增強現(xiàn)實技術(shù)研究進展及其應(yīng)用

1、1增強現(xiàn)實技術(shù)增強現(xiàn)實技術(shù)研究進展及其應(yīng)用研究進展及其應(yīng)用2l概念l增強現(xiàn)實 VS 虛擬現(xiàn)實l增強現(xiàn)實系統(tǒng)lAR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀lAR關(guān)鍵技術(shù)l應(yīng)用實例主要內(nèi)容主要內(nèi)容3l增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）的一個重要分支，也是近年來的研究熱點l將計算機生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的“增強”l綜合了計算機圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科一、概念一、概念4一、概念一、概念5lVR強調(diào)的是虛擬世界給人的沉浸感，強調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對象進行交互操作lAR

2、則強調(diào)在真實場景中融入計算機生成的虛擬信息的能力，它并不隔斷觀察者與真實世界之間的聯(lián)系。lAR具有較低的硬件要求、更高的注冊精度、更具真實感二、增強現(xiàn)實二、增強現(xiàn)實 VS 虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實場景 增強現(xiàn)實場景6l虛實結(jié)合l實時交互l三維注冊三、增強現(xiàn)實系統(tǒng)三、增強現(xiàn)實系統(tǒng)7l90年代以前，AR的概念還比較模糊；90年代是AR技術(shù)迅速發(fā)展的10年。比較有名的研究機構(gòu)有：l美國麻省理工大學的圖像導航外科手術(shù)室l哥倫比亞大學的圖形和用戶交互實驗室l日本的混合現(xiàn)實實驗室l德國的Arvika組織l新加坡的混合現(xiàn)實實驗室l此外，用于快速開發(fā)的開源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學的圖形實驗室成

3、功開發(fā)并維護至今四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀8l原有的研究領(lǐng)域拓展到多個新的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、娛樂教育、工業(yè)仿真、文化遺產(chǎn)保護等lAR系統(tǒng)由簡單的桌面式擴展到戶外可攜帶型、空間體驗型l顯示設(shè)備也從頭盔顯示器延伸到大型可觸摸式、桌面投射式和便攜式四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀增強現(xiàn)實顯示器仍相當笨重，但開發(fā)人員相信他們可以開發(fā)出類似眼鏡的顯示器9l我國在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機構(gòu)主要集中在高校的科研單位l北京理工大學l北京航空航天大學l國防大學l浙江大學l上海大學l從國內(nèi)發(fā)表的論文來看，主要集中在系統(tǒng)應(yīng)用和配準技術(shù)上，研究的問題比較單一、涉及面

4、比較窄l另外，從專利申請的情況看，全球共有108個，這之中我國僅有北京理工大學的一個（2008年數(shù)據(jù)）四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀10l目前國內(nèi)AR的研究成果主要有：l北京理工大學自主研制了視頻、光學穿透式兩類頭盔顯示器l北京理工大學利用AR技術(shù)重建圓明園的實驗也取得了重要進展l上海大學快速制造工程中心與浙江大學合作開發(fā)了AR場景光源的實時檢測和真實感繪制框架l此外，在城市規(guī)劃、地下管網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀11四、四、AR技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 真實場景 增強現(xiàn)實場景視頻透視式頭盔顯示器

5、光學透視式頭盔顯示器12五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)13l虛實物體配準l對真實場景圖像和計算機生成的虛擬物體進行無縫合成是實現(xiàn)AR的首先目標l其實質(zhì)是將兩者“對齊”的過程，即：先根據(jù)真實物體確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后通過正確的投影將虛擬物體投影至觀察者的視域范圍l要求正確（無延時）、快速（精確、無抖動）、魯棒（不受光照、遮擋、物體運動的影響）五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)14五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)幾何配準方法幾何配準方法原理原理優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點基于硬件跟蹤器的配準技術(shù)據(jù)信號發(fā)射源和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對空間位置和方向系統(tǒng)延遲小設(shè)備昂貴、對外部傳感器的校準比較難，且受設(shè)備和

6、移動空間的限制，系統(tǒng)安裝不方便基于視覺計算的配準技術(shù)根據(jù)一幅或幾幅真實場景圖像反求出觀察者的運動軌跡，從而確定虛擬信息“對齊”的位置和方向無需特殊硬件設(shè)備，配準精度高計算復雜性高，造成系統(tǒng)延遲大；大多數(shù)都用非線性迭代，造成誤差難控制、魯棒性不強的缺點兩者混合的配準技術(shù)根據(jù)硬件設(shè)備定位用戶的頭部運動位姿，同時借助視覺方法對配準結(jié)果進行誤差補償算法魯棒性強、定標精度高系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)安裝繁瑣、移植困難15l顯示技術(shù)l在觀察者的眼睛和真實物體之間的光路上成像的技術(shù)l根據(jù)光路上成像位置的不同可以分為三類五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分類分類成像距離成像距離優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點頭戴式顯示技術(shù)成像在離觀察者眼睛

7、大約4-10厘米處，觀察者頭部需要戴上顯示設(shè)備分辨率低、視域受限手持式顯示技術(shù)成像于離觀察者一個手臂遠的距離處理器性能低、存儲容量小、視域范圍小、攝像頭精度低空間顯示技術(shù)將顯示設(shè)備和人體分離，并在離人體較遠處成像支持高分辨率、寬視域、高亮型和高對比度的影像不可移動性、合成影像精度低16l真實感繪制技術(shù)l其目標是將真實場景和計算機生成的虛擬物體無縫合成，并最終使觀察者感覺不到真實物體和虛擬物體的區(qū)別五、五、AR關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)17六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實例醫(yī)療醫(yī)療北卡羅萊納大學的AR輔助B超檢查和胸部活組織切片倫敦Guys醫(yī)院MAGI項目協(xié)助醫(yī)生從耳道中取出神經(jīng)瘤卡內(nèi)基梅隆大學的“魔眼”工程布朗大學的外科手術(shù)培訓系統(tǒng)18六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實例教育教育歐洲計算機工業(yè)研究中心的機械模型注解19六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實例工業(yè)工業(yè)SONY公司TransVision增強現(xiàn)實樣機系統(tǒng)參與者看到的圖像20六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實例商業(yè)商業(yè)微軟推增強現(xiàn)實技術(shù)新應(yīng)用-記事帖日本新宿高島屋百貨公司內(nèi)的數(shù)字化妝鏡21六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實例市政市政22六、應(yīng)用實例六、應(yīng)用實