增强现实的发展现状及分析.docx
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增强现实的发展现状及分析
目录
一、增强现实简介1
二、增强现实的显示技术2
2.1头带显示器2
2.2投影式显示4
2.3手持式显示器5
2.4普通显示器5
三、增强现实的注册技术5
3.1基于跟踪器的注册技术6
3.1.1飞行时间跟踪6
3.1.2机构连接跟踪6
3.1.3相差跟踪6
3.1.4场跟踪6
3.2基于视觉的注册技术6
3.2.1相机标定注册7
3.2.2通过仿射变换注册7
3.2.3基于标识物的注册跟踪方法7
3.2.4基于自然特征的注册跟踪方法8
四、增强现实中的遮挡处理技术9
4.1遮挡处理技术介绍9
4.2基于模型的遮挡处理方法9
4.3基于深度值的遮挡处理方法9
五、增强现实系统的运用10
5.1医学10
5.2娱乐10
5.3制造维护和维修10
5.4其他10
六、增强现实的发展展望11
参考文献11
增强现实的发展现状及分析
增强现实简介
增强现实是近年来国外众多知名大学和研究机构的研究热点之一。
AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比VR技术更加明显的优势。
增强现实（AR），也被称之为混合现实。
它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，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。
增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。
它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。
增强现实借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。
因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。
定义：
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），通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，这种技术叫做增强现实技术，简称AR技术。
增强现实的应用领域：
*医疗领域：
医生可以利用增强现实技术，轻易地进行手术部位的精确定位。
*军事领域：
部队可以利用增强现实技术，进行方位的识别，获得目前所在地点的地理数据等重要军事数据。
*古迹复原和数字化文化遗产保护：
文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者，用户不仅可以通过HMD看到古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。
*工业维修领域：
通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。
*网络视频通讯领域：
该系统使用增强现实和人脸跟踪技术，在通话的同时在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体，在很大程度上提高了视频对话的趣味性。
*电视转播领域：
通过增强现实技术可以在转播体育比赛的时候实时的将辅助信息叠加到画面中，使得观众可以得到更多的信息。
*娱乐、游戏领域：
增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家，共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。
*旅游、展览领域：
人们在浏览、参观的同时，通过增强现实技术将接收到途经建筑的相关资料，观看展品的相关数据资料。
*市政建设规划：
采用增强现实技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果。
增强现实要努力实现的不仅是将图像实时添加到真实的环境中，而且还要更改这些图像以适应用户的头部及眼睛的转动，以便图像始终在用户视角范围内。
下面是使增强现实系统正常工作所需的三个组件：
1.头戴式显示器
2.跟踪系统
3.移动计算能力
增强现实的开发人员的目标是将这三个组件集成到一个单元中，放置在用带子绑定的设备中，该设备能以无线方式将信息转播到类似于普通眼镜的显示器上。
让我们分别来了解这个系统中的每个组件。
增强现实的显示技术
增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和现实世界的融合。
显示技术是增强现实系统的基本技术之一。
一般而言，可以把增强现实的显示技术分为以下几类：
头带显示器、显示投影式、手持式显示器和普通显示器。
头带显示器
现有的虚拟现实技术的人机界面中大多采用头盔显示真实世界器。
主要原因是头盔显示器较其他几种显示技术而言沉浸感最强。
因为用于增强显示系统的头盔显示器能够看到周围的真实环境，所以叫做透视式（see-through）头盔显示器。
透视式头盔显示器一般分为视频透视式（Videosee-through）和光学透视式（Opticalsee-through）。
前者是利用摄像机对真实世界进行同步拍摄，将信号送入虚拟现实工作站在虚拟工作站中将虚拟场景生成器生成的虚拟物体同真实世界中采集的信息融合，然后输出到头盔显示器。
而后者则是利用光学组合仪器直接将虚拟物体同真实世界在人眼中融合，实现增强。
然而近年来，随着设备技术的发展，头盔显示器逐渐向小型化发展，已经不能叫做头盔式显示，因为设备完全不像是一个头盔，而看起来像是一个眼镜。
比起现在笨重的头盔式显示器，眼镜显示器的又是是非常明显的，轻便、小巧便于携带，但同时也给计算和存储技术提出了新的难题，要在一个小的眼镜上面进行大量的计算和数据的获取以及存储，并且眼镜的重量又有一定的限制。
但是现在的小型手机的发展也使它变的可能，但是想象把一个手机的重量放到眼镜上，还是让人不能接受。
最近，Google自己建立了一个叫做ProjectGlass的Google+帐户，并自爆了一段演示Google眼镜操作和使用的视频。
右图就是这个眼镜的示意图，至少现阶段是这个样子，可以看到他并没有传统眼镜那样的镜片，只有在右眼前面的一个小镜片，并且没有耳机，可见还带有小喇叭。
另外由视频来看，还有语音识别的功能。
Google说这枚高科技眼镜可以帮助你探索并分享世界，他们已经在内部做测试了，不过他们没说具体啥时候能真正作为商品推向市场，也许他们自己也不知道，应该是很久很久的数年以后。
这显然是一个概念性产品，但是他展示了增强现实显示技术的发展方向，小型化，智能化，集成化。
还有一种方法是虚拟视网膜显示技术（VirtualRetinalDisplay简称VRD）。
VRD是通过将低功率的激光直接投射到人眼的视网膜上，从而将虚拟物体添加到现实世界中来。
这种方法仍然是依靠一种头戴式的头盔显示器来实现，或者说是眼镜，甚至是贴紧眼球的隐形眼镜。
对于增强现实的应用领域来说，现实设备是需要跟随人的移动而移动的，传统的头盔显示设备显然不能胜任，所以近年来就出现了像上面提到的眼镜式现实设备，另外还有隐形眼镜显示设备。
2009年12月在《科技日报》中一篇文章提到，美国研制出了全球最小的显示器安装在隐形眼镜里，如右图所示。
美国科学家研制的这款可戴在眼睛中的显示器，是把显示器与隐形眼镜巧妙地结合在了一起。
构建了一个微小的LED显示屏在隐形眼镜里，可将移动电子设备的图像和文字直接投射到眼镜里，从而摆脱了手机、笔记本电脑和PDA等移动信息设备的局限性。
帕尔维兹希望，在用户眼前50厘米至100厘米的距离处，该设备能呈现大量的图像让虚拟世界里的各类信息在现实视野中就能一览无遗。
新西兰的彼得·詹姆士·希尔顿博士在中国申请的专利《直接视网膜显示器》提供了一种视网膜扫描投影显示装置，见下图所示。
该方法提供一种用于以宽视场在眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器。
该直接视网膜显示器包括一个扫描源，在各个维度空间中的扫描角度上产生的图像调制扫描光束是被配置为在两维空间中的。
直接视网膜显示器还包括发散反射器是用在扫描光束的路径中的，该发散反射器被配置为会聚型，入射到发散反射器上的扫描光束，反射器会以更大的扫描角向外反射光束，该会聚反射器是被放置在反射扫描光束向眼睛的瞳孔上会聚的方向上的，在视网膜上重建和显示的图像将是以宽视场显示了。
据国外网站报道，美国公司Innovega正在研发一款虚拟现实隐形眼镜，其能将3D屏幕直接投射到用户眼球。
该公司表示，这款产品最早可于2014年开始正式发售。
这款虚拟现实隐形眼镜的效果与汤姆·克鲁斯在科幻电影《少数派报告》中佩戴的隐形眼镜类似。
它能够与智能手机和便携式游戏设备等匹配，近距离传递视频和信息，或者转换至半透明的“增强现实”视野，相关的电脑信息将会铺设在我们所处世界的分层之上。
2.2投影式显示
投影式显示是将虚拟的信息直接投影到要增强的物体上，从而实现增强。
日本Chuo大学研究出的PARTNER增强现实系统可以用于人员训练，并且使一个没有受过训练的试验人员通过系统的提示，成功地拆卸了一台便携式OHP（OverHeadProjector）。
另外一种投影式显示方式是采用放在头上的投影机（Head-MountedProjectiveDisplay简称HMPD）来进行投影。
美国伊利诺斯洲立大学和密歇根洲立大学的一些研究人员研究出一种HMPD的原型系统。
该系统由一个微型投影镜头一个戴在头上的显示器和一个双面自反射屏幕组成。
由计算机生成的虚拟物体显示在HMPD的微型显示器上，虚拟物体通过投影镜头折射后再由与视线成45的分光器反射到自反射的屏幕上面。
自反射的屏幕将入射光线沿入射角反射回去进入人眼中从而实现了虚拟物体与真实环境的重叠（如下图所示）。
2.3手持式显示器
通过采用摄像机、GPS等其他辅助部件，一些增强现实系统采用了手持式显示器。
美国华盛顿大学人机界面技术实验室设计出了一个便携式的MagicBook增强现实系统。
该系统采用一种基于视觉的跟踪方法把虚拟的模型重叠在真实的书籍上，产生一个增强现实的场景同时该界面也支持多用户的协同工作。
日本的SONY计算机科学实验室也研究出一种手持式显示器，利用这种显示器，构建了TransVision协同式工作环境。
以上这些都是比较早期的手持式现实设备，而随着手机的发展以及手机系统的进一步开发，一些在手机上实现的增强现实系统也逐步出现。
特别是近期的苹果手机系统以及Google的Android手机系统的出现也给手持式的增强现实系统提供了很好的平台。
由于手机的计算性能的逐步提高以及手机网络的普及，根据GPS信息以及网络信息，根据手机摄像头获取到的现实信息，可以很容易的实现在现实画面上增加许多有用信息，例如一些社交网站的好友地理位置信息，或者说是自己的车辆位置等信息都可以显示。
甚至，是可以实现使用手机相机拍摄某件商品可以在屏幕上显示价格等商品信息，并通过点击等方法实现购买。
2.4普通显示器
增强现实系统也可以采用普通显示器显示。
在这种系统中，通过摄像机获得的真实世界的图像与计算机生成的虚拟物体合成之后在显示器输出。
在需要时也可以输出为立体图像这时需要用户戴上立体眼镜。
三、增强现实的注册技术
注册跟踪技术是增强现实系统的核心技术，也是目前制约增强现实技术应用的最亟待解决的技术问题。
注册跟踪技术就是探寻如何能够快速直接使虚拟场景与真实世界精确对齐的方法，实现虚实场景的完美结合。
将虚拟物体显示在现实世界准确位置的定位过程称为注册（Registration）。
这个过程要求增强现实系统实时从当前场景中获得真实空间的数据，包括观察者的位置、头部角度、运动情况等来决定如何按照观察者的当前视场重新建立坐标系并将虚拟物体显示到正确位置，这个过程叫做跟踪（Tracking）。
一般来说，增强现实系统主要采用两种跟踪方式：
基于硬件设备的跟踪定位技术和基于计算机视觉的跟踪定位技术。
3.1基于跟踪器的注册技术
跟踪的主要目的是记录真实世界里的观察者的方向和位置，以便保持虚拟空间和真实空间的连续性，实现精确的注册一般主要有以下几种：
跟踪技术飞行时间定位跟踪、机构联接跟踪、相差跟踪、场跟踪、复合跟踪系统。
3.1.1飞行时间跟踪
飞行时间跟踪类似于雷达跟踪系统，发射一下脉冲信号并获取反射信号，根据两次脉冲时间的间隔来确定物体的距离，并可以利用多普勒效应等获取物体的运动状况。
这种方法首先假设脉冲信号在空中的运动速度是恒定的。
3.1.2机构连接跟踪
最为典型的机构联接跟踪方式是直接用机构联接参照物和运动目标。
机械式的跟踪一般可以分为两类:
一种各种机构的组合,另外一种就是采用弹簧来联接.当弹簧处于张紧状态时,就可以通过弹簧的参数计算出距离。
这种方法使用物理连接的方法跟踪被测物，这会严重影响被跟踪物的运动范围。
3.1.3相差跟踪
相差跟踪系统是通过测量参照物和运动目标上的同频率信号的相位差来进行跟踪的.采用的信号大多数是超声波信号，它的缺点就是会有误差积累，同时超声波信号易受环境的温度、湿度和超声波噪声的影响.其优点就是能够有比较高的数据采集速度比飞行时间超声波跟踪系统有更高的精度。
3.1.4场跟踪
用来跟踪的场包括电磁场和重力场，用得比较普遍的是电磁场。
电磁场跟踪采用的是线圈作为信号发生器，通过测量通过接收器的磁通量就可以确定接收器和信号源之间的相对距离。
电磁场跟踪系统价格便宜、结构紧凑、而且重量轻广泛应用于各种增强现实系统中。
另外一种场跟踪系统是基于重力场的，采用的测量仪器一般是倾角计和加速度计。
3.2基于视觉的注册技术
基于视觉的注册是通过给定的一幅或者多幅图像来确定摄像机和真实世界中目标的相对位置和方向。
就目前的研究情况来看基于视觉的注册主要有两种情况，一种是事先对相机定标，对获取的图像进行分析，计算相机的位置；另外一种是通过仿射变换来实现注册。
以上是进行对摄像机的位置进行标记，而对于需要显示的物体来说，则需要知道在哪里显示什么物体，这又分为基于标识物的方法和基于自然特征的方法。
3.2.1相机标定注册
相机定标就是获取相机的内部参数然后根据这些参数和获取的图像来计算相机的位置和方向。
这实际上是一个从三维场景到二维成像平面的转换过程。
通常关心的相机参数包括镜头的焦距以及传感器像元的高度、宽度、高宽比等。
国内也有研究人员从事动态注册的研究。
文献[3]介绍了相机定标以及跟踪的算法，并且以PC为平台，实现了这个算法。
3.2.2通过仿射变换注册
通过仿射变换注册实际上是计算机图形学和计算机视觉技术在增强现实系统设计中的一个运用。
Konenderink等人曾提出，给定三维空间中任何至少四个不共面的点空间中任何一个点的投影变换都可以用这四个点的变换结果的线性组合来表示。
通过引入全局仿射坐标系的定义，将虚拟物体和真实世界置于同一个统一的坐标系下面，从而很方便地实现了注册。
不仅如此该注册方法也实现了深度的估计。
国外Kiriakos等人也讨论过类似的系统，并且通过该方法设计出了具体的增强现实系统。
通过仿射变换实现注册是增强现实注册技术的一个突破它绕开了传统的跟踪、定标等一些繁琐而且容易出现较大误差的注册方法，实现了通过计算机视觉的分析进行注册。
3.2.3基于标识物的注册跟踪方法
基于标识物的注册跟踪方法（Marker-basedMethod）是室内增强现实应用中最为常用的跟踪定位技术。
由于该方法基于视频检测，不需要复杂的硬件设备，在室内小范围环境下一般可以取得符合要求的定位精度，并且达到实时性的要求。
基于标识物的视频检测中通过事先定义好的各种平板标识物来标记基准位置和各个物体。
系统通过模板匹配来找到视频中的对应标识物，通过图像分析处理计算虚拟空间与真实空间的坐标变换矩阵。
为降低计算量，满足实时性需求，一般都采用正方形平板，上有黑色封闭矩形框和简单的标记，这样只需简单的边缘检测和模板匹配，提高识别和计算的效率。
由上图显示，可以由一些黑色方块来标定显示位置，使用黑色方块中不同的形状来区分显示的内容。
因为对于简单标识物的图像处理较为简单．所以能够快速得到注册跟踪结果，达到实时性需求。
基于标识物注册的增强现实系统显示的整个流程可以归纳如下：
1.从摄像机拍摄的视频流中寻找标识物。
2.通过图像处理迭代讣算每个标识物的三维位置和方向。
3.计算世界坐标系（worldcoordinatesystem，简称WCS）与相机坐标系（cameracoordinatesystem，简称CCS）的变换矩阵Tcm。
4.根据标识物的字符识别对应标识，获取ID。
5.根据变换矩阵Tem，由计算机生成处于指定位置的虚拟模型。
6.绘制虚拟模型叠加到当前视频帧，并显示到用户的监示器或头盔显示器（HMD）上。
3.2.4基于自然特征的注册跟踪方法
基于自然特征（naturalfeature）的注册跟踪方法就是根据实际场景的视频图像寻找特征点，进而计算虚实坐标系变换关系的计算方法。
现实场景中的物体角点大致分为两种：
低曲率点和高曲率点。
低啦率点一般数量较多，信息相似，不容易检测。
离曲率点，也就是自然特征点比较明显，可以通过简单的角点检测（cornerdetection）方法来计算，如采用HarrisandStephens（1988）提出的方法。
目前许多学者提出了针对自然特征的注册跟踪方法。
其中是一种经典的算法TomasiandKanade（1991）在卡内基梅隆大学的技术报告中提出的KLT特征跟踪法（Kanade—Lucas—TomasiFeatureTracker）。
它是一个完全基予变换模型的计算特征匹配的方法。
ShiandTomasi（1994）又利用仿射变换模型改进了KLT跟踪法。
Princeeta1．（2002）提出了一个根据场景平萄结构单应变换的栩机跟踪方法。
新加坡圜立大学的Yuanetal。
（2005）提出了一个基于透视投影重建原理的方法来完成注册，系统只需通过两幅匹配的控制图片（controlimages）来检测四个初始控翻点，用以表{芷世界坐标系。
这些点将作为系统参考点，系统将实时根据上一帧计算结果和当前的特征点信息更新当前的投影矩阵，进两实现实时注册跟踪。
这种方法基于投影重建，不需要复杂的矩阵计算，有较快的计算速度和较好的鲁棒性。
还有一些学者利用仿射变换理论解决注册问题，根据KoenderinkandUllman（1991）给出的结论，如果已知至少四个非共面的三维点，对任何投影变换，其空闻每个点的变换结果都可以由这四个点的线性组合来表示。
将该理论弓|入到增强现实系统中，KutulakosandVallino（1998）提出了一个不采鞠相机标定丽是根据钫射变换的注册方法。
Hoeta1．（2007）进一步研究了基于立体图像数据的仿射变换算法。
一般而言，基于自然特征的注船跟踪方法由于不需要引入标识物或跟踪器，是一砷完全自然地注册方式，适合于室夕}大范阐场景中，尤其在场景不适合添加标识物的情况下。
另外由于场景特征点数量一般较多，不容易出现部分遮挡后无法完成注勰的情况。
目前基子移动手持设备的增强现实系统多采用这种自然特征检测方法。
基于自然特征的检测方法同样存在不足之处，就是系统对视频图像全部检测计算特征点，这使得特征点检测所耗时间很大，另外对成对立体图像的特征点匹配过程较为耗时，难以达到实时性的要求。
当场景检测到过多的特征点时将增加注册过程的迭代次数和总计算量。
当特征点检测或匹配过程出现错误时将直接导致注册失败。
四、增强现实中的遮挡处理技术
4.1遮挡处理技术介绍
遮挡处理（OcclusionHandling）指的是如何使虚拟模型同真实环境中的物体产生正确的遮挡关系的处理过程。
早期的增强现实技术中，所有计算机生成的虚拟模型都是直接叠加到真实场景的图片上，也就是说无论这些虚拟模型代表的空间位置距离摄像机是远还是近，其模型都是简单显示在真实场景的前方，真实场景中的物体仅仅是作为背景，虚拟模型可以遮挡住真实物体，而真实物体却不能遮挡虚拟模型。
由于这种简单的遮挡关系使得早期的增强现实技术在真实感上存在严重不足，导致用户对空间方位的认知产生混乱。
遮挡处理就是为了解决这个问题而产生的。
遮挡处理的方法大致可以分为两种（Breeneta1．1995）：
基于模型的方法（Model-basedMethod）和基于深度值的方法（Depth—basedMethod）。
4.2基于模型的遮挡处理方法
基于模型的遮挡处理方法预先对工作空间中的真实物体建立对应的三维虚拟模型，并将这些模型与真实物体位置对齐，用这些模型代表真实物体。
在遮挡处理中，这些代表真实物体的模型同其他虚拟模型进行遮挡计算，获取遮挡关系，最后显示的时候只输出虚拟模型遮挡后的图形，而不输出代表真实物体韵模型，将输出图形同背景图片叠加后就得到有正确遮挡关系的场景图片。
Fuhrmanneta1．（1998）利用这个方法提出了一个快速构件人体虚拟模型的方法，用虚拟的人体模型代表真实人体，进而进行遮挡处理得到较好的处理结果。
这种遮挡处理方法由于采用虚拟模型代表真实物体，因而遮挡计算实际是在虚拟模型之间进行了，由图形渲染管线（graphicspipeline）自动计算深度值，写入Z缓冲区（Z-buffer），进行深度比较，完成遮挡处理，因而这种方法运算速度非常高，能够充分满足实时性的要求，遮挡效果依赖于代表真实物体的虚拟模型的准确性和方位的对齐程度。
然而基于模型的遮挡处理方法只适用于场景复杂良低．且能够预先或者快速建立精确代表真实物体的虚拟模型的情况，而不适用于室外复杂动态场景中。
由于这种处理方法的局限性，越来越多的学者提出根据场景图片深度信息的遮挡处理方法。
4.3基于深度值的遮挡处理方法
基于深度值的遮挡处理方法首先需要获得真实场景图片的深度图（depthmap），Zenatieta1．（2007）提出了一个根据立体匹配（stereomatching）原理由成对图片计算深度图的动态程序结构，根据真实场景深度图同虚拟模型深度信息比较获得精确的遮挡处理结果。
基于深度值的遮挡处理由于只需要成对的场景图片就可以完成，因此不受场景复杂度的限制，不需要大量的预先准备工作，适用范围更加广泛。
同时由于采用立体匹配原理计算深度图，遮挡效果取决于深度图计算精度。
然而深度图的计算和比较往往花费较多的计算时间，使得整个处理过程很难达到实时性的要求。
LuandSmith（2009）提出了一个利用GPU加速计算深度处理的方法，使得计算速度大幅度提高（约20倍）。
但是当图片分辨率增大，场景复杂时，整个计算时间还是很难达到实时性的要求。
五、增强现实系统的运用
由于增强现实系统既有虚拟的成分，同时也有现实世界的真实环境使得增强现实系统成为除了现实世界之外的最有沉浸感的环境。
增强现实系统将成为一种新型的媒介，逐渐深入到从医学到军事等各个领域。
5.1医学
增强现实运用到医疗中，可以使外科医生在给病人动手术的过程中，看到注册到病人身体上的CT或者MRI图像。
不仅如此，增强现实系统还可以用于医疗教育培训中。
另外，增强现实还可用于虚拟人体解剖图、虚拟人体功能、虚拟手术模拟、远程手术等并且可以用于康复医疗。
5.2娱乐
增强现实系统广泛应用于各种娱乐活动中。
虚拟演播室技术是增强现实在传统视频合成技术的基础上发展的结果。
同时增强现实技术还可用于各种游戏体育比赛的转播等。
另外还有应用增强现实技术开发的游戏，能够使用户在真实背景下进行游戏，增加游戏的真实性以及娱乐体验。
例如苹果系统中的一款游戏ARZombieInvasion，与传统的
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