增強現(xiàn)實的解決方案

1、移動增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)及研究增強現(xiàn)實是隨著計算機圖形技術(shù)、可視化技術(shù)以及光電成像技術(shù)等一系列技術(shù)的發(fā)展在 近年出現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實營造一個和用戶周圍環(huán)境完全不同的由計算機生成的虛擬場景， 而增強現(xiàn)實則是把計算機生成的虛擬物體或文字信息疊加到真實的環(huán)境中，增強現(xiàn)實在 虛擬環(huán)境和真實環(huán)境之間搭起了一個橋梁。是一個典型的增強現(xiàn)實場景，用戶借助手機、平板電腦等智能終端顯示設(shè)備自帶的攝像 頭觀察周圍的真實環(huán)境，在其手持的智能終端顯示屏上除了可以看到其周圍的真實環(huán)境 之外，還可以看到由計算機生成的虛擬輔助信息，如最近的麥當(dāng)勞在哪個位置，這可以 通過在周圍環(huán)境上疊加一個漢堡來表示附近有一家麥當(dāng)勞店。當(dāng)用戶來到一個

2、陌生城市,如果要找最近的地鐵站，可以通過手機攝像頭掃描周圍環(huán)境來得知最近的地鐵站或其他 一些感興趣的地點在哪個位置。除了在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，近年來 增強現(xiàn)實在軍事領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。在本次國防電子展上展出了一套單兵作戰(zhàn)系 統(tǒng)，借助攝像機和頭盔顯示器士兵在觀察戰(zhàn)場環(huán)境時可以看到例如敵方的火力點等很多 提示信息。在夜晚和惡劣天氣情況下這套系統(tǒng)具有重要作用，可以更好的保護士兵，使 得士兵能夠更好地地完成作戰(zhàn)任務(wù)。近年來增強現(xiàn)實技術(shù)得到了很大的發(fā)展，圖2是一些典型的增強現(xiàn)實應(yīng)用，在體育轉(zhuǎn)播時，借助增強現(xiàn)實技術(shù)可以把運動員的名字或者所做國家的國旗疊加在跑道上，由于事 先已經(jīng)獲取了攝

3、像機以及賽場環(huán)境的準(zhǔn)確參數(shù)，可以保證在實時轉(zhuǎn)播時由計算機所添加 的虛擬物體或者文字信息天衣無縫的融合到當(dāng)前環(huán)境中。除了體育轉(zhuǎn)播以外，現(xiàn)在很多 的演出中也應(yīng)用了增強現(xiàn)實技術(shù)。增強現(xiàn)實的另外一個典型應(yīng)用是運行在手機上的一個智能感知系統(tǒng)。例如借助增強現(xiàn)實 技術(shù)，當(dāng)用戶到達一個陌生的環(huán)境需要獲取信息時，通過舉起手機拍攝周圍環(huán)境，所有 的陌生文字都可以變成其熟悉的語言。在商業(yè)區(qū)舉起手機拍攝就可以很快找到最近的快 餐店的地址。當(dāng)想知道天氣時，只需要拍攝一下天空，就可以獲得天氣的信息。移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)所需要解決的系列關(guān)鍵技術(shù)移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分主要包括可以把用戶當(dāng)前所處的 真實環(huán)

4、境和計算機所生成的虛擬物體以及文字同時進行顯示的顯示載體，這既可以是單 兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中的頭盔顯示器，也可以是用戶手持的智能手機或者是平板電腦。除了融合 顯示裝置外，還需要了解用戶意圖的人機交互設(shè)備，因為系統(tǒng)需要知道用戶現(xiàn)在的需求 是什么，采用傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)無法實現(xiàn)這樣的人機交互，需要采用包括語音識別、眼動 跟蹤、身體動作跟蹤等一系列的自然交互手段。此外還需要硬件計算平臺來完成融合顯 示、虛擬物體的繪制以及人機交互等一系列的復(fù)雜運算。除了上述硬件平臺之外還需要 一系列軟件的支撐，包括識別當(dāng)前用戶所看到的場景中的物體種類以及物體具體位置的 識別和跟蹤軟件，把虛擬的三維物體進行實時的繪制和融合顯示的三

5、維圖形渲染繪制軟 件，這些硬件和軟件平臺一起構(gòu)成了移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)。目前有三種方式可以實現(xiàn)移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)，包括基于頭盔式顯示器的移動增強現(xiàn)實系 統(tǒng)、基于手持投影儀的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)以及基于智能手機、平板電腦等便攜智能終端 的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)。盡管移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)顯示出了在諸多領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用前景，但是由于技術(shù)條件 和成本的限制，和大規(guī)模的推廣應(yīng)用尚有一定的距離，目前比較成熟的應(yīng)用大多集中在 軍事、醫(yī)療等對價格不是特別敏感的領(lǐng)域。目前制約移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)性能的因素主要包括以下兩個方面，一是移動計算平臺的計 算資源、電池的壽命和重量的限制。二是戶外場景復(fù)雜多變的因素，由于戶外存在光照 的變化

6、以及遮擋等問題， 同時用戶在戶外的場景中自由移動，事先無法預(yù)測用戶的軌跡,而環(huán)境又會有陰晴雨雪變化，所有這些不可控的因素制約了移動增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。開發(fā)移動增強現(xiàn)實需要攻克以下六項關(guān)鍵技術(shù)：一、高效便攜的終端定位系統(tǒng)，為了獲得用戶在環(huán)境中的準(zhǔn)確位置，完成對用戶在環(huán)境 中的準(zhǔn)確定位，目前有幾種方法可以實現(xiàn)，當(dāng)用戶攜帶手機時，通過移動網(wǎng)絡(luò)可以對用 戶進行粗略定位，可以記錄用戶在網(wǎng)絡(luò)中的一個歷史軌跡，通過這樣的一系列的歷史數(shù) 據(jù)，在服務(wù)器端可以對用戶當(dāng)前的位置有一個相對精確的估計，這些的復(fù)雜運算是在服 務(wù)器端實現(xiàn)的，借助服務(wù)器端強大的計算能力，可以在不占用移動端過多資源的情況下 獲取準(zhǔn)確的定位。二

7、、移動終端和多核工作站之間不同計算能力設(shè)備間的任務(wù)協(xié)同。為了實現(xiàn)移動增強現(xiàn) 實系統(tǒng)，要完成非常多復(fù)雜的運算，包括對用戶位置的跟蹤、渲染、繪制等，這些復(fù)雜 的運算任務(wù)要在移動終端和系統(tǒng)的服務(wù)器中進行協(xié)調(diào)，目前的解決方案是把一部分工作 放在手機端由手機實現(xiàn)，而將另外一部分復(fù)雜運算放在服務(wù)器中實現(xiàn)。三、海量目標(biāo)的精確識別。在生活中有時我們希望能夠知道用戶面前的建筑物是什么， 用戶面前的車是什么型號，目前有多種方式實現(xiàn)這樣的功能。為了識別出這些物體，可 以通過提取對象的輪廓特征、紋理特征等來辨識。由于戶外環(huán)境的復(fù)雜多變，單一的特 征很難實現(xiàn)百分之百的識別，為此在移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過多特征融合進行物

8、體識 別，例如對于同一個用戶眼前的建筑物，首先提取它的多種特征，通過融合多種特征來 更加詳盡的對目標(biāo)加以識別和描述。四、六自由度跟蹤定位，即知道用戶在環(huán)境中是在向哪個方向看以及確定用戶所處的位 置，所采用的方法是事先在計算機存儲部分已經(jīng)標(biāo)好的圖像，當(dāng)實際用戶使用的時候， 通過將拍攝到場景中的圖像和事先存儲的圖像進行匹配可以獲得準(zhǔn)確的六自由度信息。五、多傳感器數(shù)據(jù)融合。目前移動智能終端帶有多種傳感器，在實際使用中即可以通過 計算機視覺技術(shù)對攝像頭所拍攝的環(huán)境物體進行跟蹤，也可以采用慣性傳感器進行姿態(tài) 跟蹤，通過融合多個傳感器的輸出可以獲取更加準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果。六、真實、高效的3D渲染。為了實現(xiàn)移動

9、增強現(xiàn)實系統(tǒng)，還需要把生成的三維物體準(zhǔn)確 的繪制到當(dāng)前的場景中，考慮到移動終端資源的限制，需要繪制算法能夠盡可能簡化，解決的方法之一就是簡化傳輸數(shù)據(jù)的冗余性，從而實現(xiàn)真實高效的三維渲染。下面介紹國外的典型應(yīng)用。圖3所示是增強現(xiàn)實瀏覽器，用戶只需要在手機上選擇一個頻道，在拍攝周圍環(huán)境的時候，用戶所有感興趣的信息都會自動出現(xiàn)在屏幕上。比如在 選擇餐飲的時候，周圍的所有的飯店的符號都會出現(xiàn)在屏幕上，用戶可以通過點擊屏幕 看到對應(yīng)的評價，甚至可以下載飯店的優(yōu)惠券。移動增強現(xiàn)實在博物館導(dǎo)覽方面也有很好的應(yīng)用。博物館提供了非常多的展品，但目前 所有展品的標(biāo)簽所提供的信息都是有限的，用戶到博物館參觀時希望知

10、道展品背后的故 事。借助移動增強現(xiàn)實技術(shù)，用戶進入到博物館時可以在手機上下載一個軟件，當(dāng)用戶 在博物館內(nèi)進行游覽時當(dāng)用戶看到感興趣的展品，通過手機屏幕呈現(xiàn)和這個展品有關(guān)的 文字、圖片以及視頻等信息可以增強用戶對展品的認識。移動增強現(xiàn)實在電子商務(wù)方面也有很多的應(yīng)用，例如近年來在北京地鐵站出現(xiàn)的虛擬購 物超市，消費者只要通過手機拍攝想要購買的物品并發(fā)送給服務(wù)商，就可以享受到送貨 上門的服務(wù)。移動增強現(xiàn)實在教學(xué)培訓(xùn)上也有廣泛的應(yīng)用，國外開發(fā)了一款在iPhone上的運行的軟件，可以在實際的電路上通過三維顯示的方式來疊加學(xué)生需要搭建的電子元器件來指導(dǎo) 學(xué)生進行電路的搭建。在化學(xué)、地理等等一些教學(xué)中，通過

11、對三維的分子結(jié)構(gòu)以及三維 的空間星系進行增強顯示可以加深對這些知識的理解。在導(dǎo)航導(dǎo)覽方面增強現(xiàn)實具有更加廣泛的應(yīng)用，目前國外新開發(fā)的GPS軟件上已經(jīng)應(yīng)用了增強現(xiàn)實，當(dāng)把這樣一款 GPS安放在駕駛的車輛上，就會看到前方的道路地面疊加出 了方向箭頭，可以實時指引駕駛員，通過這樣的可視化手段為用戶提供了非常好的使用 感受。在本屆國防電子展上也有多款產(chǎn)品應(yīng)用了增強現(xiàn)實技術(shù)，例如晚上駕駛照明條件不好時，可以借助紅外傳感器觀察周圍環(huán)境，然后把增強后的路況借助增強現(xiàn)實技術(shù)顯示在風(fēng)擋 玻璃并后準(zhǔn)確的疊加在駕駛員前方的道路上，從而增強用戶對環(huán)境的理解。增強現(xiàn)實在商業(yè)廣告方面也有很多的應(yīng)用，Ibuttefly是一

12、款下載在iPhone上的AR應(yīng)用，是旅游和餐飲業(yè)的一個很好的宣傳平臺。在娛樂游戲方面，增強現(xiàn)實可以把用戶周 圍的真實場景變?yōu)橛螒驁鼍?，而在社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，增強現(xiàn)實技術(shù)可以方便用戶與好友 進行在線交流。近年來增強現(xiàn)實在古跡重建及導(dǎo)覽方面也有很多的應(yīng)用，例如用戶到圓明園進行游覽時 可以通過增強現(xiàn)實技術(shù)看到圓明園被燒毀之前的壯美建筑，加深對古跡現(xiàn)場的理解。發(fā)展方向移動增強現(xiàn)實的一個發(fā)展方向是基于投影儀的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)。盡管目前手機屏幕越 來越大，但是不可能無限增大，同時大的顯示屏幕對于電池是一個非常大的考驗。美國 MIT開發(fā)的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)借助微型的投影儀把增強信息投到用戶手上以及用戶閱讀 的報紙上，同時用戶可以通過不同的手部動作和投射出的影