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增强现实技术漫谈一

楼主#
更多 发布于:2017-12-23 13:23
前言
随着信息技术的高速发展,虚拟现实、增强现实等逐渐火热。虚拟现实是一种完全建立虚拟环境,让人类脱离现有环境进入新的世界,它的广泛应用可能还要经过一段时间的积淀,目前虚拟现实主要在科研仿真、虚拟漫游、游戏娱乐、教育培训等领域发挥作用。而从虚拟现实中发展起来的增强现实,旨在增强人类能力,为人类提供各种辅助信息,成为沟通人类个体与信息世界的重要枢纽。目前已经在医疗、交通、教育培训、航天、通信、工业维修等领域发挥作用。相信增强现实的大规模应用会比虚拟现实更早一些,可能取代智能手机,成为下一代智能计算与显示平台,将物理世界与信息世界联系得更加紧密。这里,我们主要谈一下增强现实的相关内容。


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本文是一个概念性介绍,更详细的关于增强现实研究内容分析请参考:
《增强现实技术漫谈二——研究内容全面解析》
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1 增强现实的概念
增强现实(Augmented Reality,简称AR)技术是一种基于计算机实时计算和多传感器融合,将现实世界与虚拟信息结合起来的技术。该技术通过对人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感受进行模拟和再输出,并将虚拟信息叠加到真实信息上,给人提供超越真实世界感受的体验。目前广泛接受的一种定义是Azume在1997年提出的,他认为AR应该具有三个特征:
(1)结合真实与虚拟
(2)实时交互
(3)支持三维注册
我们所要讨论的增强现实,主要是视觉增强现实技术,核心在于虚拟信息和真实世界在物理空间中的匹配以及可视化。一个完整的AR系统至少有三个部分:跟踪、注册和显示。

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晓晓:师兄,你讲了这么半天,我还是没有太明白啊。这个“结合真实与虚拟”到底是怎么个结合法?“实时交互”我倒是懂,就是能够和AR系统进行实时信息交换。“三维注册”应该就是三维空间中的对齐吧,或者叫配准。是这个样子吗?
师兄:看来你基本懂了一些,后两个说得都对。第一个结合真实与虚拟,就是把真实的信息和虚拟的信息放到一起,只不过要放得有规律罢了。来看一幅图,或许能帮助你理解这个概念。下图中这个兄弟,佩戴了一个Hololens增强现实头盔显示器,于是他就能看到工具箱和一些简单的3D模型,这些都是虚拟成像,但是它们被安排在桌面上,无论你怎样移动头部,虚拟的工具箱和模型总是稳定地放在桌子上,就好像它们是真实的桌面上的物体一样。这样就是一种“真实与虚拟”的结合啦。


图片:20170320150839323.png


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2 增强现实技术起源
Sutherland在1968年完成了第一台头盔显示器,堪称头盔显示器的开山祖师。不过由于当时技术限制,该设备非常笨重,需要悬挂在房顶上使用,于是被戏称为“达摩克利斯之剑”。

70年代、80年代也有很多研究者做了相关的研究工作,但是直到90年代初期,“Augmented Reality”这个词汇才首次诞生。渐渐地,增强现实脱去虚拟现实的外衣,成为一个独立的研究领域。
随着21世纪初期智能手机的兴起,增强现实有了天然的开发载体,视频式的增强现实迅速发展起来。这也得益于ARToolKit和Vuforia等基于图像的跟踪定位工具的相继推出。如下图,使用智能手机和平板电脑作为平台的增强现实应用,目前已经非常普遍。


但是,智能手机和平板电脑毕竟只是视频式的增强现实,相比于光学式的来说,还是少了一点科技感和刺激感。于是谷歌在2012年发布了Google Glass,为增强现实的发展注入了新的活力。它对于AR发展的作用应该就像是Facebook的Oculus Rift之于虚拟现实一般。2014年3月26日,Facebook宣布将以约20亿美元的总价收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus VR。这一事件极大地推动了虚拟现实的发展。类似地,Google等商业巨头投身AR,也必将对AR起到巨大作用。尽管后来GoogleGlass停产,但是其作用不可忽视。之后,又有更多的公司推出了自己的光学式增强现实眼镜,最著名的是Microsoft Hololens和Maigc Leap,前者已经有了开发者版本,后者还在研发周期中,没有成品面世。



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晓晓:你提到了视频式和光学式增强现实,这两者有什么区别呢?
师兄:你觉得呢?我想以小师妹你灵活的脑袋,一定是已经有了一个答案了吧?
晓晓:哦,我觉得可能是呈现方式有区别吧?视频式应该是依赖于视频流实现叠加,光学式的其实还是比较模糊,不知道怎么描述啊。。。汗。。。
师兄:没错的。视频式的增强现实,是先使用摄像头获取场景的图像,然后根据摄像头位姿进行虚拟信息的叠加,此时虚拟信息(图像或文字)是直接渲染到原有视频流的上层,覆盖原有的信息,一般使用手机等设备实现,也有使用头盔显示器的;光学式的增强现实,一般是利用透射式头盔或者眼镜实现的,这类设备有一个半透半反的光学结构,既可以透过外界的真实场景,也可以把微投影图像反射进人眼,实现虚拟信息与真实环境的直接叠加。
晓晓:有点蒙了啊。。。。。
师兄:好吧。俗话说有图有真相,让我们看图说话——


该图是手持平板拍摄楼梯,然后楼梯的图像就显示在了屏幕上,并且通过计算在其中放了两个小角色。所有有效的画面,无论是楼梯地板还是虚拟角色,都是通过平板电脑的视频画面来呈现的,我们所观察的画面都是经过拍摄加工后的视频流,这种方式成为视频透射式增强现实,其分辨率是受到显示器件本身屏幕分辨率限制的。


而与视频透射式不同的是,光学透射式利用特殊的半透半反光学系统,将真实的环境的光线直接透射给人眼,同时虚拟信息图像通过反射光路进入人眼,这种方式保证了人眼接收到的环境是绝对真实、没有加工过的,分辨率等于人眼自身分辨率,而虚拟信息直接叠加在上面,分辨率为投影器件分辨率。这种方式更加真实自然,叫做光学透射式增强现实。它主要依靠半透半反的透射式头盔显示器实现。需要注意的是,这种方式除了要实现视频透射式系统中用到的跟踪之外,还要考虑系统与人眼之间的标定问题,复杂度提高了。因此有的开发者采取将视频透射图像进行加工后,显示在光学透射式头盔显示器上,给人一种类似光学透射的效果,但实际上只是将摄像头图像分别显示给了双眼,并没有利用到光学透射式头盔的透射性能,属于一种折中的方式。需要注意,Hololens属于典型的光学透射式设备,特别适合做增强现实类开发,能够提供比视频透射更好的体验。
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3 增强现实与虚拟现实、混合现实的关系
根据一个系统中虚拟与现实的占比,可以将系统分为4类:真实现实、增强现实、增强虚拟、虚拟现实。而增强现实和增强虚拟又可以合称混合现实。




从上图可以看出,橙色代表虚拟成分,蓝色代表真实成分。当只有真实世界信息的时候,属于纯粹的真实现实,典型的就是我们带摄像功能的手机,以及我们佩戴的普通眼镜。当系统中既有真实信息又有虚拟信息的时候,叫做混合现实。此时,如果虚拟信息是服务于真实世界的,且数量较少,占次要地位,则归为增强现实,典型系统是手机导航系统;如果虚拟信息是主体,而真实信息是为虚拟信息服务的,那就叫增强虚拟。最后,如果信息全为虚拟,则是虚拟现实,典型系统是各类虚拟现实游戏。
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晓晓:哈哈,我抓住师兄你的一个叙述漏洞哦。你在介绍增强虚拟的时候,忘记介绍典型系统了吧?
师兄:哦,是嘛。。。这个“增强虚拟”确实不太好说啊。举个例子吧,如果你置身于一个虚拟现实环境中,这时候通过某种手段,把你的手臂乃至整个身体都从你的真实环境背景中抠出来,融合到你所处的虚拟现实环境中,这样就增加了你的沉浸感。这类系统可以认为是通过真实信息来增强虚拟场景,姑且称之为“增强虚拟”吧。。。
晓晓:哇塞,还能这样子啊。。。。那师兄刚才介绍概念的时候,提到的Hololens做桌面级模型设计,算是哪一类呢?
师兄:这个我觉得它不太适合分为增强虚拟,毕竟它视场角有限。就Hololens本身而言,它可以做增强现实类应用,也可以做真实、虚拟交互类应用,所以我认为用混合现实来称呼它更加合适。另外,它的官网上也是这么说的。
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4 增强现实技术应用领域
增强现实技术的应用领域主要有以下几个:
(1)工业和建筑业




(2)维修和培训




(3)医疗




(4)信息显示




(5)导航




(6)电视




(7)广告和商业




(8)游戏




(9)教育




总结
增强现实已经有了相当广泛的应用,目前从事AR研究的人,主要针对两个大的方面开展研究,一方面研究如何通过技术革新来构建更好的AR系统,另一方面是研究AR系统怎样更好地服务社会。


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晓晓:听了介绍之后,我都跃跃欲试啦。增强现实技术可真是有用啊,关键它还很有趣。看来我可以将它作为我的研究课题了吧。。。
师兄:AR是挺有意思的,但是它是一项顶层应用技术,是多项基础技术的集成产物。比如计算机视觉、图形学、显示技术、人机工程学等,与人工智能也有着越来越多的交叉。总之,如果你要研究增强现实,最好是选择其中一个小的具体的点来做,否则只能是“水过地皮湿”,不能取得实质成果。后面有机会再来给你介绍增强现实技术的具体技术点和研究内容吧。。回去好好做调查、读论文,看看自己对哪些感兴趣,做好笔记哦。。。。
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转自:http://blog.csdn.net/zzlyw/article/details/64126088

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归海一啸
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沙发#
发布于:2017-12-23 15:58
总结的很详细,新人可以看看
AR学院(www.arvrschool.com),从这里感触未来!
酷酷的付a
贫民
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板凳#
发布于:2017-12-27 23:14
不能收藏帖子吗,关注一波吧,哈哈哈
我是AR人
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地板#
发布于:2017-12-28 23:17
酷酷的付a:不能收藏帖子吗,关注一波吧,哈哈哈回到原帖
多谢,可以分享出去哈
游客

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