增強現實（AR）技術的研究進展及應用

摘 要：增強現實技術是近年來的一個研究熱點，有著廣泛的應用前景增強。現實是把計算機產生的虛擬物體或其他信息合成到用戶感知的真實世界中的一種技術。它是對真實世界的補充，而不是完全替代真實世界。顯示技術和跟蹤注冊技術是增強現實系統關鍵技術，也是研究的重點本文簡要介紹了頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示等顯示技術以及跟蹤注冊技術。最后提到了目前增強現實技術應用和將來的發展方向。

引 言

增強現實(Augmented Reality 簡稱AR) 技術是近年來的一個研究熱點，有著廣泛的應用前景。它是對現實世界的補充，使得虛擬物體從感官上成為周圍真實環境的組成部分。與傳統的虛擬現實(Virtual Reality 簡稱VR)不同，增強現實只是實現對現實環境的增強，加深了對現實環境的感受。

增強現實增強了用戶對現實世界的感知能力和與現實世界的交互能力如圖【1】。

Milgram根據用戶界面中計算機生成信息的比例的大小定義了一個真實環境到虛擬環境連續體，他認為增強現實是混合現實環境中的一部分。

1 增強現實的顯示技術

增強現實系統設計最基本的問題就是實現虛擬信息和現實世界的融合。顯示技術是增強現實系統的基本技術之一。一般而言，可以把增強現實的顯示技術分為以下幾類：頭盔顯示器、顯示投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示。

1.1 頭盔顯示器(Head-mounted display, 簡稱HMD)顯示

現有的虛擬現實技術的人機界面中大多采用頭盔顯示真實世界器。主要原因是頭盔顯示器較其他幾種顯示技術而言沉浸感最強。因為用于增強顯示系統的頭盔顯示器能夠看到周圍的真實環境，所以叫做透視式(see-through)頭盔顯示器。

透視式頭盔顯示器一般分為視頻透視式(Vedio seethrough)和光學透視式(Optical see-through )。前者是利用攝像機對真實世界進行同步拍攝，將信號送入虛擬現實工作站在虛擬工作站中將虛擬場景生成器生成的虛擬物體同真實世界中采集的信息融合，然后輸出到頭盔顯示器。而后者則是利用光學組合儀器直接將虛擬物體同真實世界在人眼中融合，實現增強(如 圖2).

還有一種更為奇特的方法是虛擬視網膜顯示技術(Virtual Retinal Display 簡稱VRD )。華盛頓大學的人機界面實驗室(HIT Lab) 研究出的VRD 是通過將低功率的激光直接投射到人眼的視網膜上，從而將虛擬物體添加到現實世界中來。

1.2 投影式顯示projection display

投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強的物體上，從而實現增強。日本Chuo 大學研究出的PARTNER 增強現實系統可以用于人員訓練，并且使一個沒有受過訓練的試驗人員通過系統的提示，成功地拆卸了一臺便攜式OHP(Over Head Projector)。

另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機(Head-Mounted Projective Display 簡稱HMPD)來進行投影。美國伊利諾斯洲立大學和密歇根洲立大學的一些研究人員研究出一種HMPD 的原型系統。該系統由一個微型投影鏡頭一個戴在頭上的顯示器和一個雙面自反射屏幕組成。

由計算機生成的虛擬物體顯示在HMPD 的微型顯示器上，虛擬物體通過投影鏡頭折射后再由與視線成45 的分光器反射到自反射的屏幕上面。自反射的屏幕將入射光線沿入射角反射回去進入人眼中從而實現了虛擬物體與真實環境的重疊(如圖3 所示)。

1.3 手持式顯示器(Hand Held Display 簡稱HHD)顯示

通過采用攝像機等其他輔助部件，一些增強現實系統采用了手持式顯示器。美國華盛頓大學人機界面技術實驗室設計出了一個便攜式的MagicBook 增強現實系統 。該系統采用一種基于視覺的跟蹤方法把虛擬的模型重疊在真實的書籍上，產生一個增強現實的場景同時該界面也支持多用戶的協同工作。日本的SONY計算機科學實驗室也研究出一種手持式顯示器，利用這種顯示器，構建了TransVision 協同式工作環境。

1.4 普通顯示器顯示Monitor-based Display

增強現實系統也可以采用普通顯示器顯示。在這種系統中，通過攝像機獲得的真實世界的圖像與計算機生成的虛擬物體合成之后在顯示器輸出。在需要時也可以輸出為立體圖像這時需要用戶戴上立體眼鏡。

2 增強現實的注冊技術

注冊技術是增強現實系統最為關鍵的技術之一，注冊實際上就是將計算機生成的虛擬物體和真實環境中景象“對齊”的過程。注冊必須先確定虛擬物體與觀察者之間的關系，然后通過正確的幾何投影將虛擬物體投影到觀察者的視野中。注冊一般分為動態注冊和靜態注冊。動態注冊是攝像機與真實物體相對運動的情況下，確定二者的相對位置靜態注冊是攝像機與真實物體相對靜止的情況下確定二者的相對位置。 在目前的增強現實系統中，絕大多數是采用的動態注冊。動態注冊技術一般可以分為兩種，基于跟蹤器的注冊技術和基于視覺的注冊技術。

2.1 基于跟蹤器的注冊技術

跟蹤的主要目的是記錄真實世界里的觀察者的方向和位置，以便保持虛擬空間和真實空間的連續性，實現精確的注冊一般主要有以下幾種：跟蹤技術飛行時間定位跟蹤、機構聯接、跟蹤相差跟蹤、場跟蹤、復合跟蹤系統。

1) 飛行時間(Time of Flight,簡稱TOF)定位跟蹤系統

這種方法就是利用一些手段測量運動目標和參照物之間的距離，然后推導出運動目標在虛擬環境中的坐標。前提是假定脈沖信號的傳播速度為常數，通過測定接收裝置接收相臨兩次脈沖信號之間的時間來確定運動目標相對于參照物的距離。

2) 機構聯接跟蹤系統