了广泛应用，如苹果系统的Siri和小米系统的“小爱同学”，可识别特定音色的语音并做出相应的动作。这种交互技术的优点是效率高，不需要人手进行操作。

3、增强现实技术的应用

增强现实技术日渐成熟，也逐渐被运用于生产制造、军事训练、教育教学、休闲娱乐等各个领域。

工业生产领域是最早运用增强现实的领域之一。在组装和维修时，工人使用增强现实技术，根据叠加在产品上的提示信息快速完成工作任务。在电路和地下管道检修时，可将线路准确地呈现在施工人员眼中，避免在挖掘期间造成不必要的损失。

在军事训练方面，可利用增强现实技术指导士兵进行装备操作、提供更加真实的战场环境，大大提升训练效率。

增强现实技术运用在教育方面，可为师生提供沉浸感很强的学习环境。比如在物理学习中，通过与物理模型的互动，促进对所学内容的理解。

在电影拍摄、游戏开发等过程中引入增强现实技术，在视觉、听觉和触觉等方面给人更多的真实感，增强了用户的体验。

4、结束语

增强现实技术是目前研究的热门领域，广泛的应用场景和层出不穷的新技术为之提供了广阔的发展前景。在未来，增强现实将应用于生产生活的更多方面，并发挥巨大的作用。

参考文献

[1]增强现实：原理与实践/（奥）迪特尔·施马尔斯蒂格（Dieter Schmalsting），（美）托比亚斯·霍勒尔（Tobias Höllerer）著；刘越译.——北京：机械工业出版社，2020.1（2021.1冲印）

[2]王宇希,张凤军,刘越.增强现实技术研究现状及发展趋势[J].科技导报,2018,36(10):75-83.

[3]侯颖,许威威.增强现实技术综述[J].计算机测量与控制,2017,25(02):1-7+22. DOI: 10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.001.