摘要：增强现实技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。其通过跟踪注册技术、显示技术、人机交互技术等多种技术，将计算机生成的虚拟信息添加到真实世界中，在各领域中广泛应用。近年来，随着其核心技术的进步，计算机及各类移动设备性能的提升，增强现实技术逐渐成为国内外学者研究的热点。文章首先综述了增强现实技术的国内外研究现状，然后详细介绍了增强现实技术的核心技术，最后对增强现实开发工具及增强现实技术应用领域进行阐释，并展望了其未来的发展趋势。
关键词：增强现实；跟踪注册技术；人机交互技术
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0194-03
1 概述
增强现实（Augmented Reality）技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。增强现实的概念最早于20世纪90年代由波音公司的Tom Caudell和他的同事提出，数十年来，国内外各大高校、实验室、研究所乃至企业不断投入到对增强现实技术的研究中，并取得了显著成果。
目前对于增强现实技术有两种较为权威的定义。第一种定义是Paul Milgram和Fumio Kishino于1994年提出的，在论文中他们提出“现实-虚拟连续统”的概念，认为在虚拟环境和真实环境的中间地带存在“混合现实”，在这其中更靠近真实环境的为增强现实，最终将通过计算机生成各种虚拟对象来“增强”真实环境的技术，定义为增强现实。第二种定义是R.T. Azuma于1997年在Hughes Research Laboratories时所提出的，他没有从具体技术角度定义增强现实，而是提出了增强现实所需要的三方面特性：将虚拟与现实融合、实现实时交互、在三维空间注册。
近年来，随着计算机及各种移动设备的GPU、CPU等各项性能不断提升，随着计算机图形学与机器视觉技术等技术的提高，增强现实技术逐渐成为了国内外学者研究的热点，其应用领域也越发广泛，如医疗、工业、旅游、城市建设、军事、教育、遗迹保护、娱乐等诸多领域。
2 国内外研究背景
2.1 国外研究现状
国外各大高校、实验室、研究所等主要将研究重点放在增强现实技术实现的核心算法、人机交互方式、软硬件基础平台等方面。如1999年，ARToolKit项目发布，并于2001年开源、维护直至今日，极大地推动了增强现实技术的发展，更是将AR技术从PC端推广至手机端。它使用视频跟踪技术来实时计算真實摄像机位置和相对于标识物的方向，解决了增强现实中的两个关键问题：视点跟踪和虚拟对象交互。洛桑联邦理工学院的Computer Vision Laboratory提出了一种基于自然平面图像与立体物体识别追踪的三维注册算法，取得了里程碑式的研究成果。新加坡国立大学的Interactive & Digital Media Institute则致力于研究基于增强现实技术的人机交互技术。2004年，University of Oxford的Andrew J. Davison基于SLAM算法提出了广角视觉下的实时三维SLAM算法，开创了增强现实新的研究方法。2012年，谷歌公司推出名为Google Project Glass的增强现实型穿戴式智能眼镜，该眼镜集相机、智能设备、全球定位系统等设备于一身，在用户眼前展现实时信息，风靡一时。2015年，微软推出HoloLens增强现实头显设备，其具有全息、高清镜头、立体声等特点，可以让你看到和听到你周围的全息景象，为头戴式显示设备的翘楚。2016年，任天堂推出基于增强现实技术的手机游戏Pokemon Go，将虚拟的精灵、场景等叠加在真实世界上，因其出色的创新性与游戏性席卷全球。2017年苹果公司于全球开发者大会上发布了AR开发平台ARKit，将优秀的AR体验带给无数的消费级设备，各式各样的AR应用一时层出不穷。
2.2 国内研究现状
国内有关增强现实技术的研究相比国外而言开始较晚，但在近几年也得到了深入发展。2006年，北京理工大学的王涌天等人提出运用增强现实技术数字化“重建圆明园”，提议以定点式AR、手持式AR和头盔式AR等多种形式展现圆明园的魅力。王涌天等人还于2010年提出一种在自然特征识别基础上采用关键帧匹配的跟踪注册算法，该算法在户外定位追踪方面有良好效果。2006年，国防科技大学的高宇等人将注意力放在基于增强现实的虚拟实景空间上，从几何一致性及光照一致性等角度研究了虚拟物体与实景空间合成的一致性问题。同年，华中科技大学的蒋钦云提出了一种基于标示焦点与全局单应性矩阵相结合的三维注册方法，采用了标识预估的方法进行标识搜索跟踪，设计了卡尔曼滤波器以确保旋转角的精确度，降低跟踪维数，最终提高注册精度。2012年，视辰信息科技公司成立，于2014年推出使用自主AR引擎开发的视+AR编辑器和视+AR浏览器，于2015年发布国内首个可以投入应用的AR引擎EasyAR，以其友好的界面、交互性、兼容性吸引了一批AR开发者。2015年，亮风台发布HiAR增强现实平台，包括HiAR SDK、云识别、管理者后台等开发工具，使开发者能利用其增强现实框架快速开发AR应用。
3 增强现实核心技术
3.1 跟踪注册技术
跟踪注册技术是增强现实系统的核心技术之一，增强现实系统的最终效果与其所用的跟踪注册技术密不可分。跟踪注册技术，是指通过相应算法快速地计算虚拟空间与现实空间坐标系的映射关系，使其精准对齐，从而实现虚拟信息在真实世界的完美叠加。建立虚拟空间坐标系与真实空间坐标系的转换关系，使得虚拟信息能够正确地放置于真实世界中，此过程为注册。实时从当前场景获得真实世界的数据，并根据观察者位置、视场、角度、方向、运动情况等因素来重建坐标系，并将虚拟信息正确地放置于真实世界中，此过程为跟踪。目前通用的跟踪注册技术主要有以下三种。
3.1.1 基于计算机视觉的跟踪注册技术
该类技术主要有两种方法，一为基于标识物的方法，二为基于自然特征的方法。基于标识物的方法，主要通过在真实空间中放置标识物，通过对实时图像进行边缘检测等方法识别标识物，而后根据标识物的信息建立虚拟空间与真实空间的坐标映射关系。基于自然特征的方法，主要通过分析实时图像，提取相匹配的自然特征点，通过真实图像计算出虚拟空间与真实空间的坐标映射关系。该项技术优点在于不需要额外的外部设备，计算精度高，且具有对多目标识别追踪能力。其缺点在于计算复杂度高，实时性差且易受环境影响。
3.1.2 基于硬件设备的跟踪注册技术
该类技术通过各类传感器、GPS设备、摄像机等硬件实时捕捉观察者的位置、视场等信息，计算出虚拟空间坐标系与真实空间坐标系的转换关系。其优点在于定位速度快，测量范围大，实时性好；缺点在于需要额外的外部设备，精度受外部设备影响较大。
3.1.3 混合跟踪注册技术
基于计算机视觉的跟踪注册技术与基于硬件设备的跟踪注册技术各有优劣，在目前来看，单一的跟踪技术很难较好地解决增强现实应用系统的跟踪注册问题。因此，在条件允许的情况下，可以将这两种跟踪注册技术相结合，充分利用两种技术各自的优势，以提高跟踪注册的实时性、精度、鲁棒性，从而提高增强现实应用的稳定性与环境适应性。混合跟踪注册技术亦是目前国内外各大高校、研究所等研究重点。
3.2 显示技术
增强现实系统中另一关键技术为显示技术，显示技术决定了用户使用增强现实应用时的沉浸感、体验感等因素。目前，增强现实系统实现虚实融合显示的主要设备一般分为：头戴显示式、手持显示式以及投影显示式等。
3.2.1 头戴显示式
头戴式显示器被广泛运用于增强现实领域，是一种注重增强用户的视觉沉浸感的显示设备。该类显示器主要分为两种，基于摄像机原理的视频透视式头戴显示器和基于光学原理的光学透视式头戴显示器。视频透视式头戴显示器主要通过显示器上一定数目的相机获取实时图像，而后进行图像处理，将虚拟信息与真实世界融合后的场景显示在显示器上，例如微软公司发布的HoloLens增强现实眼镜和Meta公司推出的Meta2增强现实眼镜。光学透视式头戴显示器主要利用光的反射原理，在用户眼前放置一块半透明的光学组合器，从而将虚拟信息与真实世界融合，呈现给用户，例如谷歌公司先前推出的Google Class。
3.2.2 手持显示式
手持显示式器一般多指手机、PDA、平板电脑等移动终端设备的显示器，他们具有较高的便携性的优点，可以随时随地使用，而且手持式显示设备具有可触控的特点，便于进行人机交互的设计。
3.2.3 投影显示式
投影式显示器是将生成的虚拟对象信息直接投影到需要融合的真实场景中的一种增强现实显示技术。和平面显示设备把图像生成在固定的设备表面不同的是，投影式显示能够将图像投影到大范围场景中，但其缺点在于设备体积庞大、焦点不能随用户视角移动而改变、受光照等环境因素限制。
3.3 人机交互技术
随着计算机和移动设备等逐步智能化，人机交互技术越发重要。而在增强现实系统中，人机交互的方式尤为重要。从传统的鼠标键盘交互方式到语音、手势交互方式等新型交互方式，人机交互技术的发展将会给增强现实系统带来无限可能。
3.3.1 基于传统的硬件设备
鼠标、键盘、触控等是增强现实系统中常见的交互工具，这些基于传统硬件设备的交互方式，并不能为用户提供良好的交互体验，用户沉浸感较差，其优势在于设备成本低廉、交互方式简单。
3.3.2 语音、手势交互等新型交互技术
近年来，人机交互领域出现了基于语音及基于手势等多种新型交互方式，在这类交互技术中，计算机及移动设备等捕捉用户的语音、手势、动作等作为输入，较之传统交互方式更为直观、自然。他们能够以更准确的方式让使用者在真实世界中实现与虚拟信息的互动，是更自然的虚实融合的人机交互方式，更适合应用于增强现实系统中。
4 增强现实开发工具
为了推进增强现实技术在各个领域的广泛应用，研究者除了对于增强现实系统核心技术进行研究外，同样应该致力于建设增强现实系统框架的开发与运行环境，以便增强现实应用的开发。因此增强现实系统的框架也是各个高校、研究所及企业等研究的重点。目前，国内外均有成熟的增强现实系统框架，用以支持增强现实应用的快速开发。国外较为知名的有Vuforia、Metaio等，国内为EasyAR、HiAR及太虚AR等。
4.1 Vuforia
Vuforia是由高通公司提供的增强现实开发包，致力于实现高端和完美的AR体验，后被PTC公司收购。其最新推出的Vuforia6，提供IOS、Android、Windows等多平臺SDK，支持Unity3D引擎，亦提供云识别等云服务，使可以用户轻松开发各种平台的增强现实应用，连续4年被增强现实世界博览会评为最佳工具。
4.2 Metaio与ARKit
Metaio2003年成立于德国慕尼黑，一直专注于增强现实与计算机视觉解决方案，而其包括MetaioCreator、MetaioSDK、MetaioCloud等多项增强现实技术吸引众多独立开发者和企业，其多项技术已经被应用于各行各业，2015年，Metaio被苹果公司收购，2017年，苹果推出自己的增强现实开发包ARKit，迅速吸引了广大开发者，将优秀的AR 体验带给无数的消费级设备。
4.3 EasyAR
EasyAR为中国视辰信息科技有限公司所开发的国内首个投入应用的增强现实引擎，目前提供IOS、Android、Windows、MacOS等多平台SDK，兼容性较高，且提供SLAM技术、3D物体跟踪、平面物品跟踪、云识别等多项服务，深受国内AR开发者喜爱。
4.4 其他开发工具
除了上述介绍的Vuforia、EasyAR等增强现实开发SDK，国内外还有许多个人及企业开发的增强现实开发包，如ARToolKit、ARLab等。
5 增强现实应用领域
近年来，随着计算机及移动设备等各项性能不断提升，随着增强现实系统的各项核心技术的不断优化，增强现实技术逐渐成功应用于各个领域。
在医疗领域，增强现实技术应用于手术与培训中，在患者进行手术时，医生可以看到病人身上实时MRI和CT图像，提升手术成功率，降低手术风险；在医疗教育中，增强现实技术可应用于手术模拟、人体器官学习等，提升教学效果。在军事领域，军队可以利用增强现实技术，实时获取周边物体信息、兵力部署信息、实时方位等重要信息，提升军事活动的成功率。在游戏领域，谷歌公司发布的Ingress及任天堂公司开发的Pokemon Go，以其巧妙的构思，将增强现实技术应用于游戏领域，通过GPS等位置传感器获取玩家地点，从而提升游戏趣味性与真实性，取得了巨大的成功。
增强现实技术的发展与应用是科技发展的必然趋势，已逐步从研究领域走向应用领域。目前的研究必将推动增强现实技术的进一步发展，随着设备性能的提升与核心技术的优化，在不久的将来，定会有大量优秀的AR应用涌现，改善人们的生活品质，为生活带来无限可能。
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