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增强现实技术概述
摘要：增强现实是一种将虚拟现实和现实结合起来的技术。 近年来，增强现实技术的快速发展引起了人们的高度重视。 本文首先阐述了增强现实的国内外研究进展。 其次，介绍了增强现实在一些领域的关键技术、开发工具和应用。 最后，展望了 AR云等增强现实技术的未来发展趋势。
- 介绍
增强现实技术是一种将虚拟信息与现实世界相结合的技术。 它采用的技术手段包括多媒体、三维建模、实时跟踪与配准、智能交互、传感等。 其原理是将计算机生成的文本、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息经过仿真后应用到现实世界中。 这样，这两种信息相互补充，从而实现了真实世界的增强[1]。
近年来，越来越多的国际知名研究机构、大学和企业投资于 AR 研究，发表了大量论文和科研成果。 这些结果证明了增强现实技术作为人机交互技术的可行性和创新性。 随着计算机软硬件计算能力的提高，增强现实技术逐渐从实验室的理论研究阶段转向大规模的工业应用阶段，作为连接数字世界和现实世界的桥梁，为人们认识和体验周围的事物提供了新的途径。此外，它还被《美国时报周刊》等权威机构列为未来十大最有前途的技术之一。 近年来，云计算已成为互联网领域的一个研究热点。 它可以将存储和复杂计算从客户端转移到云计算服务环境，为复杂交互物理效应计算提供了一种可能的分布式体系结构模式[3]。
本文综述了增强现实技术的研究现状和进展，对增强现实技术的关键技术、开发工具、应用、增强现实云等方面进行了探讨，最后对增强现实技术的研究现状和未来发展进行了总结。
- 增强现实技术研究与进展综述
近年来，国内外对增强现实技术的研究形成了浓厚的研究气氛。 相关研讨会的数量正在增加。 学术期刊和国际会议为研究人员提供了充分的交流空间。 其研究重点从简单的系统框架、硬件跟踪技术到当前的交互性能评估。
目前，从事增强现实技术研究的学术机构包括北卡罗来纳大学教堂山分校、麻省理工学院、哥伦比亚大学、波音公司和索尼计算机科学实验室。 专注于增强现实技术的国外大学和研究机构通常侧重于算法、人机交互方法、核心技术的软件和硬件基础平台。 其中，美国西雅图华盛顿大学著名的人机交互技术实验室支持研究 ARToolKit 开源项目，是业界第一个成熟的基于矩形标识符的3D 空间注册 AR 引擎[2]。在中国很少有大学和研究机构参与 AR 技术，如光电子信息技术与色彩工程研究所，北京理工大学，计算机辅助设计与制图国家重点实验室，浙江大学。 北京理工大学光学系对增强现实头盔显示器进行了研究，并对三维注册方法、照明模型等问题进行了一系列研究。 上海大学与浙江大学合作研究了光源的实时检测和 AR 场景的真实感渲染框架。 在我国发表的论文中，重点介绍了系统应用和注册技术。 研究问题相对简单，范围相对狭窄。
2015年是 AR 的第一年，由于资本和技术的驱动，AR 进入了一个不可逆转的爆炸时期。 近20年来，增强现实技术虽然取得了长足的进步，但仍存在许多技术问题。 国外 AR 硬件公司有微软、谷歌等，软件公司有 Metaio、 Vuforia、 Wikitude 等。 国内相关研究还处于实验室阶段，能够商业化的增强现实产品还很少见。
- 增强现实的关键技术
智能显示技术、三维注册技术和智能交互技术构成了增强现实技术的核心技术圈，在增强现实技术的发展中发挥着重要作用。
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- 智能显示技术
据相关数据显示，人类获取的信息有65% 以上来自于自己的视觉，这已成为人类与真实环境互动的最直观的方式。 随着智能显示技术的发展，基于智能显示技术的各种显示设备将增强现实显示技术推向了一个新的高度。 具体来说，目前在增强现实技术领域占有重要地位的显示器件主要有三大类。 头盔显示器(HMD)诞生于1968年。 伊万 · 萨瑟兰教授开发的光学透视头盔显示器使得将计算机构造的简单图形实时叠加在真实场景上成为可能。 在后来的发展中，光学透视头盔显示器和视频透视头盔显示器构成了头盔显示器的主干。 其次，手持设备显示器，依托增强现实技术的手持显示器，手持设备显示器是非常轻、小的，特别是智能手机的流行，通过视频透视来运用增强现实技术来呈现。 第三，其他显示设备，例如个人电脑桌面显示器，将摄影机捕捉到的真实场景信息与电脑生成的三维虚拟模型相匹配，最终由桌面显示器显示。
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- 3D注册技术
3 d 配准技术是增强现实图像处理系统中最关键的技术之一，它使虚拟图像能够在真实环境中精确叠加。 三维注册技术的主要流程有两个步骤。 首先，确定虚拟图像、模型与摄像机或显示设备的方向和位置信息之间的关系。 其次，将虚拟渲染的图像和模型精确地投影到真实环境中，使虚拟图像和模型与真实环境融合。 基于硬件跟踪器的三维注册技术、基于计算机视觉的三维注册技术、基于无线网络的三维注册技术和混合注册技术是三维注册的主要方法。 对于基于计算机视觉的三维配准技术，它通过设置参考点来实现摄像机或显示器对真实场景的方向和位置的确定。
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- 智能交互技术
智能交互技术与智能显示技术、三维注册技术、人机工程学、认知心理学等学科密切相关。 在增强现实系统中，存在着各种各样的智能交互，包括硬件设备交互、位置交互、基于标签或其他基于信息的交互。 随着智能交互技术的发展，虚拟增强现实不仅可以将虚拟信息叠加到真实场景中，而且可以实现真实场景中人与虚拟物体之间的交互。 这种交互是基于人们对场景中的虚拟物体给出具体指令，虚拟物体可以做出一些反馈，从而使增强现实 / 应用程序的受众获得更好的体验。
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增强现实开发工具
- 外国 AR SDK
ARKit 是苹果在2017年推出的 AR 开发平台。 开发者可以使用这套工具为 iphone 和 ipad 开发增强现实应用程序。 Arkit 帮助开发人员开发 AR 应用程序，可以支持两个设备共享相同的虚拟项目，使 AR 体验更加有趣。 是谷歌构建增强现实应用程序的软件平台，类似于苹果的 ARKit。 它可以利用云计算软件和设备硬件的进步，将数字对象带到现实世界中。 其主要功能是运动捕捉、环境感知和光源感知。 是目前最流行的 SDK。 主要的识别功能支持 iOS，Android 和 UWP，不同的 sdk 可根据不同的平台。 您可以根据需要选择 Android Studio、 Xcode、 Visual Studio 和 Unity 中的任何一个作为开发工具。 Wikitude SDK 使用图像识别、跟踪和地理定位技术的发展框架重新构建了它的主张，包括图像识别和跟踪、3D 模型渲染、视频叠加和基于位置的增强现实。 在2017年，Wikitude 推出了 SLAM 技术，该技术可以实现物体识别和跟踪，以及无标记的实时跟踪即时定位与地图构建。
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- 国内 arsdk
国外 arsdk 不容易满足国内开发商的需求。 主要的困难包括语言沟通障碍、技术支持差、技术支持缓慢以及没有结果[5]。 国产 AR SDK 具有一定的国产化优势。 目前，国内 AR SDK 主要包括百度 AR、网易 AR、 Vision EasyAR、 Liangfengtai HiAR、天雁 AR、台旭 AR 和 Magic AR。 2017年1月16日，百度宣布正式成立增强现实实验室。 百度的 DuMix AR 3.0为技术开发者提供了创新的技术能力，包括智能感知、虚拟渲染、人机交互、高效灵活的工程开发方法。 通过客户端(AR 内容浏览器)、互联网应用引擎(AR SDK)和 AR 游戏引擎(AR GAME PLUGIN)等技术，网易洞察 AR 可以有效地连接高质量的 AR 内容开发者和使用场景，为用户带来高质量的应用。
Easyar 是一个简单、易用、高效的软件开发工具包，具有开发人员长期以来一直渴望的功能，包括动态目标识别加载、 h. 264硬解码、记录屏幕功能和1000多个局部目标识别。
- 增强现实技术的应用领域
增强现实技术已经被应用于许多领域，包括旅游、考古、艺术、商业、工业制造和修复、教育、应急管理、娱乐和休闲以及医疗。 在旅游领域，增强现实技术在旅游景点的应用可以通过使用手机摄像头、屏幕软件和其他技术手段来恢复历史遗迹，以融合真实的场景。 除了观看场景，还可以获得其他信息。 Ar 技术通常用于考古研究，以放大真实地貌中的遗迹，确保考古学家能够更准确地确定它们的位置。 增强现实技术让消费者不用打开包装就能看到产品的一切。 通过扫描产品图片，不仅可以显示一些自定义选项的信息，还可以获得产品的其他图片信息。 增强现实技术可以直观地指导工人，提醒他们的时间和绘制在3D，使产品更有效率。 以汽车制造业为例，增强现实技术可以使汽车设计师更好地改进汽车结构，并通过视觉表现进行更好的比较。 增强现实技术在艺术领域的应用，使人们对现实有了更多的体验和诠释。 通常这种现实与现实的融合已经成为一种艺术形式。 Ar 技术可以应用于公共安全解决方案中，并发挥了良好的作用。 例如，增强现实搜救系统配备了航空相机，可以将真实场景与地理上确定的森林公路名称和位置结合起来，从而更有效地救助失踪者。 医生可以使用 AR 技术更准确地定位病人的手术部位。 增强现实技术可以更好地实时观察胎儿。 增强现实技术也可以提醒病人。
- AR云
随着对网格计算的大量早期研究，云计算成为可能。 自2007年以来，云计算变得越来越流行。 云计算是 Gartner 2010年十大 IT 行业战略技术之一。 在接下来的几年里，云计算将会成熟并成为主流计算的重要组成部分。 Ar 云是整个世界的数字化。
查理 · 芬克提出，随着 AR 云的出现，整个世界将成为一个共享的空间屏幕，实现多个用户的联合参与和协作。 当前的增强现实体验就像一个独立的游戏，需要互联、协作和分享。
云通常被看作是搜索的进化，未来很多人将会在 AR 世界中寻找惊喜。Ar 云的实现需要一个真实世界的1:1数据集(建立一个与真实世界一致的数据集，包括真实世界的位置坐标信息、场景视觉特征等，并且可以实时更新和扩展) ，需要快速定位(终端设备应该能够在网络上的任何地方访问该云，并且能够快速、准确地定位)。 通过设备的 GPS、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、摄像头视觉信息，获取点云和图像上传到云中，匹配云中的点云，返回位置信息) ，还需要交互式虚拟内容(数字交互内容可以在任何终端显示，并可以实时更新，还可以支持不同设备之间的体验和交互) ，还需要支持多人在线交互(支持数十亿用户随时创建和体验 AR 信息，并实时同步和共享状态)。 通过这种方式，虚拟世界可以有多个版本，就像有许多游戏服务器一样，用户可以根据自己的需要进行选择。 在基本的物理和数字世界中，您可以选择为不同的目的(交通、能源、健康、社交、娱乐等)访问 AR 云。
然而，AR 云的实现需要解决许多问题，如点云存储问题、网络延迟掉线问题、用户体验问题等。 而其他一些关键技能还不够成熟，需要更自然和更智能的语音交互，需要人工智能技术来处理或是生成海量数据，需要低延迟的5 g 网络需要阻塞链来激励人们创建和交易 AR 虚拟内容，需要物联网让更多的信息进入现实世界，以及协作的 AR 云。
7.总结
近年来，增强现实技术引起了研究人员的广泛关注。 在计算机视觉和人工智能技术的推动下，增强现实技术呈现出强劲的发展势头。 无论是跟踪配准的准确性，显示设备的性能和性质的人机交互已大大提高。 然而，可以看出，增强现实技术还有许多问题需要解决。 在跟踪配准技术方面，现有的跟踪配准方法只能利用场景中的少量信息，如特征点信息，导致系统对环境的理解不完整。 在显示技术方面，增强现实眼镜的尺寸和价格能够为用户提供一种高度的潜水感，但这种眼镜不能满足公众的需求。 在交互模式方面，更加自然和多用户 / 增强现实的交互技术还有待研究。
移动智能终端，将大量涌现。 虽然移动设备不像头盔显示器那样能够潜水，但是它们非常受欢迎。 与此同时，ARKit 和 ARCore 开发平台的发布从技术上实现了增强现实和智能移动设备的结合。 在未来的发展中，智能可穿戴设备，可以充分发挥增强现实技术的优势，将为人类创造一个更加现实的集成世界。 人们可以以一种更自然的方式与人机交互系统进行互动。 未来，增强现实技术将在很大程度上改变人类生活，这是科学技术发展的必然趋势。
参考文献
[1] Hu Tianyu et al. ，增强现实技术概述。 电脑知识与科技，2017(34) : 194-196。
[2]吴凡和张亮，增强现实技术的发展和应用概述。 电脑知识及科技，2012(34) : 8319-8325。
[3]周忠、周易、肖江健，虚拟现实技术概述。 中国科学: 信息科学，2015(02) : 157-180。 [4]全红岩，王长波和林俊俊，基于视觉的增强现实技术研究综述。 2008(04) : 379-384。
[5] Sightp，国内 AR 做的好的公司有哪些。 2018(04) : 5-118。 Ar 新地平线，关于 AR 云的一点思考和分享。 2018(09) : 10-38。
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