增强现实AR

浅谈增强现实技术

浅谈增强现实技术/

摘要: 近年来,增强现实因其结合现实与现实的特点逐渐成为研究热点。 通过增强现实电视节目的应用,介绍增强现实的概念、特点和关键技术。 简要介绍了增强现实的国内外发展现状,并对其应用进行了简要说明。 最后展望了增强现实未来对人类生活的影响。 影响。

关键词:增强现实; 虚拟现实; 跟踪登记; 关键技术

CLC 分类号:TP311 文档识别码:A 文章编号:1009-3044 (2013) 28-6411-04

2013年央视春节联欢晚会已经落下帷幕。 其科技性和观赏性的舞台效果给亿万观众带来了全新的体验。 其中,增强现实等3D交互技术的应用,使得舞台空间、图像环境的变化出现在电视上。 银幕上,给电视观众带来了前所未有的视觉冲击。 如图一所示,就是李玉刚的《嫦娥》。 舞台上的美丽建筑、玉楼都是通过增强现实技术实现的。

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是在虚拟现实技术——虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)基础上发展起来的一个分支。 它利用计算机生成的文本信息、图像、虚拟3D模型、视频或场景等,实时准确地叠加到用户感知的现实世界中,在虚拟环境和现实环境之间架起一座桥梁,增强了用户的体验感。真实世界信息,提高用户对现实世界的感知[1]。

1 增强现实的特点

作为现实世界和虚拟世界之间的桥梁,增强现实技术是现实世界力量的延伸。 同时也对虚拟世界进行了补充,让你不会在虚拟世界中迷失方向。 图 2 显示了 Paul Milgram 和 Fumio Kishino 在 1994 年提出的虚拟现实连续体 [2]。 该图相当于一个坐标轴。 轴的最左侧代表现实世界,最右侧代表虚拟环境。 混合现实连接现实世界和虚拟环境。 混合现实分为增强现实和增强虚拟环境。 关注虚拟环境的部分称为增强虚拟环境,而关注现实世界的部分则定义为增强现实。 可见,增强现实具有虚实结合、实时交互、三维配准等特点[3]。

1)虚实结合

增强现实技术与虚拟现实不同,它并不能完全取代现实环境。 相反,它更多地依赖于现实世界,它的存在是为现实服务的。 图 3 显示了增强现实的典型应用。 将移动设备摄像头对准《灵魂战车》电影海报,平板显示屏上就会显示精彩的电影预览。 这就是将虚拟信息应用到现实世界。 两者叠加成一张图片,不仅显示现实世界信息,还同时显示虚拟信息。 两种信息相互补充、叠加。

2)实时互动

实时交互是指用户可以通过现实世界的信息,相对及时地得到相应的反馈信息。 因为增强现实需要快速识别现实世界中的事物,在设备中快速合成,并通过传感技术将混合信息传达给用户,以达到眼见为实的效果[4]。 例如,《灵魂战车》的增强现实电影海报可以通过平板相机的对准即时呈现精彩片段; 2013年春晚呈现的增强现实效果实现了虚拟图像和真实场景的同步传输。

3) 3D配准

在增强现实中,需要实时跟踪摄像机姿态,实时计算摄像机图像位置和角度,定位虚拟图像在真实场景中的配准位置,从而实现更自然的融合虚拟世界和现实世界[5]。 例如图3所示的例子,需要检测需要“增强”的物体特征点和轮廓,跟踪物体特征点并生成坐标信息,即识别海报的内容及其在海报中的位置。相机。 增强现实必须经过三维配准才能被识别,并且它不能增强任何物体。

2 增强现实关键技术

增强现实技术要完成虚拟现实的叠加并呈现给用户,首先需要通过摄像头获取真实场景信息,然后传输到设备,分析真实场景与摄像头的相对位置,最后将获得的虚拟信息与真实场景融合。 图4所示为增强现实系统的架构图,其中涉及跟踪注册技术、虚拟物体生成技术和显示技术[6]。

1)追踪登记技术

为了实现虚拟信息与真实场景的无缝叠加,这就需要虚拟信息与真实环境在三维空间位置上进行“配准”,即进行配准。 移动设备摄像头的位置和虚拟信息需要对应起来,这需要通过跟踪技术来实现。 跟踪配准技术首先检测需要“增强”的物体的特征点和轮廓,然后跟踪物体的特征点并生成二维或三维坐标信息。 。 跟踪配准技术的好坏直接决定了增强现实系统的成功与否。 常用的跟踪配准方法有四种:基于硬件的跟踪配准、基于机器视觉、基于无线网络和混合跟踪配准技术。

2)虚拟物体生成技术

增强现实的目标是将虚拟世界放到屏幕上并与现实世界进行交互。 因此,在精确跟踪和配准技术的基础上,为了提高增强现实系统的效果,还需要保证生成的虚拟物体的真实性和实时性。 强烈的性爱。 例如,Google Glass推出的增强现实眼镜,用户观察某个物体后,该物体的相关信息可以快速显示在镜片上; 又如《灵魂战车》的增强现实电影海报,当Pad摄像头对准海报时,相应的精彩片段可以立即显示在显示设备上。 因此,真实性和实时性是虚拟对象生成的两个最重要的性能标准。

3)显示技术

除了上述技术之外,典型的增强现实应用还取决于设备的显示技术。 为了实现逼真的虚实融合显示效果,高效的显示技术和显示器件必不可少。 目前,增强现实系统中使用的硬件显示设备,除了一般的PC显示屏外,也用于增强现实系统中。 透明头显。 根据具体实现原理分为两类,即光学透视HMD(Optical See-through HMD)和基于视频合成技术的透视HMD(Video See-through HMD)[7]。

3 增强现实的国内外现状

增强现实在虚拟现实的发展过程中应运而生。 它的诞生一方面是顺应时代的发展,另一方面是为了弥补虚拟现实完全脱离现实、单独呈现的缺陷。 自1990年波音公司研究员Thomas Caudell[8]创建增强现实以来,越来越多的研究机构、大学和企业开始对增强现实进行大量研究,并取得了一定的科研成果。

目前,哥伦比亚大学的 Steve Feiner 团队已经利用 AR 创建了激光打印机维护系统。 用户可以通过系统中的操作说明来使用系统对打印机进行维护,例如拆卸纸盒等,如图5所示。

较早提出增强现实概念的波音公司,正在利用这项技术帮助技术人员安装构成飞机电气系统的线束,并通过增强现实技术开发出一套数字化操作程序,取代巨大的物理布局板,使线束。 海湾和费用。 如果这项技术能够在工厂成功实施,将带来巨大的效益。 如图6所示,是延迟的波音线束生产系统。 2012年4月4日,谷歌正式公布了Google Glass的产品计划。 这种增强现实产品具有智能手机可以提供的各种服务。 镜头具有微显示器的功能,可以向镜头传输信息。 并允许可穿戴用户通过语音控制发送和接收信息。 此外,在著名打印机制造商爱普生的协助下,初创公司Meta也开发了现实增强眼镜。 它主要采用了独特的双手三维空间手势识别功能,配备了爱普生生产的Moverio BT-100可穿戴双目显示器,并在设备顶部配备了低延迟的三维摄像头。 尽管该设备仍处于原型开发阶段,但预计将对增强现实设备领域产生革命性影响[9]。

与发达国家相比,我国虚拟现实起步较晚,大概是在20世纪90年代初,因此增强现实也比其他国家相对晚一些。 但近年来,我国政府和科学界对此高度重视,制定了相应的科研进展计划,不断追赶先进技术。 各大高校也开展了增强现实技术的研究并取得了一些进展。 华中科技大学对基于增强现实的遥操作关键技术进行研究,提出了基于视觉的增强现实跟踪配准方法和基于实时标定策略的虚实配准方法,并设计了基于增强现实的遥操作配准方法。对标记角点和全局单应矩阵相结合的三维配准方法; 上海交通大学提出空间增强现实管道概念; 浙江大学以基于定位标记的视频检测为基础,从增强现实环境下的阴影生成方法和光检测算法入手,提出了以场景管理为核心的增强现实软件框架ARSGF。 此外,我国在很多方面也开始采用增强现实技术。 自2012年春晚以来,增强现实在媒体行业得到更多应用,让媒体节目变得更加精彩。

此外,随着移动互联网应用开发的日益普及,应用开发者开始围绕大平台开发满足用户需求的应用,并日益丰富各平台的应用商店。 目前,小型手持移动设备(Pocket PC、PDA、智能手机)的兴起为移动增强现实技术提供了新的发展平台。 五维推出基于增强现实的娱乐互动移动社区——OSEE游戏[10]。 用户进入OSEE世界后,基于真实的位置信息,可以了解周围发生的新事物,分享别人的心情,同时还可以与其他朋友分享你的情感话语和即时照片,而这一切置身于真实场景中,给用户带来全新的视觉体验。

4 增强现实的应用

增强现实技术作为虚拟现实的补充发展,充分利用了虚拟现实的优势,成为近年来的研究热点。 它集计算机图形学、多媒体、实时跟踪登记、融合显示等多学科于一体,在文化遗产保护、医学、军事、工业维护、多媒体通信等领域具有广阔的应用前景。

1)媒体娱乐中的应用

自2012年起,增强现实被搬上春晚,在电视节目中的应用日益增多。 一方面可以让节目变得更有观赏性,让单调的画面变得丰富多彩。 另一方面,也可以节省成本。 ,通过虚拟合成可以实现更丰富的画面,避免了制作许多真实物体的成本。 在网络上流行的《真实水果忍者》视频中,一位蒙面的“忍者兄弟”出现在镜头前,他通过各种肢体动作切割着从屏幕中飞来的水果。 该游戏充分利用了增强现实技术,使游戏更具娱乐性。

2)在工业医学中的应用

借助各种硬件设备,可以将机器不易看到的部分展示给用户,包括机器内部结构、零件图等。医生可以利用增强现实技术,准确定位手术部位地点。

3)在文化遗产保护中的应用

将增强现实技术应用于博物馆展览,采用虚实结合的方式,将被动参观方式转变为交互式多感官参观方式,使博物馆展览更加直观,充分发挥其存在作用。 对于一些已经损坏的文物,可以通过增强现实技术进行再现。

4)教育培训应用

通过移动设备扫描纸质课本上的图片,显示屏上就可以显示出丰富多彩的动态图片,方便孩子们理解抽象的事物。 在一些培训项目中,受训者坐在屏幕前,手动操作显示器前的手柄,屏幕上的物体就会相应移动。

5 结论

增强现实正在充分发挥其重要作用。 虽然还有很多技术问题需要解决,比如如何实现虚拟与现实物体的精确实时叠加,但随着技术的不断发展,这些问题将会一一得到解决,增强现实将会为人所用。 互联网的智能化扩展提供了有力手段,对生产方式和社会生活产生深远影响。

参考:

[1] 罗纳德·T·东。 增强现实综述[J]. 远程操作员和虚拟环境,1997,6(4):1-3。

[2] 保罗·米尔格拉姆,岸野文雄。 混合现实Visula显示的分类[J]. IEICE 信息系统汇刊,1994 年,77 (12)。

[3] Azuma, Ronald T. 增强现实综述[J]. 远程操作员和虚拟环境,1997 年,6(4):355-385。

[4]蔡攀. 基于增强现实的实时交互技术研究与实现[D]. 电子科技大学,2009.7-13。

[5]蒋勤云. 增强现实中的3D配准算法研究[D]. 华中科技大学,2006.8-10

[6]朱妙良,姚远,姜云良。 增强现实综述[J]. 图像图形学报,2004,7(9):767-769。

[7]马志彦. 数控加工仿真增强现实关键技术研究[D]. 华中科技大学,2006.10-13。

[8] 苏珊·韦戈尔。 增强的有形分子模型[EB/OL]。 [2012-02-06]。 http://www.hitl.washington.Edu/projects/scripp。

[9] AR技术网. Meta推出具有双手手势识别功能的3D眼镜[EB/OL]。 http:///home.php? mod=空间&uid=1&do=博客&id=19,2013年1月29日。

[10] 唐晓. 增强现实技术在移动互联网中的应用[J]. 张华,2013(2):330-331。