增强现实

增强现实,是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术,让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与互动的技术。这种技术于1990年提出。随着随身电子产品运算能力的提升,增强现实的用途也越来越广。

来源:维基百科
简介

增强现实它是在虚拟现实的基础上发展起来的新兴技术,可以在用户看到的真实场景上叠加上由计算机生成的虚拟景象。

增强现实技术是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术,并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的“增强”。它将计算机生成的虚拟物体或关于真实物体的非几何信息叠加到真实世界的场景之上,实现了对真实世界的增强。同时,由于用于与真实世界的联系并未被切断,交互方式也就显得更加自然。

增强现实技术的原理及特点

增强现实技术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。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

增强现实技术,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器溶合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息。

增强现实技术的特点是:

1、虚实结合

它可以将显示器屏幕扩展到真实环境,使计算机窗口与图标叠映于现实对象,由眼睛凝视或手势指点进行操作;让三维物体在用户的全景视野中根据当前任务或需要交互地改变其形状和外观;对于现实目标通过叠加虚拟景象产生类似于X光透视的增强效果;将地图信息直接插入现实景观以引导驾驶员的行动;通过虚拟窗口调看室外景象、使墙壁仿佛变得透明。

2、实时交互

它使交互从精确的位置扩展到整个环境,从简单的人面对屏幕交流发展到将自己融合于周围的空间与对象中。运用信息系统不再是自觉而有意的独立行动,而是和人们的当前活动自然而然地成为一体。交互性系统不再是具备明确的位置,而是扩展到整个环境。三是三维注册,即根据用户在三维空间的运动调整计算机产生的增强信息。

增强现实技术的组成

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:

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。

光学透视式

头盔式显示器(Head-mounted displays, 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(Video See-through HMD)。

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)。

增强现实技术的相关案例

一、2010年日本首次推出具有增强现实功能的智能眼镜

这项技术也为移动通讯营销创造了新契机,未来手机广告将会以崭新的形式亮相于大众眼前,智能手机用户只需把摄像头对准建筑物,比如纽约著名的中央车站,您就会立即看到车站的历史和相关背景信息,同时也可以接收车站里面和周围商家的促销信息和产品介绍,甚至可以实时浏览车站的运营情况,如您的朋友乘坐的列车是否进入了站台等。据分析人士指出,随着技术越趋成熟,增强现实技术为美国企业带来的销售额将在2014年达到七亿三千万美元。

2010年10月,日本首次推出了具有增强现实功能的智能眼镜,这副重量仅为20克的眼镜可以用数字内容,诸如方向或者旅游指南等对现实世界进行标注和说明,将现实世界和数据信息密切联系在一起。同该智能眼镜相连的手机使用了增强现实软件。研究人员首次在这副智能眼镜一边的镜架上安装了一个细小的视网膜显示器,它会将文本和图像直接投影进佩戴者的周边视野范围内,使佩戴者能够同他们正在观看的物体保持视力接触,从而不会妨碍佩戴者的正常活动。

还诞生了一项可以“吃”的高科技一一增强现实蛋糕。它是利用增强现实技术,将原本用奶油写出的祝福或者图案变成编码图案,然后可以利用手机或者电脑的摄像头拍摄还原。相比直接写上的文字内容,增强现实图案可以展示出更加丰富的内容。

二、任天堂手游Pokemon Go

日本游戏巨头任天堂上周刚刚推出的一款手机游戏在短短数天之内迅速走红,成为一款真正的“现象级”游戏大作。这款游戏不仅助推任天堂股价暴涨,更令人们对“增强现实”(AR)技术的应用未来信心大增。

这款名为《口袋妖怪Go》(Pokemon Go)的手机游戏由任天堂和美国软件开发公司Niantic联合开发。游戏玩家不再像以前那样“宅”在家中玩游戏,而是拿起手机走到户外,去寻找和抓捕精灵。

这款游戏的独特之处在于,利用“增强现实”技术将现实和虚拟结合起来,利用手机全球定位系统(GPS)、谷歌地图、摄像头等功能将现实和游戏融为一体,玩家可以在熟悉的街道上、草丛里、楼宇中寻找并抓捕精灵。

这款游戏2016年7月9日首先在澳大利亚、新西兰和北美上架,在短短数天之内就席卷了社交媒体,并雄踞美国、澳大利亚和新西兰游戏下载排行榜首。有市场研究公司估计,目前销量已经接近3亿,美国有5%的安卓手机都安装了这款游戏。

【来源:wiki, URL: http://wiki.mbalib.com/wiki/Augmented_Reality

发展历史

  • 1901: L. Frank Baum, 一位作者,首先提到了将数据叠加到现实生活中,如电子显示/眼镜,它被命名为“character marker'”。
  • 1957–62: Morton Heilig, 一名摄影师,创造和发明了一个名为Sensorama的模拟器,它具有视觉、声音、振动和气味。
  • 1968: Ivan Sutherland 发明了头戴式显示器head-mounted display,并将其定义为一扇通向虚拟世界的窗口。
  • 1975: Myron Krueger发明了 Videoplace 允许用户与虚拟对象交互。
  • 1980: University of Illinois的 Gavan Lintern 做的这项研究是第一个展示了现实飞行技能教学的作品。
  • 1980: Steve Mann 发明了第一个可穿戴电脑,在一个摄影的媒介场景中带有文本和图形覆盖的计算机视觉系统。如 EyeTap. 如 Heads Up Display.
  • 1981: Dan Reitan 将多个气象雷达图像和天基和工作室相机映射到地球地图和电视天气广播中。将概念引入到电视中的增强现实。
  • 1984:在电影《终结者erminator》中,终结者在电影的几个部分使用了一个heads-up display。
  • 1987: Douglas George 和 Robert Morris 发明了一个天文望远镜的工作原型,这是一个天文望远镜的“heads-up display”系统(增强现实的前体概念),它叠加在望远镜的目镜上,在实际的天空图像、多强度恒星、天体图像和其他相关信息之上。
  • 1990: 'Augmented Reality' 一词是由Boeing 公司前研究员Thomas P. Caudell所提出。
  • 1992: Louis Rosenberg 在美国空军研究实验室Armstrong开发了第一个被称为Virtual Fixtures的AR系统,并展示了它的优越之处。
  • 1993: Steven Feiner, Blair MacIntyre and Doree Seligmann 在图形界面会议上提出了AR系统原型KARMA的早期论文。present an early paper on an AR system prototype, KARMA, at the Graphics Interface conference.
  • 1993: Loral WDL,在SCORCOM的赞助下,首次进行了现场配备AR装备和载人模拟器的演示。未发表的论文 J. Barrilleaux, "Experiences and Observations in Applying Augmented Reality to Live Training", 1999。
  • 1994: Julie Martin 发明第一个 'Augmented Reality Theater production', 它可以在Cyberspace空间上跳舞, 由Australia Council for the Arts资助, 舞蹈演员和杂技演员实时操纵身体大小的虚拟物体,投射到相同的物理空间和表演平面。杂技演员也出现在虚拟对象和环境中。它安装了硅图形计算机和PrimeSUS传感系统。f
  • 1998: S Ramesh Raskar, Welch, Henry Fuchs在 University of North Carolina的教堂介绍的空间增强现实Spatial Augmented Reality.
  • 1999: Frank Delgado, Mike Abernathy 等人完成飞行测试LandForm软件视频的地图覆盖。在Army Yuma Proving Ground的直升机覆盖了跑道,滑行道,道路和道路名称的视频。
  • 1999: 美国海军研究实验室做了十年的研究,被称为增强现实的原型系统(BARS)为在城市环境中帮助士兵进行早期可穿戴系统的原型设计,以进行各种训练。
  • 1999: Hirokazu Kato (加藤 博一) 发明了 ARToolKit在 HITLab实验室,AR后来由其他HITLAB科学家进一步开发,在SIGGRAPH上演示。
  • 2000: Bruce H. Thomas develops开发了第一款户外ARQuake户外游戏,在International Symposium on Wearable Computers上演示。
  • 2001: 美国航空航天局X-38飞行使用地形软件视频地图覆盖在Dryden Flight Research中心。
  • 2004: 户外头盔安装的AR系统由TrimBLE导航和人机界面技术。
  • 2008: WikutUD AR旅游指南推出20 OCT 2008安装在G1 Android phone手机上
  • 2009: ARTooKik通过Saqoosha移植到Adobe Flash(FLARTooToCKIT)上,将增强现实引入到Web浏览器中。
  • 2012: 一个互动的游戏平台LytHead推出,它利用智能眼镜来获得游戏数据
  • 2013:Meta宣布Meta 1开发者工具包,第一个到市场的AR透视显示
  • 2013: 谷歌发布对增强现实眼镜进行公开测试。眼镜通过蓝牙到达互联网,连接到用户手机上的无线服务。当用户说话、触摸框架或移动头部时,眼镜会做出反应。
  • 2014: Mahei创造了第一代增强现实增强教育玩具。
  • 2015: 微软发布Windows全息,HOLLONS增强现实耳机。耳机利用各种传感器和处理单元,将高清晰度的全息图与现实世界融合在一起。
  • 2016: released 2016年7月Niantic 发布了 Pokémon Go的iOS和Android版本。游戏很快成为最受欢迎的智能手机应用之一,反过来又增强了增强现实游戏的普及率。
  • 2017: Magic Leap 宣布使用数字光场技术嵌入Magic Leap One耳机。 creators版的耳机包括眼镜和佩带在你腰带上的包。

【来源:WIKI ; URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Augmented_reality】

主要事件

年份

1997Azuma, R. T.对增强现实进行回顾Azuma, R. T. (1997). A survey of augmented reality. Presence: Teleoperators & Virtual Environments, 6(4), 355-385.
2001Azuma, R.对增强现实取得的进步进一步分析Azuma, R., Baillot, Y., Behringer, R., Feiner, S., Julier, S., & MacIntyre, B. (2001). Recent advances in augmented reality. IEEE computer graphics and applications, 21(6), 34-47.
2002Piekarski, W., & Thomas, B.提出ARQuate一个室外游戏系统Piekarski, W., & Thomas, B. (2002). ARQuake: the outdoor augmented reality gaming system. Communications of the ACM, 45(1), 36-38.
2005Bimber, O., & Raskar, R.提出Spatial augmented realityBimber, O., & Raskar, R. (2005). Spatial augmented reality: merging real and virtual worlds. CRC press.
2010Van Krevelen, D. W. F.,对增强现实的技术应用和限制进行回顾Van Krevelen, D. W. F., & Poelman, R. (2010). A survey of augmented reality technologies, applications and limitations. International journal of virtual reality, 9(2), 1.

发展分析

瓶颈

虽然经过了十几年的研究,开发了以上的许多种工具包,但是几乎所有 AR 系统仍然处于实验室内使用,研究者已经开始考虑 AR在实用中面临的一些基本问题,主要有以下几个方面:

(1) 景物的生成与显示

几乎所有的 S-HMD 设备在明亮的环境下,其显示的效果都比较暗,另外,由于头戴式显示器上的摄像机的摄像角度与眼睛的位置存在偏差,因此虚拟物体的定位在真实视场中的定位和显示角度也会存在偏差且很难调整。

(2) 定位错误

定位错误不可避免,民用 GPS一般精度在 3m到12m 左右,在较差的天气中,最大误差可达 100m 。电子罗盘也会因为附近的磁场干扰产生误差。由于现有许多户外的系统中的校正算法需要大量的输入和繁琐的校正步骤,因此不适合商业化应用。

(3) 通讯设备

多数系统都假设在带宽满足的情况下进行操作,但实际情况并非如此,在绝大多数分布式 AR 应用中,系统能力都要受制于数据传送的速度。因此在大型协作 AR 系统中,还有赖于通过动态兴趣度管理算法和动作预测算法来降低所需传输的数据量。

(4) 计算能力

在户外AR 系统中,必须尽量减少客户端配置,数据处理常由便携式计算机,甚至是依靠掌上电脑来处理,因此,如何达到实时性和提高渲染效果是必须面对的一个问题。这也是目前 AR 研究中的热点之一 。

增强现实综述--《中国图象图形学报》2004年07期

未来发展方向

未来可能的领域:

Literature(文学);Archaeology(考古学);Architecture(建筑学);Visual art(视觉艺术);Commerce(商业);Education(教育);Emergency(紧急事件);management/search and rescue(管理/搜救);Video games(视频游戏);Industrial design(工业设计);Medical(医学);Spatial immersion and interaction(空间互动);Flight training(飞行训练);Military(军事);Navigation(导航);Workplace(工作场所);Broadcast and live events(广播和直播活动);Tourism and sightseeing(旅游);Translation(翻译);Music(音乐);Retail(零售);Social network (社交网络)。

【来源:wiki, URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Augmented_reality】

Contributor:Cai Ruiying

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