一文詳解AR增強現實系統實現原理

用戶對現實世界感知的新技術。一般認為，AR技術的出現源于虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）的發展，但二者存在明顯的差別。傳統VR技術給予用戶一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創造一個世界；而AR技術則把計算機帶入到用戶的真實世界中，通過聽、看、摸、聞虛擬信息，來增強對現實世界的感知，實現了從“人去適應機器”到技術“以人為本”的轉變。

AR技術原理

AR從其技術手段和表現形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基于計算機視覺的AR，二是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR。

Vision based?AR

基于計算機視覺的AR是利用計算機視覺方法建立現實世界與屏幕之間的映射關系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現實物體上一般展現在屏幕上，如何做到這一點呢？本質上來講就是要找到現實場景中的一個依附平面，然后再將這個3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個平面上繪制你想要展現的圖形，從技術實現手段上可以分為2類：

1、?Marker-Based AR

這種實現方法需要一個事先制作好的Marker(例如:繪制著一定規格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker放到現實中的一個位置上，相當于確定了一個現實場景中的平面，然后通過攝像頭對Marker進行識別和姿態評估（Pose Estimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點的坐標系稱為Marker Coordinates即模板坐標系，我們要做的事情實際上是要得到一個變換從而使模板坐標系和屏幕坐標系建立映射關系，這樣我們根據這個變換在屏幕上畫出的圖形就可以達到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點3D射影幾何的知識，從模板坐標系變換到真實的屏幕坐標系需要先旋轉平移到攝像機坐標系（Camera Coordinates）然后再從攝像機坐標系映射到屏幕坐標系。

在實際的編碼中，所有這些變換都是一個矩陣，在線性代數中矩陣代表一個變換，對坐標進行矩陣左乘便是一個線性變換（對于平移這種非線性變換，可以采用齊次坐標來進行矩陣運算）。公式如下：

矩陣C的學名叫攝像機內參矩陣，矩陣Tm叫攝像機外參矩陣，其中內參矩陣是需要事先進行攝像機標定得到的，而外參矩陣是未知的，需要我們根據屏幕坐標(xc?,yc)和事先定義好的Marker?坐標系以及內參矩陣來估計Tm，然后繪制圖形的時候根據Tm來繪制（初始估計的Tm不夠精確，還需要使用非線性最小二乘進行迭代尋優），比如使用OpenGL繪制的時候就要在GL_MODELVIEW的模式下加載Tm矩陣來進行圖形顯示。

2、?Marker-Less AR

基本原理與Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點的物體(例如：書的封面)作為平面基準，而不需要事先制作特殊的模板，擺脫了模板對AR應用的束縛。它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，FERN等)對模板物體提取特征點，并記錄或者學習這些特征點。當攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特征點并與記錄的模板物體的特征點進行比對，如果掃描到的特征點和模板特征點匹配數量超過閾值，則認為掃描到該模板，然后根據對應的特征點坐標估計Tm矩陣，之后再根據Tm進行圖形繪制(方法與Marker-Based AR類似)。

LBS-Based AR

其基本原理是通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數據源（比如wiki，google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學校等)的POI信息，再通過移動設備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標物體在現實場景中的平面基準(相當于marker)，之后坐標變換顯示等的原理與Marker-Based AR類似。

這種AR技術利用設備的GPS功能及傳感器來實現，擺脫了應用對Marker的依賴，用戶體驗方面要比Marker-Based AR更好，而且由于不用實時識別Marker姿態和計算特征點，性能方面也好于Marker-Based AR和Marker-Less AR，因此對比Marker-Based AR和Marker-Less AR，LBS-Based AR可以更好的應用到移動設備上。

AR增強現實系統組成

Monitor-based系統

在基于計算機顯示器的AR實現方案中，攝像機攝取的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統產生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器，用戶從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套最簡單使用的AR實現方案。由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR系統研究者們大量采用。

Video see-through系統

頭盔式顯示器（Head-mounted displays-HMD）被廣泛應用于虛擬現實系統中，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現實技術的研究者們也采用了類似的顯示技術，這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。根據具體實現原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術的穿透式HMD（video see-through HMD）和基于光學原理的穿透式HMD（optical see-through HMD）。

圖表　Video see-through增強現實系統實現方案

Optical see-through系統

在上述的兩套系統實現方案中，輸入計算機中的有兩個通道的信息，一個是計算機產生的虛擬信息通道，一個是來自于攝像機的真實場景通道。而在optical see-through HMD實現方案中去處了后者，真實場景的圖像經過一定的減光處理后，直接進入人眼，虛擬通道的信息經投影反射后再進入人眼，兩者以光學的方法進行合成。

三種系統結構的性能比較

三種AR顯示技術實現策略在性能上各有利弊。在基于monitor-based和video see-through顯示技術的AR實現中，都通過攝像機來獲取真實場景的圖像，在計算機中完成虛實圖像的結合并輸出。整個過程不可避免的存在一定的系統延遲，這是動態AR應用中虛實注冊錯誤的一個主要產生原因。但這時由于用戶的視覺完全在計算機的控制之下，這種系統延遲可以通過計算機內部虛實兩個通道的協調配合來進行補償。而基于optical see-through顯示技術的AR實現中，真實場景的視頻圖像傳送是實時的，不受計算機控制，因此不可能用控制視頻顯示速率的辦法來補償系統延遲。

另外，在基于monitor-based和video See-through顯示技術的AR實現中，可以利用計算機分析輸入的視頻圖像，從真實場景的圖像信息中抽取跟蹤信息（基準點或圖像特征），從而輔助動態AR中虛實景象的注冊過程。而基于optical see-through顯示技術的AR實現中，可以用來輔助虛實注冊的信息只有頭盔上位置傳感器。

AR增強現實的技術支撐

識別與跟蹤技術

在實現增強現實的過程中，需要對真實的場景和信息進行分析，生成虛擬事物信息。這兩步看似簡單，其實在實際進行過程中，需要將攝像機獲得的真實場景的視頻流，轉化成數字圖像，然后通過圖像處理技術，辨識出預先設置的標志物。

識別出標志物之后，一標志物作為參考，結合定位技術，由增強現實程序確定需要添加的三維虛擬物體在增強現實環境中的位置和方向，并確定數字模板的方向。將標志物中的標識符號與預先設定的數字模板鏡像匹配，確定需要添加的三維虛擬物體的基本信息。生成虛擬物體，并用程序根據標識物體位置，將虛擬物體放置在正確的位置上。這其中涉及到的識別跟蹤和定位問題，是增強現實的最大的難題之一。

要實現虛擬和現實事物的完美結合，必須確定虛擬物體在現實環境中準確的位置，準確的方向，否則增強現實的效果就會大打折扣。而在現實環境中，由于現實環境的不完美性，或者稱為復雜性，增強現實系統在這種環境下的效果遠不如在實驗室的理想環境中。由于現實環境中的遮擋，未聚焦，光照不均勻，物體運動速度過快等問題，對增強現實的跟蹤定位系統提出了挑戰。

如果不考慮與增強現實進行交互的設備，其主要實現跟蹤定位的方法有如下兩種：

圖像檢測法

使用模式識別技術（包括模板匹配，邊緣檢測等方法），識別獲得的數字圖像中預先設置的標志物，或是基準點，輪廓，然后根據其偏移距離和偏轉角度計算轉化矩陣確定虛擬物體的位置和方向。

這種方法進行跟蹤定位不需要其他的設備，而且精確度較高，因此是增強現實技術中最常見的定位方法。在模板匹配時，系統會預先存儲好多種模板，來和圖像中檢測到的標志物匹配來計算定位。簡單的模板匹配可以提高圖像檢測的效率，因也為增強現實的實時性提供了保障。通過計算圖像中標志物的偏移和偏轉，也能夠做到三維虛擬物體的全方位觀察。模板匹配一般用于對應特定圖片三維成像，設備通過掃描特定的圖片，將這些圖片中的特殊標志位與預先存儲的模板匹配，即可呈現三維虛擬模型。比如汽車店的車?？ㄆ?，玩具公司的人物卡片，都可以用模板匹配來進行增強現實。邊緣檢測可以檢測出人體的一些部位，同時也可以跟蹤這些部位的運動，將其與虛擬物體物體無縫融合。比如，真實的手提起虛擬的物體，攝像機可以通過跟蹤用戶手的輪廓，運動方式來調整虛擬物體的方位。因此，許多商場的虛擬商品實用，多會使用邊緣檢測。

雖然圖形檢測法簡單高效，但也有其不足的地方。圖像檢測發多用于相對理想的環境以及近距離的環境，這樣獲得的視頻流和圖像信息會清晰，易于進行定位計算。而如果在室外環境中，光線的明暗，物體的遮擋，以及聚焦問題，使得增強現實系統不能很好的識別出圖像中的標志物，或是出現和標志物相似的圖像，這樣都會影響增強現實的效果。而此時，就需要其他跟蹤定位方法的輔助。

全球衛星定位系統法

這種方法是基于詳細的GPS信息進行跟蹤和確定用戶的地理位置信息。當用戶在真是環境中行走時，可以利用這些定位信息和用戶攝像機的方向失誤，增強現實系統能將虛擬信息和虛擬物體精確的低價到環境景物以及周圍的人物之上。目前由于智能設備的普及，智能手機的廣泛應用，而又由于智能手機具有支持基于GPS定位法的增強現實系統的基本組件：攝像機，顯示屏，GPS功能，信息處理器，數字羅盤等，并把它們集成為一體，因此這種跟蹤定位法多用于這種智能移動設備上。一種稱為增強現實瀏覽器的應用程序，主要就是應用這種方法。增強現實瀏覽器能夠在智能手機上運行，它可以連接互聯網，搜索相關的信息，然后讓用戶在真實的環境看到相關的信息。增強現實瀏覽器能夠可以讓用戶了解到攝像機方向的幾乎所有事物的信息，比如找到一家距離很近但是被遮擋住的餐廳，或是獲取用戶對一家咖啡館的評價。

這種定位方式適合于室外的跟蹤定位，可以克服在室外環境中，光照，聚焦等不確定因素對圖像檢測法造成的影響。

其實在增強現實系統實際運用的環境中，往往不會用單一的定位方法來定向定位。比如增強現實瀏覽器也會運用圖像檢測法來檢測一些特定的符號，例如QR碼。識別出QR碼在進行模板匹配，即可為用戶提供信息。

現實技術

當前的增強現實主要有如下三種顯示技術：1、移動手持顯示。2、視頻空間顯示和空間增強顯示。3、可穿戴式顯示。

智能手機通過相應的軟件實時取景并顯示疊加的數字圖像，這就是移動手持式顯示器的一般工作情況。同時現在平板電腦不斷增加功能以及比智能手機更大的屏幕，也是的其日益流行。

手持增強現實標志物，通過網絡攝像機在食品窗口或是顯示器上顯示虛擬疊加的圖像，就是視頻空間顯示方式。帶有增強現實功能的賀卡，既是用這種方式顯示的。用戶在收到賀卡后，登錄相應的網站系統，用網絡攝像機對準賀卡，用戶即可從顯示屏上得到賀卡內所存儲的信息形成的虛擬物體和視頻。而空間增強顯示技術，則是利用把包括全息投影在內的視頻投影技術，直接將虛擬數字信息顯示在真實的環境之中。這種技術的系統不同于一般的增強現實系統，只適合于個人使用，而是能想增強現實與周圍環境相結合，不僅僅限于單個用戶。這種技術適用于大學或者圖書館，可以同時為一群人提供增強現實信息。也可以將控制組件投影到相應的實體模型上，方便工程師的交互操作。

可穿戴式顯示器是一種可以戴在用戶頭上的類似眼鏡的頭盔顯示器。我們熟知且期待的google glass正式這一類型的?？纱┐魇斤@示器一般有一道兩個內嵌鏡頭和半透明鏡的小型顯示器，在飛行仿真，工程設計以及教育訓練等多個領域都有廣泛的運用。頭戴式設備可以讓用戶更加自然地體驗增強現實，并且能夠為用戶提供更大的視場，給予用戶更強，更真實的“身在該處”的感覺。

交互技術

最基礎的增強現實人機交互就是用戶查看虛擬數據。除此之外，還有以下一些交互技術

觸覺接口交互

通過數字信息提供身體觸感來進一步實現虛實結合。比如，可觸碰的虛擬光球，可以在虛擬的碗上繪畫的幻影筆。

協作式接口交互

使用多個顯示器來支持遠程共享與交互或是同地協作活動。這種交互能夠與多種應用軟件集成，可用于醫學領域的執行診斷和外科手術，或是設備維修等。

混合接口交互

組合多種不同但是功能互補的接口，使得用戶能夠通過多種方式的增強現實的內容進行交互。這種交互使得增強現實的交互更加靈活，可以用于數字模型的測試。

多模態接口交互

通過語言和行為的自然存在的形式與真實物體進行交互，比如，說話，觸碰，自然手勢，凝視等。多模態交互能讓用戶靈活的組合多種模態，更方便用戶與增強現實系統的交互。

AR技術常見的表現方式

基礎3D模型

3D模型(靜態或動態)是AR技術最基本的展現形式，比如動漫人物、建筑、展品、家具等。目前，國內AR行業正屬于前期發展階段，3D模型表現形式主要應用于AR初級移動app類產品。這種變現方式雖然是最基礎的，但也是目前應用場景最廣、開發成本最低、市場普及最好的產品。

視頻

相對于簡單的3D模型，酷炫的視頻展示無疑更能博人眼球，在商業運營中，這種展示方式帶來的經濟效益會更好。比如，本來是普通的產品安裝說明、菜單講解、宣傳單介紹，一旦應用AR技術，那么它就不再是一張平面的圖片，而表現出立體形象了，表述也變得準確生動起來，有一種魔幻的感覺。在類似的場景應用中，AR技術都有巨大的市場空間可供挖掘拓展。在這里，需要提醒的是，利用AR技術實現視頻播放并不難，難的是制作一段適合AR情景播放的宣傳片，這就需要各位腦洞大開、細心雕琢了。

透明視頻

初次看到的時候，感覺它更像是使用了超高清的3D人物模型，但嚴格的說，這是做了特殊處理的透明視頻展示的效果。這種視頻沒有3D模型的高額成本，但卻有逼真的演繹效果。如果在大型海報、宣傳冊、商場活動等場景中，設計好了，可是會有超級贊的效果。

場景展現

它可不是簡單的一個個3D模型加上去就算完事了，場景展現雖然類似基礎3D模型疊加，但實現起來要比單一3D模型復雜的多，場景里包含的更多，應用范圍也更加廣闊。比如娛樂、立體閱讀、游戲等應用都會需要場景展現，當然這類場景的建設需要內容的支持。AR的場景展現不同于VR建造的全場景，AR場景展現是基于現實并與現實相互交錯的，這也正是AR技術的迷人之處。

AR游戲

AR技術在游戲方式方面也帶來了巨大的革新。目前像《Pokemon Go》、《小龍斯派羅》、《幻實新英雄卡》等，都是非常不錯的AR游戲。想象一下，往后的游戲不再需要復雜的場景建模，而是在真實的世界里游戲，同時在真實的世界里又能出現許多虛擬疊加進去的事物，這是一種多么棒的體驗!游戲也能擺脫場地與空間的束縛，可以隨時隨地開始。

VR結合

AR與VR技術共同豐富著我們的現實世界，AR技術旨在增強我們所處世界的內容，而VR技術則是將我們的注意力從現實中轉移到一個虛擬的空間。AR和VR要是相結合起來，相信會有更好的體驗，比如有了VR設備+AR顯示，你也不在需要導游或者講解員了，借助VR，讓AR所反饋出來的增強信息會實時地出現在你所聚焦的物體旁邊，告訴你這是什么，甚至還會告訴你關于它的詳細信息。未來像這樣的結合還可以體現在導航、醫療等領域。

大屏互動

大屏互動作為AR技術展現的延伸，其表現效果也是很讓人驚喜的，主要應用于商場、博物館、體驗館、大型活動(演唱會)等。大屏互動，簡單來講就是AR技術加投影，營造更為真實、震感的場景和氛圍。

AR增強現實的應用領域

現如今，增強現實的用途已是十分廣泛，接下來我們隊其中一些代表性的領域做一些介紹。

體育娛樂與游戲

增強現實的發展，對于娛樂業有著極大影響。增強現實產生的三維虛擬事物，能夠增強我們的娛樂感觸，將各種娛樂，變成當今最前沿的科技體驗。

增強現實目前常用于體育賽事的電視轉播中。比如在美國橄欖球比賽的電視轉播中，可以獲取比賽場上的真實的場地和運動員，添加虛擬黃線表示第一次進攻線，通過增強現實的技術將虛擬的黃線融入真實的場景。而在游泳比賽的電視轉播中，水道之間常常被加上一些虛擬的線條，用于顯示當前比賽中運動員的位置；而比賽結束時的標示也可以清楚的顯示運動員的名次和成績。這些增強現實技術在體育運動轉播中的運用，給能觀眾更清晰的視角，更全面立體的分析，更優質的賽事體驗。

游戲產業是一個全球性的大行業，而增強現實的技術的反正，也一定會被游戲產業應用。索尼公司新推出的游戲平臺PS Vita就是其中之一。這款移動社交網絡平臺具有增強現實功能，無論玩家身處何地，他們都能使用當前環境開始游戲，并獲得更具有沉浸感的游戲體驗。而微軟公司的Kinect可以根據使用者信息添加虛擬物體，達到例如模擬面具，大頭娃娃等效果。

此外，增強現實對于三維會議，社交網絡，電影電視，旅游等方面的影響也在逐步的增強，交互式電視，交互式電影，實時翻譯，方向提示等技術的運用也極大的豐富了人們的生活。

教育

近年來年教育事業的支出不斷的升高，教育事業也不斷的受到社會的注視。然而由于一些條件的限制，有些位置由于受阻無法通過其他方式接近的區域，比如正在運行的發動機，而通過增強現實的技術，可以讓我們更清楚的了解這些區域的內部情況。同時，增強現實也可以在很多方面為學習增加一個新的維度，比如通過增強現實識別環境的物體并嘗試用正在學習的語言描述他們，來練習外語?？梢?，增強現實在影響和改善教育方面的潛力是巨大的。

增強現實通過三維圖形或動畫，音頻或視覺信息等方式來增強特定內容，實現增強現實圖書，能夠給平面的紙質書籍，甚至嗲你在書籍注入新的活力。也可以創建一個具有沉浸性，游戲性的學環境，讓多人實現協作式學習。

修理和維護

由哥倫比亞大學的Steve Henderson和Steven Feiner程序的增強現實維護修理（簡稱ARMAR）程序是增強現實在這一領域的著名應用案例。ARMAR科技吧計算機圖案定位在需要維護的真是設備上，從而提高機械維護工作的效率，安全性和準確性。增強現實輔助維修技術，能夠使工程師盡快的確定故障位置，并開始修理工作，極大的減少工作消耗的時間。

此外，數字化的用戶指南手冊，采用增強現實技術，將手冊的文本和圖片疊加顯示在真是的設備上，并提供分布指令，會是個指南手冊共容易理解。

醫學

醫學領域中增強現實技術的運用是最振奮人心的。盡管醫生和外科專家能熟練的運用現代醫學設備，但他們只能用裸眼檢查病人，雖然核磁共振或是X射線得出身體內部的影像，但這畢竟不是人能直接看到的。而增強現實技術的應用，能為醫生提供類似X射線透視視覺的病人體內的影像，并且是彩色全譜圖，不只是黑白二值得圖像。

增強現實能使醫生看到有效的逐層的餐刀病人內部的情況，掌握手術精確的位置，避開其他的重要位置，方便醫生手術的進行。增強現實技術也能用于治療某些恐懼癥，以及改善人類的總體健康，比如控制飲食。

商業貿易

人絕大多數活動的基礎是商業與貿易，而增強現實也被強有力的運用到業務的創建和維護，以及維持或增加市場份額等方面。

二維碼目前已經在廣告領域廣泛的運用了，而將二維碼與增強現實相結合，可以使用二維碼作為增強現實的標志物，可以完美的避免注冊的問題。對美每一個請張先生系統，注冊信息往往是不同的，而二維碼的使用，可以讓增強現實系統從不通用的，封閉的系統變為通用的，開放的系統。因此這兩者的結合，會使得新興廣告超越原本的廣告。

在廣告牌，海報，以及一些汽車廣告，都已經使用了增強現實的技術，方便用戶連接相應的信息以及方便訂購。而在百貨公司中的增強現實系統，可以讓購物者不用拿起實體，便可以體驗，嘗試各種商品。

編輯：黃飛

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