增强现实体验

增强现实体验（精选八篇）

增强现实体验 篇1

关键词：增强现实,虚拟现实,呈现技术,标准

1 引言

增强现实技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的一种新兴计算机应用和人机交互技术, 目前相关应用在国内外市场上正蓬勃发展, 标准化工作也正在开展。增强现实及其相关领域概念的内涵和外延具有相关性和相似性, 易引起混淆和疑问, 本文重点阐述增强现实和相关概念的含义及其区别和联系, 并对两个领域的相关标准化进行了归纳总结。

2 基本概念

(1) 虚拟现实

虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR) 是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟, 让使用者如同身临其境一般, 可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

概括地说, 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式, 与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比, 虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实是一项综合集成技术, 涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域, 用计算机生成逼真的三维视、听、嗅等感觉, 使人作为参与者通过适当装置自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时, 电脑可以立即进行复杂运算, 将精确的3D世界影像传回产生临场感。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境, 它可以是实际上可实现的, 也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此, 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境, 人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中, 并操作、控制环境, 实现特殊的目的, 即人是这种环境的主宰。图1为虚拟现实的应用, 使用者通过头盔及操作器可以浸没在计算机仿真出来的虚拟环境来操作飞机飞行, 飞机机舱及操作者都是计算机虚拟出来的。

(2) 增强现实

增强现实 (Augment Reality, 简称AR) , 是在虚拟现实 (VR) 技术基础上发展起来的一种综合了计算机视觉、图形学、图像处理、多传感器技术、显示技术的新兴计算机应用和人机交互技术。增强现实技术利用计算机产生的虚拟信息对用户所观察的真实环境进行融合, 真实环境和虚拟物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在, 拓展和增强用户对周围世界的感知。增强现实提供了在一般情况下不同于人类可以感知的信息, 不仅展现了真实世界的信息, 而且将虚拟的信息同时显示出来, 两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中, 用户利用头盔显示器, 把真实世界与电脑图形多重合成在一起, 便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术并不是一项独立技术, 它与现实生活中各类信息结合紧密, 可以实现信息快速发掘、特殊场景展示、广泛分享等各种应用, 美国《时代》杂志在2010年将移动增强现实技术及应用列为引领未来的十大科技趋势之一。图2为增强现实在军事训练中的应用, 使用者在真实的机舱环境下操作, 可以看到机舱内部各部件及自身的真实情况, 也能看到计算机模拟出来的飞行环境, 从图1和图2两个图的对比可以清晰地看出虚拟现实和增强现实技术的不同点。

3 区别和联系

增强现实和虚拟现实的联系非常紧密, 增强现实是由虚拟现实发展起来的, 两种技术可以说同根同源, 均涵盖了计算机视觉、图形学、图像处理、多传感器技术、显示技术、人机交互技术等领域, 二者有很多相似点和相关性:首先, 都需要计算机生成相应的虚拟信息;其次, 都需要使用者使用头盔或类似显示设备, 这样才能将计算机产生的虚拟信息呈现在使用者眼前;再次, 使用者都需要通过相应设备与计算机产生的虚拟信息进行实时互动交互。

但增强现实与虚拟现实的区别也显而易见, 具体而言, 增强现实与虚拟现实技术的差异主要体现在以下四个方面。

(1) 增强现实与虚拟现实最显著的差别在于两者对于浸没感的要求不同。

虚拟现实系统强调用户在虚拟环境中视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没, 强调将用户的感官与现实世界绝缘而沉浸在一个完全由计算机所控制的信息空间之中, 这通常需要借助能够将用户视觉与现实环境隔离的显示设备, 一般采用浸没式头盔显示器, 如图3所示, 用户完全无法看到外部的现实环境。而与之相反, 增强现实系统不仅不隔离周围的现实环境, 而且强调用户在现实世界的存在性并努力维持其感官效果的不变性, 增强现实系统致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体, 从而增强用户对真实环境的理解, 这就需要借助能够将虚拟环境与真实环境融合的显示设备, 如可采用透视式头盔显示器, 如图4所示, 使用者可以清楚的看到外部的真实环境。图5为更为轻便灵巧的眼睛式显示器。

(2) 增强现实和虚拟现实关于“注册 (Registration) ”的涵义和精度要求不同。

在浸没式虚拟现实系统中, “注册”是指呈现给用户的虚拟环境与用户的各种感官匹配, 例如当用户用手推开一扇虚拟的门, 用户所看到的场景就应该同步地更新为屋子里面的场景, 一条虚拟小狗向用户跑过来, 用户听到的狗吠声就应该是由远及近的变化, 这种注册误差是视觉系统与其它感官系统以及本体感觉之间的冲突。而心理学研究表明, 往往是视觉占了其他感觉的上风。而在增强现实系统中, “注册”主要是指将计算机产生的虚拟物体与用户周围的真实环境全方位对准, 而且要求用户在真实环境的运动过程中维持正确的对准关系。较大的注册误差不仅不能使用户从感官上相信虚拟物体在真实环境中的存在性及其一体性, 甚至会改变用户对其周围环境的感觉, 改变用户在真实环境中动作的协调性, 严重的注册误差甚至会导致完全错误的行为。

(3) 增强现实可以缓解虚拟现实建立逼真虚拟环境时对系统计算能力的苛刻要求

一般来说即使要求虚拟现实系统精确再现我们周围的简单环境也需要付出巨大的代价, 而其结果在当前技术条件下也未必理想, 其逼真程度总是与人的感官能力不相匹配。而增强现实技术则是在充分利用周围业已存在的大量信息的基础上加以扩充, 这就大大降低了对计算机图形能力的要求。

(4) 增强现实与虚拟现实应用领域的侧重不同

虚拟现实系统强调用户在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没, 对于人的感官来说, 它是真实存在的, 而对于所构造的物体来说, 它又是不存在的。因此, 利用这一技术能模仿许多高成本的、危险的真实环境。因而其主要应用在虚拟教育、数据和模型的可视化、军事仿真训练、工程设计、城市规划、娱乐和艺术等方面。而增强现实系统并非以虚拟世界代替真实世界, 而是利用附加信息去增强使用者对真实世界的感官认识。因而其应用侧重于辅助教学与培训、医疗研究与解剖训练、军事侦察及作战指挥、精密仪器制造和维修、远程机器人控制、娱乐等领域。随着i OS、Android等智能终端平台相继推出, 移动互联网技术的成熟与发展, 一大批以移动终端定位与状态感知、多媒体信息处理与展现 (3D) 技术为基础的增强现实应用开始涌现, 充分利用移动互联网资源优势对用户所观察的物理世界进行信息拓展、体验增强, 这引起产业各方的极大关注, 目前正从实验室走向市场。

图6是虚拟现实应用领域之一的虚拟教育示意。学生可以通过虚拟的人体, 形象化地理解生理学和解剖学的基本理论。加州大学的H.Hoffman博士研制的系统可以带领学生进入虚拟人体的胃脏, 检查胃溃疡并可以“抓取”它进行组织切片检查。图7为增强现实领域的辅助教学与培训。医生不仅能够手持手术探针实时的对病人进行胸部活组织切片检查, 而且系统可根据此时获得的切片组织情况决定手术探针的位置, 指导医生完成病人的手术。由图8的对比我们可以看到, 增强现实系统中由于真实环境的存在, 不仅能够使用户对融合环境的感知更具真实感, 同时能够增强用户对虚拟环境的感知。

4 标准对比分析

(1) 增强现实领域

无论国际还是国内, 增强现实领域的标准化工作都处于起步阶段。ISO/IEC JTC1 SC24/WG9 (计算机图形、图像处理及环境数据表示分技术委员会/增强现实统一体工作组) 于2011年8月正式成立, 目前主要关注增强现实信息采集、标志、图形校准和后台数据支持层面, 同时关注以不同应用环境下、不同物体形态的增强现实目标特征提取及匹配和图像扫描、匹配、定位等各个执行环节中需要的标准化问题为目的的工作项目, 进而帮助产业解决包括3D、图像、视频、超文本文件虚拟场景和现实场景的无缝融合问题。2012年11月5日, 工作组完成3个新工作立项投票工作, 其中包括ISO/IEC JTC 1/SC 24N 3411增强现实连续统一体参考模型、ISO/IEC JTC 1/SC 24N 3414用于真实特征表示的ARC参考模块以及ISO/IEC JTC 1/SC 24N 3415用于物理传感器的ARC参考模块。目前, 针对这3个工作项, 每个月都会在工作组内部召开电话会议进行研究讨论。

在我国随着增强现实的应用领域不断扩大, 制定增强现实系列国家标准迫在眉睫。目前《信息技术增强现实第1部分:术语》已经申报国标立项, 该标准定义了增强现实的各种概念的术语和定义, 为研究和制定增强现实其他相关标准打下基础。

(2) 虚拟现实领域

虚拟现实领域的国际标准主要包括虚拟现实建模语言 (VRML) 系列标准 (ISO/IEC 14772《信息技术计算机图形与图像处理虚拟现实建模语言》) 和可扩展三维图形 (X3D) 系列标准 (ISO/IEC 19775《信息技术计算机图形与图像处理扩充3D (X3D) 》、ISO/IEC 19776《信息技术计算机图形、图像处理和环境数据表示扩充3D (X3D) 》、SO/IEC 19777《信息技术计算机图形、图像处理和环境数据表示扩充3D (X3D) 语言联编》) 。VRML标准是一个表示三维 (3D) 交互式矢量图形的标准文件格式, 目前已被X3D系列国际标准所取代。X3D系列标准是基于XML的表示三维计算机图形文件格式的标准, 由Web3D联盟开发, 是虚拟现实建模语言 (VRML) 的继承者。X3D的特征包括对VRML的扩展 (如人形动画、NURBS、Geo VRML等) , 以及使用XML语法及VRML97开放Inventor-like语法、二进制格式, 以及增强了应用程序编程接口 (API) 对场景进行编码的能力。

在我国虚拟现实领域, 国家标准以采标为主, 其中:

2012年6月正式发布了GB/T 28170.1-2011《信息技术计算机图形和图像处理可扩展三维组件 (X3D) 第1部分:体系结构和基础部件》IDT ISO/IEC 10775-1:2004。

2012年10月, 申报《信息技术计算机图形和图像处理可扩展三维图形 (X3D) 第2部分:场景访问接口》国标立项, 目前等待国家标准化管理委员会的批复。

(3) 比较分析

从两个领域的标准情况可以看出, 在增强现实领域国际上是试图从宏观上对增强现实技术进行模块化处理, 找到增强现实的参考模型, 并对其相应模块做出定义, 还尚未涉及制定具体标准;而虚拟现实技术发展相对较早, 主要是针对建模语言、3D图形文件格式等具体项进行标准化。

由于增强现实是新兴领域, 我国与国际标准化进程基本保持同步, 我们的发展思路是在积极参与国际标准化工作的同时, 加大增强现实国家标准的自主研制工作, 可以适时提出国际标准提案转化成为国际标准;而虚拟现实领域标准较为成熟, 国际上应用也较广泛, 所以目前主要以采标为主, 满足国内行业要求。

5 结语

增强现实体验 篇2

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增强现实体验 篇3

增强现实初体验

It started as an April Fool’s joke. Google released a funny video that mashed up3） Google Maps and Pokémon4）. The video， released on April 1， 2014， went viral， drawing more than eighteen million views in all. “We thought， ‘Why not try and make it real？’” John Hanke said. Hanke is the C.E.O. of Niantic， which was then a project inside Google， developing mobile games using augmented and mixed-media5） reality.

Two years later， Hanke and his team have turned that joke into a reality. On July 6th， Niantic， which had since spun off6） from Google to become an independent company， released Pokémon Go—a game that encourages you to get out in the real world and use your mobile phone to catch Pokémon. Within two days of its release， Pokémon Go had been installed on 5.16 per cent of Android phones in the United States. In less than a week it has become the most downloaded app of the moment in Apple’s App Store and has started sucking7） time from our days—forty-three minutes on average， according to SimilarWeb8）， more than Snapchat and Facebook. It has taken over Twitter， caused roving9） bands of nostalgic obsessives to convene on10） public spaces， and created discontent in relationships. To say it has spread like wildfire is to exaggerate the power of wildfires.

For a moment， however， put aside the sudden revival of our interest in Pokémon and consider what this spurt11） tells us about the future of software and the nature of reality—and how they integrate into what we think of as entertainment.

Augmented reality is the “boy who cried wolf” of the post-Internet world—it’s long been promised but has rarely been delivered in a satisfying way. Augmented reality refers to a view of the real-world environment whose elements are overlaid （or augmented） with computer-generated images and sound. （It differs from virtual reality， where the real world is replaced by complete immersion in a computer-generated space.） I first fell in love with the idea of mixed-reality games in 2011， when I tried a beta version12） of the game Shadow Cities， developed by Grey Area， a company based in Helsinki. It used locations and people from your real life， and put them in a game-like environment placed over real maps. What got me was how the game turned my real life into an alternative universe， and turned the familiar into part of a fantasy. The game involved walking， which was an added bonus for someone who has struggled with his weight.

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I was hooked， and since then have been paying close attention to augmented-reality applications. None of them have gone mainstream， even those developed by IKEA and Lego13） using augmented-reality technology from Metaio， a company that was later acquired by Apple. Over the past few years， I have seen many examples of companies that combine augmented reality， advertising， and sports， but most failed to impress me， because I couldn’t figure out what they were doing for me. They didn’t make me more productive， like Slack14） or Quip15）， and they didn’t provide fun， like Facebook or Clash of Clans16）.

In 2012， Niantic created an augmented-reality game for Android called Ingress. It became a cult hit， and was released on the iOS platform in 2014. Niantic was looking for its next game when the April Fools’ Day joke became a viral smash17）. It was a sign of what people wanted. “We pitched18） that to the Pokémon Company， and what we found was that they were thinking along the same lines，” Hanke said.

Pokémon Go， which involves trying to “catch” Pikachu or Squirtle or other creatures with your smartphone， is an inherently social experience. You need to be walking around—on the streets， in public places—to catch the Pokémon. Open the app and， pretty much wherever you are， you could be alerted that there is a Pokémon in the vicinity19）. The other day， I had some time to spare at the San Francisco airport， so I started looking. An animated version of Google Maps popped up on my screen， along with indications that there might be Pokémon around. The more you move around， the more creatures you find. I found only one， but I got a good workout. More important， the game made me happy; it had served a real function.

Hanke has long been interested in mapping and the interplay of our physical and digital worlds. He was the founder of Keyhole， a startup that was acquired by Google and renamed Google Earth. During our conversation， he pointed out that Google Earth was made possible by a convergence20） of digital photography， broadband networks， mapping， and the small near-Earth satellites that emerged around that time. Augmented reality， he said， is on a similar track—powerful smartphones， faster and more robust networks， a new generation of computer infrastructure， and data collection are all converging.

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For those who have been believers in augmented reality， these are exciting times. Riku Suomela joined Nokia Research in 1999 and started playing around with head-mounted displays21） to experiment with augmented reality. It was clear to Suomela that it would be a while before the technology went mainstream. “I have been thinking Pokémon Go could be the product that creates the market for augmented- and mixed-reality gaming， and I am optimistic this is happening now，” Suomela—who has since started a new company， Lume Games， which competes with Niantic—said. Ville Vesterinen， the co-founder of Grey Area， said in an e-mail that “now is an ideal time” for work on “location-based games （you can call them AR if you like）.” He pointed out that the number of people with mobile devices has grown considerably since his company released Shadow Cities.

For the past few days， I have been playing Pokémon Go and thinking about what it means. This weekend I went to the recently opened San Francisco Museum of Modern Art and wanted to know everything about the art and various installations， beyond what was posted on the walls. I felt as if I should be able to lift my phone and get more details on the process of the creation of the art work， rather than having to type a search term into my browser. Pokémon Go had changed my expectations on how to access information. That shift in expectation， perhaps， is the game’s true importance.

I keep going back to Rainbows End22）， a book by the science-fiction writer Vernor Vinge23）. The book， published in 2006， is about a character recovering from Alzheimer’s disease and learning to deal with the world around him， but what stands out is the world Vinge created. In his fictional world， computing has become miniaturized24） to such an extent that it’s almost invisible， woven into bodies and clothing. People interact with computers via myriad gestures. Augmented-reality interfaces replace screens as we know them， making it simple to get access to schematics for an elevator， patient records， or a drawing to fix a car.

Rainbows End was set in San Diego of 2025. That might seem too soon， but the future often arrives suddenly. And disruption often starts as a joke.

起初，这只是个愚人节的玩笑。谷歌当时发布了一段有趣的视频，里面融合了谷歌地图和《精灵宝可梦》的元素。这段于2014年4月1日发布的视频犹如病毒一样传播开来，总共获得了1800多万次的点击量。“于是我们就想，为什么不试着将其变为现实呢？”约翰·汉克说。汉克是Niantic公司的首席执行官。当时Niantic还是谷歌内部的一个项目，负责开发一些利用增强现实技术和混合媒介现实技术的手机游戏。

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两年后，汉克和他的团队将这个玩笑变成了现实。7月6日，Niantic公司发布了Pokémon Go，一款鼓励玩家走进现实世界并用手机捕捉小精灵的游戏。此时的Niantic公司已经脱离谷歌，成为一家独立的公司。Pokémon Go发布的两天内，其在美国安卓手机上的安装率就达到了5.16%。不到一周，该游戏就成为时下苹果应用商店里下载量最高的应用，并开始消耗我们的时光——根据SimilarWeb的数据，人们平均每天会花43分钟的时间在这款游戏上，超过了在Snapchat和Facebook上花的时间。该游戏已经取代Twitter，使得大批四处游荡的怀旧游戏迷们纷纷聚集到公共场所，还搞得情侣关系不和。如果说这款游戏如野火般蔓延，那是夸大了野火的威力。

不过，暂且抛开我们突然对小精灵恢复兴趣这件事吧。我们还是思考一下这款手机游戏的突然大热告诉了我们哪些有关软件未来和现实本质的事，以及它们又是如何融入我们所说的娱乐中去的。

增强现实技术是后互联网时代“呼喊‘狼来了’的少年”——一直以来，该技术都被认为前景不错，但却极少有令人满意的成果出现。增强现实是指在真实世界环境中的元素上叠加（或者增加）由计算机生成的图像和声音。（增强现实不同于虚拟现实，在虚拟现实中，真实的世界会被取代，用户完全浸没在由计算机生成的空间里。）我最初迷上混合现实游戏是在2011年，当时我试玩了《镜像城市》游戏的测试版。这款游戏由位于赫尔辛基的Grey Area公司开发，会利用玩家在真实生活中的地点和人物，将玩家置于如游戏般的环境中，游戏环境则叠加在真实的地图之上。这款游戏让我着迷，因为它把我的真实生活变成了一个完全不同的世界，把我熟悉的一切都变为虚幻世界的一部分。玩这款游戏需要步行，这对于正在和自身体重作斗争的人来说是个额外的福利。

我为之痴迷，从此便一直密切关注着增强现实类的应用。这些应用中没有一个进入主流视野，即便是宜家和乐高研发的应用也是如此。这两家公司使用的是德国Metaio公司研发的增强现实技术，该公司后来被苹果公司收购。过去几年间，我见过许多公司融合了增强现实技术、广告和运动的案例，但大多很难打动我，因为我压根儿没搞明白它们在为我做什么。它们既不像Slack或Quip那样使我的工作更富有成效，也不像Facebook或《部落冲突》那样能给我带来快乐。

2012年，Niantic公司为安卓系统设计了一款名为《虚拟入口》的增强现实游戏。该游戏风靡一时，十分热门，并于2014年在iOS平台上发布。当那个愚人节玩笑如病毒般疯狂传播时，Niantic公司正在寻找下一个游戏点子。而那段视频预示了人们想玩什么样的游戏。“我们将这个点子竭力推荐给Pokémon公司，结果发现他们的想法和我们一样。”汉克说。

Pokémon Go需要玩家设法用智能手机“捕捉”皮卡丘、杰尼龟或其他生物，这本身就是一种社交体验。你需要一直来回走动——到大街上、到公共场所去捕捉小精灵。基本上不论你在哪儿，只要打开游戏应用，你就有可能收到附近有小精灵出没的提醒。几天前，我在旧金山机场有些闲散的时光可供消磨，于是我开始找小精灵。一幅动漫版的谷歌地图赫然出现在我的手机屏幕上，上面附带文字指示，表明附近可能会有小精灵。你四处走动得越多，能发现的生物也就越多。虽然我只发现了一只小精灵，但我却得到了不错的锻炼。更重要的是，这款游戏让我感到快乐，它发挥了实实在在的作用。

一直以来，汉克都对地图绘制以及我们的实体世界与数字世界间的相互影响感兴趣。他是Keyhole公司的创立者，这家创业公司后来被谷歌收购，并更名为谷歌地球。在我们的交谈中，汉克指出，谷歌地球之所以能成为可能，是因为它结合了当时刚刚出现的数码摄影、宽带网络、地图绘制和小型近地卫星技术。他说，增强现实也是沿着相似的路线发展起来的——该技术结合了功能强大的智能手机、更加快捷稳定的网络、新一代计算机基础架构以及数据收集功能。

对于那些坚信增强现实技术能够成功的人而言，这些都是激动人心的时刻。里库·索梅拉于1999年加入诺基亚研究中心，开始捣鼓头戴式显示器，进行增强现实技术的实验。索梅拉清楚地知道，这项技术还要过一段时间才会成为主流。“我一直认为Pokémon Go能够成为一款为增强现实和混合现实游戏创造市场的产品，而这一切正在发生，对此我很看好。”索梅拉说道。索梅拉已经创建了一家名为Lume Games的新公司，该公司是Niantic公司的竞争对手。Grey Area公司的共同创始人维勒·韦斯特瑞南在一封电邮中表示，对于开发“基于地理定位的游戏（如果你愿意，也可以称之为AR），现在就是一个理想的时机”。他还指出，自他的公司发布《镜像城市》以来，拥有移动设备的人数一直在大幅增长。

在过去的几天里，我一直边玩Pokémon Go，边思考这款游戏的意义。这周末，我去了最近开放的旧金山现代艺术博物馆，希望能了解现代艺术和各种不同装置艺术品的方方面面，而不仅仅是那些挂在墙上的作品。我觉得我似乎可以举着手机，然后就能了解到某件艺术作品创造过程中的更多细节，而无需再往浏览器里键入关键词进行搜索。Pokémon Go已经改变了我对获取信息方式的期待。这种期待的转变或许正是这款游戏真正的重要性所在。

我最近总是重读《彩虹尽头》这部由科幻作家弗诺·文奇创作的小说。这本书于2006年出版，讲述了一个得了阿尔兹海默症的角色在康复后学习如何应对周遭世界的故事，但书中最让人印象深刻的是文奇创造出的那个世界。在他的虚构世界里，计算设备变得小到几乎看不见，并被植入到人体内，或被嵌入衣服里。人们通过五花八门的手势与计算机互动。增强现实界面替代了我们所知的显示屏，使得访问电梯图纸、病人病历或是绘制汽车维修图变得轻而易举。

《彩虹尽头》的故事设定在2025年的圣迭戈。这个时间也许看起来离我们很近，但未来常常来得猝不及防。而技术的突破往往从一个玩笑开始。

增强现实技术及其军事应用 篇4

关键词：计算机应用,增强现实,虚拟现实,三维注册

1 什么是增强现实

增强现实技术是近年来在虚拟现实技术的基础上发展起来的一个新兴的研究方向。增强现实 (augmented reality, 简称AR) 是把计算机生成的虚拟物体或其他信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术, 具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点[1、3]。Azuma是这样定义增强现实的:“虚实结合, 实时交互, 三维注册增强现实系统, 是利用附加的图形或文字信息, 对周围真实世界的场景动态进行增强”[2]。

2 增强现实与虚拟现实的关系

与虚拟现实相比, 增强现实是把计算机带入到用户的“世界”中, 而不是把用户沉浸到计算机的世界中。增强现实是将计算机生成的虚拟物体叠加到现实景物上, 并且使用者可以通过各种方式来与虚拟物体进行交互。

在增强现实的环境中, 使用者可以在看到周围真实环境的同时, 看到计算机产生的增强信息。这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体, 也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。由于增强现实在虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起了一座桥梁, 因此, 增强现实的应用潜力是相当巨大的, 它可以广泛应用于军事、医学、制造与维修、娱乐等领域[3]。

增强现实技术是随着虚拟现实技术的发展而产生的, 其基本软硬件构成与虚拟现实十分相似, 因此, 两者间存在着不可分割的密切关系, 但也有着显著的差别[4]:1) 增强现实与虚拟现实的浸没感要求不同。虚拟现实系统强调用户完全沉浸在一个由计算机所控制的信息空间之中, 而增强现实系统致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体, 增强用户对真实环境的理解;2) 增强现实与虚拟现实的注册涵义和精度要求不同。在虚拟现实系统中, 注册是指呈现给用户的虚拟环境与用户的各种感官匹配, 而在增强现实系统中, 注册主要是指将计算机产生的虚拟物体与用户周围的真实环境全方位对准;3) 增强现实可缓解虚拟现实建立逼真虚拟环境时对系统计算能力的苛刻要求, 在一定程度上可以解决人与环境的自然交互的矛盾;4) 增强现实与虚拟现实技术的应用领域侧重不同。虚拟现实主要应用在军事仿真、工程设计等方面。而增强现实系统应用侧重于辅助教学与培训、军事侦察及作战指挥、远程机器人控制等领域。由此可以看到, 增强现实系统能够增强用户对融合环境的感知, 因而在某些应用领域增强现实相比虚拟现实技术具有明显的感知优势。

3 增强现实技术的军事应用

增强现实因为具有真实世界和虚拟世界的融合性及实时交互的特点, 使得其在未来陆、海、空、天多维一体的数字化战场上大有用武之地。20世纪90年代初期, 增强现实这个名词曾提出[5], 美国就率先将其用于军事领域。近几年增强现实已进入了军事领域的多个方面, 并开始发挥其巨大作用。各国也都将增强现实在军事领域的应用列为高度军事机密。目前, 增强现实在军事领域的应用主要集中在增强战场环境、军事训练及作战指挥等方面。

3.1 增强战场环境

部队可以利用增强现实来增强战场环境信息, 在真实环境中融合虚拟物体, 可以增强真实的战场场景。向系统中输入部队的位置信息, 系统不仅能向部队显示真实的战场场景, 而且能够通过增加虚拟物体强调肉眼无法看见的环境信息以及敌方或己方的隐藏力量来增强真实战场场景的显示, 真正实现各种战场信息的可视化。显示器在观察战场实际景物的同时, 看到叠加在其上的各种信息。图1为用户通过该系统所看到的大楼三维战术提示信息。美国军方正在利用增强现实技术研制未来战争中的理想士兵系统, 使其能够迅速、智能化地获取多种战场信息。

3.2 军事训练

增强现实可以为部队的训练提供新方法, 通过增强的军事训练系统, 可以为军事训练提供比实兵演习更加真实的战场环境。士兵训练时通过随身携带的增强现实系统, 不仅可以看到真实的场景, 而且可以观察到场景中各种增加的虚拟物体, 将军事训练推向更加实战化[6]。如图2所示。

3.3 作战指挥

战场指挥员如何及时掌握瞬息万变的战场情况, 一直是作战指挥中的一大难题。将增强现实应用于作战指挥系统中, 可以允许各级指挥员同时观看、讨论战场以及与虚拟场景交互, 实现整个战场信息的高度共享, 这将更有利于各级指挥员快速、正确理解上级意图。通过增强作战指挥系统, 指挥员能实时掌握各个作战单元情况, 有利于指挥员及时做出正确的作战决策。例如, 美国NRL海军研究试验室开发的战场用增强现实系统 (BARS) , 它为城市战场环境中的各级指挥官和士兵之间传达三维战术信息提供了一个实用平台[7]。如图3所示。

4 总结

20世纪90年代以来, 信息化武器装备已经成为提高现代军队作战能力的关键。增强现实技术就是对人类信息功能 (感觉器官获取信息、神经器官传递信息、大脑处理信息等) 的全面拓展, 从大型机械设备维护到成像系统, 乃至城市交通辅助和军事侦察应用, 增强现实系统都能大显神通。良好的人机交互性, 符合人的自然行为规范, 在正确的时间和正确的地点, 获得正好需要的信息, 这就是增强现实系统的优点所在。因此, 把握时机, 加快这一信息时代新技术的应用步伐, 对提高我军信息化水平具有重大意义[8]。

参考文献

[1]增强现实技术的军事应用与前景展望[J].兵工学报, 2006, 11 (2) :40-41.

[2]Azuma R.Survey of augmented reality[J].Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6 (4) :355-385.

[3]齐越, 马红妹.增强现实:特点、关键技术和应用[J].小型微型计算机系统, 2004, 25 (5) :900-903.

[4]陈靖.视频增强现实系统及其三维注册技术的研究[D].北京:北京理工大学, 2002:12-13.

[5]Caudell T.AR at boing[EB/OL].1990.http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentation/HCI-hi story/tsld096.htm.

[6]程委.增强现实及其军事应用研究[J].计算机技术与发展, 2007, 12 (2) :44-45.

[7]Julier S.Information Filtering for Mobile Augmented Reality[C]//Proc.Int.l Symp.Augmented Reality 2000 (ISAR00) .Los Alamitos, Calif:IEEE CS Press, 2000.

虚拟现实技术与增强现实技术的应用 篇5

【关键词】虚拟影像；虚拟人；虚拟现实技术；动作捕捉；全息投影；增强现实技术

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.01.010

The Application of Virtual Reality Technology and Augmented Reality Technology

MA Wei

（Beijing Information Technology College， Beijing 100018， China）

【Abstract】Taking the virtual human of Teresa Deng concert and Li Gu Yi singing together ‘own’ in 30 years ago as examples， the characteristics and application of virtual reality technology， 3D front-projected holographic display， augmented reality technology was introduced， thus attempted to discover the mystery star ‘Resurrection’.

【Key Words】virtual image； virtual human； virtual reality technology； motion capture； front-projected holographic display； augmented reality technology

作为一代华人歌坛“天后”邓丽君英年仙逝，始终是“君迷们”心中挥之不去的结。2015年8月8日，上海大舞台迎来了“如果能许一个愿”邓丽君20周年虚拟人纪念演唱会。一曲经典的《甜蜜蜜》后“邓丽君”向观众致意，亦真亦幻，现场观众如痴如醉，有的“君迷”甚至掩面而泣。观众们在讶异之际，不禁要问是什么技术将邓丽君又带回到现实。

无独有偶，2014年湖南卫视的马年春晚现场，歌唱家李谷一与30年前李谷一同台演唱歌曲《乡恋》。

其实，邓丽君的“复活”所用的是虚拟影像重建技术。虚拟影像重建技术目前包括两类：一种是虚拟现实+裸眼3D全息投影技术，应用范例即邓丽君演唱会；另一种是增强现实技术，如歌唱家李谷一与30年前的自己同台演出应用案例。笔者将通过解读虚拟影像重建技术的特点、实际应用案例，为读者解开明星“复活”的神秘面纱。

1 制作邓丽君虚拟人影像的技术分析

俗语说：“画鬼容易画人难”。邓丽君作为华人歌坛现象级的歌手，其形象为广大华人社会所熟悉，要想将她“复活”，的确是一个巨大的挑战。敢于接受这一挑战的是世界知名特效公司数字王国。

利用虚拟影像重建技术实现明星“复活”，需要经历如图1所示的几个技术阶段。

1.1 素材采集

邓丽君在世时留下了数以千计的影像资料，数字王国特效团队从众多的素材中提取有价值的信息。虽然这项工程得到了邓丽君兄长邓长富的大力支持，但是特效团队长期服务于西方文化，在该项目中面临的最大困难是对东方文化的理解，尤其是对“婉约”认知的不足与偏差。邓丽君独有的“婉约”美，是她广受华人社会欢迎的重要原因之一。特效开发团队为此找到了本土设计师罗婷负责从整体上对虚拟邓丽君进行设计把控，因她与邓丽君生前有过接触。她认为，20世纪80年代的歌手打扮都比较传统，但如果全部照搬，那么出来的效果可能会让观众不太容易接受，毕竟现在的观众都是二十岁出头的年轻人。所以形象设计上就定为：白色（或红色）旗袍、亮色淡妆，这样能够将现在时尚文化同中国传统文化结合起来。

特效团队收集到很多邓丽君的演唱细节：“她有很美的牙齿，在演唱时会常常露出来，尤其是在‘yi’这个音。特别是她唱到高音时喉咙会有颤动，嘴唇也可能会有颤动。”这些常人忽略的细节为虚拟邓丽君影像注入了生命力。图2为邓丽君真人照与虚拟出的邓丽君。

1.2 模型重建

任何人物建模最难的就是人脸与毛发。人物面部建模，数字王国有自己的优势。该特效公司拥有获得奥斯卡技术奖的面部表情捕捉系统MOVA。该系统能够捕捉正在表演的演员之高度细致、面貌一致、栩栩如生的网状结构化的面部表情，以供特效师创作具极高质素的人物动画。通过多相机（80个以上）360°全方位拍摄，如图3所示，并配合先进的照明设备，MOVA可以记录演员表演的全部细节。依据获取的大数据，软件创造出该演员面部的高清立体网状结构，重建演员包括小皱纹在内的整张脸，如图4所示，保留表演最细微的部分。特效师利用这张动画脸部，可以制作出演员在不同场景的表情。

另外，为虚拟人模拟真人头发的制作难度同样很大，仅头发的虚拟图像，特效人员就绘制了约15 000幅，并且这些头发还需要模仿人物的动态。

1.3 动作捕捉

动作捕捉（motion capture）技术就是利用计算机系统捕捉演员表演时的表情动作，然后把这些动作表情同步到计算机中的虚拟角色上，使虚拟角色的动作表情与真人无异。从电影《阿凡达》到《霍比特人》三部曲，好莱坞惊世骇俗的狂飙制作，离不开动作捕捉技术的功劳。

因为在建模阶段，人物是静态。通过动作捕捉，可以让虚拟人物动起来。这个阶段可以请歌手模仿邓丽君的动作，捕捉到身体动作（见图5）、姿态（见图6）、表情等数据，从而使虚拟人邓丽君自然逼真。

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1.4 虚拟合成

虚拟现实（virtual reality）技术是通过计算机系统生成，能够实时追踪用户多感官（视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等）信息，用户可以高度浸入这个虚拟实境进行浏览、交互与探查。该技术具有：浸入性、交互性、实时性、构想性的特点。

当完成虚拟邓丽君建模后，就需要将模型导入虚拟现实软件（unity＼VRP＼DVS3D等）进行调试、渲染、烘焙、导出。值得一提的是在调试阶段，制作团队还一点点地抠画、修改嘴型，以便让虚拟邓丽君嘴形和声音同步。在渲染阶段，头发的渲染非常不易，100次死机有60次是因为头发渲染失败。

不仅如此，即使在导出阶段，为了达到同当年的邓丽君“声情并茂、形神举止”的一致，特效人员进行了数百个版本虚拟邓丽君的修改。

1.5 全息输出

全息投影技术（front-projected holographic display） 原理是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。该技术首先是利用干涉原理记录物体光波信息，其次是利用衍射原理再现物体光波信息，如图7所示。

3D全息投影技术类似于自然界中的海市蜃楼，通过不同数量的投影机把真实影像或事先经过精心制作并具有立体效果的数字影像均匀对称地投射在成像膜上（这种成像膜是一种透明的超薄膜）。经过光的衍射和折射，再现三维影像。

在虚拟邓丽君演唱会现场，演出方要搭建一张与地面呈45°夹角的全息膜，全息膜高度透明，利用演出时的灯光照明产生的明暗，观众很难发现此膜存在。高清投影机被设置在舞台前上方，由其投射出来的三维数字影像（制作的3D虚拟邓丽君表演视频），经过折射投影到全息膜上，如图8所示。全息膜成像细腻、清晰度高，并能使影像产生极大的立体纵深感，邓丽君就会跃然于观众面前，如图9所示。

2 制作李谷一穿越对唱技术解析

李谷一作为知名歌唱家，其形象也广为人知，要完成她与30年前自己虚拟影像的对唱，现实真人与虚拟人对比强烈，同样是一项复杂的工程。承接这一项目的数虎图像公司利用增强现实技术实现真人与虚拟人物跨时空对唱，其技术特点如下。

2.1 真人3D复原

数虎制作团队收集了大量30年前李谷一的影像资料、生活照片、演出剧照等，但当时的影像都是模拟信号、成像质量差。为了获得更好的表现效果，重新为现在的李谷一拍摄了全身照作为参考。后续涉及异常繁重的团队制作与现场调试工作，需要完成包括前期资料收集、建模（见图10）、材质、数据修复等一系列工作。

在动作捕捉阶段，数虎聘请专业演员进行表演动作的捕捉，并按照舞台表演要求进行数据调试修复，见图11。为了真实还原30年前的服装，数虎公司还请李谷一拿出珍藏的当年春晚演出服装，作为布料材质模拟的参考。

舞台角度与灯光渲染是整个虚拟人像跟舞台配合最多的地方。在调试阶段，特效人员在制作软件中虚拟设置了三台与实拍一致的摄像机，以保证实际演出时不出现角度偏差，确保真人与虚拟人的相互配合。

2.2 增强现实表现

增强现实（Augmented Reality）技术就是通过将虚拟仿真系统产生的图像信息合成到真实环境中，使虚拟与现实有机融合。一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的。

2014年湖南卫视春晚李谷一与虚拟“李谷一”完成对唱，所依靠的增强现实技术工作原理如下：虚拟李谷一（30年前影像）是通过运用二维码类的标记来定位，摄像头捕捉到标记图像后由软件计算出内容来实现真人与虚拟人的互动。直播中至少运用了以下几个基本设备。

（1）标记点，用于图像识别。

（2）捕捉标记图案的摄像头，摄像头可能就在标记点的上方。

（3）计算机综合系统，主要包括四部分：摄像机运动的传感器跟踪系统；生成与摄像机运动相匹配的虚拟前景渲染系统；切换台及背景视频延时器；将前景和背景无缝合成的色键系统，如图13所示。

晚会现场摄像头拍摄现实场景，并通过计算机追踪技术捕获标记，实时记录其位置和方向，将虚拟的李谷一影像叠加到该位置，构成虚实融合的景象，从而实现了李谷一同30年前的自己穿越时空对唱《乡恋》的奇观，见图14。

3 虚拟影像技术发展的思考

虚拟影像技术的快速发展，为观众带来了影像奇观与特殊的视听享受，丰富发展了舞台演艺市场。但是，虚拟影像技术在舞台演艺领域的应用也存在一些问题，主要表现在以下三个方面。其一，技术亟需完善，3D全息成像并不能实现虚拟演员360°全方位立体逼真呈现，增强现实技术呈现的虚拟人像，现场观众裸眼无法看到。虚拟演员活动范围有限，无法同观众互动。其二，相关法律不完善，虚拟影像也涉及到肖像版权问题，相关法律目前还是空白。其三，制作成本昂贵。目前，国内掌握虚拟人技术的有数虎图像、诺华视创等企业，但制作成本较高。据介绍，虚拟邓丽君台北演唱会的制作成本就高达1 500万美元。

当然，笔者认为，一方面，随着虚拟现实技术与增强现实技术的不断融合发展，虚拟影像技术会愈加完善；另一方面，随着国民收入的增长，文化娱乐消费会逐年增长。因此，未来虚拟人演艺市场有着巨大的发展空间与商机，有志于此的创新企业可以及早谋划，拓展相关市场。

注：文中部分照片来自网站。

参考文献：

[1] 张帆. 数字时代的表演艺术[J]. 北京电影学院学报，2010（3）：85-93.

[2] 丁莉. 人造生命力：数字时代CG虚拟角色的创作[J]. 当代电影，2010（11）：114-119.

[3] 黄仲山. 反思数字虚拟角色对传统表演艺术体系的影响[J]. 四川戏剧，2012（ 6）：147-149.

[4 ]韩飞. 邓丽君与周杰伦隔空对唱———特效工程师网上撰文揭秘制作始末[N]. 扬子晚报，2013-09-10.

[5] 搜狐资讯. 湖南台春晚：数虎3D复原让李谷一遇见“李谷一”[OL].

http：//roll.sohu.com/20140124/n394145895.shtml ，2014-1-24.

作者简介：

马卫，1970年生，毕业于中国传媒大学，获硕士学位，现为北京信息职业技术学院数字媒体与艺术系副教授，主要研究领域：虚拟现实、影视制作。

增强现实技术及其应用研究 篇6

关键词：增强现实,虚拟,显示,应用

1 引言

把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等),通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验,这种技术叫做增强现实技术,简称AR技术[1]。增强现实(Augmented Reality,AR)是虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)的一个重要分支,也是近年来的研究热点。将计算机生成的虚拟物体或其他信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的“增强”。它综合了计算机图形、光电成像、融合显示、多传感器、图像处理、计算机视觉等多门学科。

2 增强现实的特点

增强现实既允许用户看到真实世界,同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象,将计算机生成的图形与用户在真实物理世界获取的视觉信息组合在一起,使用户产生全新的体验,提高对现实世界中的事物和物理现象的洞察力。增强现实系统中真实物体和虚拟物体与用户环境无缝结合,真实物体和虚拟物体之间能够进行交互,能够实现真正的虚实融合。因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互的新特点[2]。虚拟现实系统强调的是虚拟世界给人的沉浸感,强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作,增强现实系统则强调在真实场景中融入计算机生成的虚拟信息的能力,它并不隔断观察者与真实世界之间的联系。

3 增强现实关键技术

3.1 虚实物体配准

对真实场景图像和计算机生成的虚拟物体进行无缝合成是实现增强现实的首要目标,其实质是将两者“对齐”的过程,即先根据真实物体确定虚拟物体与观察者之间的关系,然后通过正确的投影将虚拟物体投影至观察者的视域范围。虚实物体配准要求正确(无延时)、快速(精确、无抖动)、不受光照、遮挡、物体运动的影响。目前,设备昂贵、对外部传感器的校准比较难,且受设备和移动空间的限制,系统安装不方便、系统安装繁琐、移植困难;计算复杂性高,造成系统延迟大,造成误差难控制等缺点[3]。

3.2 显示技术与真实感绘制技术

根据光路上成像位置的不同可以分为头戴式显示技术、手持式显示技术、空间显示技术3类[4]。头戴式显示技术中成像在离观察者眼睛大约4-10厘米处,观察者头部需要戴上显示设备,缺点是分辨率低,观察范围受限;手持式显示技术:成像于离观察者一个手臂远的距离,缺点是处理器性能低、存储容量小、观察范围小、摄像头精度不高;空间显示技术:将显示设备和人体分离,并在离人体较远处成像,支持高分辨率、宽视域、高亮型和高对比度的影像,不足之处是可移动性差、合成影像精度不够高。真实感绘制技术的目标是将真实场景和计算机生成的虚拟物体无缝合成,并最终使观察者感觉不到真实物体和虚拟物体的区别。

4 增强现实应用与展望

4.1 增强现实应用

增强现实系统由于同时包括虚拟世界和真实世界环境,从而有别于单一的虚拟环境和真实环境,目前已经广泛地应用于军事、航空航天、医学、商业等诸多领域。本文主要介绍增强现实在军事和航空航天方面的应用。

美国率先将增强现实用于军事领域,在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习3方面发挥了重大作用。他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划及虚拟座舱等应用环境,并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用。各国也都将增强现实在军事领域的应用列为高度军事机密。目前,增强现实在军事领域的应用主要集中在增强战场环境、军事训练及作战指挥等方面。在军事领域中,真实环境下融合虚拟物体,可以增强真实战场场景。向系统中输入位置信息,系统不仅能给使用者提供真实的战场场景,而且能够通过增加虚拟物体强调肉眼无法看见的环境信息以及敌方或己方的隐藏力量来增强真实战场场景,真正实现各种战场信息的可视化[5]。增强现实可以为训练者提供新方法,通过增强的军事训练系统,可以为军事训练提供比实兵演习更加真实的战场环境。训练者训练时通过随身携带的增强现实系统,不仅可以看到真实的场景,而且可以观察到场景中各种增加的虚拟物体,使军事训练更加实战化。将增强现实用于飞机座舱的显示,在座舱前方玻璃上或头盔显示器上,将导航图叠加在观察的真实视野里,不仅可提供导航信息,而且可提供包括敌方隐藏力量的增强战场信息。对于飞行训练,运用AR技术,在真实环境中融合3D虚拟物体,可以更加逼真地合成场景。在战场上,AR眼镜可以给使用者提供战场的辅助信息。除了提供基本信息外,这些图形甚至己经定位在环境中的目标之上,用于武器的瞄准。飞行训练中的模拟战场、模拟操作、模拟装配、模拟驾驶等方面都采用了增强现实技术。

美国宇航局是增强现实最早的研究单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需耗费巨资的现代化工具,而进入宇宙有大量未知、危险的因素,因而模拟各种航空器可能遇到的环境,不仅可节省大量费用,而且是十分必要的。

4.2 增强现实展望

虽然增强现实技术在近20年来取得了很大的发展,但是还是存在很多技术方面的难题。首先是定位问题,尤其式户外AR系统的定位成为决定系统成败的关键。系统的显示问题也不容忽视。现有的AR显示设备大多存在亮度和对比度低,分辨率低和视野窄等缺点。目前的大多数系统都是运用于预知的环境中,而在非预知的环境中的增强现实系统比较少。同时,如果增强现实系统运用于户外用户,必须戴上计算机、传感器、显示器、电池等许多设备,从而使得系统显得笨重。增强现实系统开发技术涉及多学科交叉,许多相关领域的成果进展都可以促进AR的研究与应用。在网络高度发展的今天,增强现实系统的网络化是一个重要的发展趋势。通过网络,可以减少一些装备,同时也可以大大提高增强现实系统的效能。将真实环境与计算机产生的增强信息通过网络互连而配准叠加,形成一种多用户资源共享。户外导航、视觉信息多样化、降低数据复杂性和多模态界面的开发仍然是当前研究的热点,声音交互(包括语音、立体声和环绕声)的研究也将是未来AR系统发展的一个重要方向。另外,系统的微型化和低能耗是一个重要的研究方向。与此同时,必须十分重视增强现实的广泛应用。增强现实还有很长的路要走,机会和挑战并存,而且增强现实和人机交互关系密切,必须重视人机交互的研究。另外,在非预知环境中增强现实系统的应用还有待加强。

5 结语

正如其他新兴科学技术一样,增强现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着计算机等技术的发展,增强现实技术应用前景是很广阔的。但仍存在着许多尚未解决的理论问题。尽管如此,增强现实技术以其独特的优势特长为一些相关领域提供了一个新的切入点。作为长远研究目标,作为技术驱动力,作为新的人机交互方式,增强现实都是值得高度重视的。

参考文献

[1]张菁,张天驰,陈怀友.虚拟现实技术及应用(高等院校信息技术规划教材).清华大学出版社,2011.

[2]陈珏.增强现实技术研究及其在Flash上的实现.电脑知识与技术,2009.

[3]苏宏,康波.混合跟踪技术在增强现实系统中的应用.计算机工程,2009.

[4]黄有群,王璐,常艳.面向设计任务的增强现实交互技术.沈阳工业大学学报,2008.

增强现实体验 篇7

1 虚拟现实和增强现实技术概述

1.1 基本概念

(1)虚拟现实

VR是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

概括地说,VR是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。VR作为一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域,用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。当使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实中的“现实”泛指在物理意义或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是可实现的,也可以是难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此,虚拟现实本质是指用计算机生成的一种特殊环境,人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,而人是这种环境的主宰。

(2)增强现实

AR是在VR技术基础上发展起来的一种综合了计算机视觉、图形学、图像处理、多传感器技术、显示技术的新兴计算机应用和人机交互技术。增强现实技术利用计算机产生的虚拟信息对用户所观察的真实环境进行融合,真实环境和虚拟物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在,拓展和增强用户对周围世界的感知。增强现实提供了在一般情况下不同于人类可以感知的信息,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。例如,在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术并不是一项独立技术,它与现实生活中各类信息结合紧密,可以实现信息快速发掘、特殊场景展示、广泛分享等各种应用,美国《时代》杂志在2010年将移动增强现实技术及应用列为引领未来的十大科技趋势之一。

(3)混合现实

混合现实(Mixed Reality,MR),包括增强现实和增强虚拟,指的是合并现实和虚拟世界而产生的可视化环境。在这个可视化环境里,物理世界真实对象和数字世界虚拟对象共存,并实时互动。如图1所示,增强现实和增强虚拟是现实和虚拟之间的一个渐变的过程。

图1 现实与虚拟的连续统一体

1.2 虚拟现实和增强现实的应用平台

借鉴国际上主流意见,虚拟现实和增强现实应用平台大致可以分为以下三类:

(1)台式机平台

台式机平台是虚拟现实和增强现实的基础应用平台,集成了动作捕捉、运动追踪、屏幕显示等技术,拥有性能稳定、数据处理能力强大、画面高清晰等优点,显示效果和佩戴体验都能达到很好的效果,但同时也有开发成本高、售价较高、不易携带移动等缺点。

(2)移动终端设备平台

当前,智能移动终端设备大量普及,其便携特性配合日益强大的运行计算能力,使增加各类场景到智能移动终端设备上成为可能。同时,i Phone及android操作系统已经引入了对虚拟现实和增强现实技术的支持,使VR/AR技术应用于移动终端设备成为可能。但是限于数据处理能力、显卡以及无线网速的限制,移动终端设备平台还需要继续发展才能满足消费者使用要求。

(3)一体式平台

一体式平台是将显示、传感、计算等系统集成在一体的平台,介于台式机和移动终端设备平台之间。相比台式机平台易于携带移动,而比移动终端设备平台的性能稳定、数据处理能力强,消费者使用效果更好。

2 虚拟现实和增强现实技术的典型应用

2.1 在智能制造领域的应用

VR/AR技术诞生于上世纪五六十年代,起源于工业领域。20世纪90年代初,波音公司在设计的一个辅助布线系统中提出了“增强现实”这个名称。在其系统中,将布线路径和文字提示信息实时地叠加在机械师的视野中,而这些信息则可以帮助机械师一步步地完成一个拆卸过程,以减少在日常工作中出错的机会,既节省空间有节省开支。

在装配或维修工作中,基于增强现实技术的应用系统会在操作人员视野的相应位置显示出有用的提示信息,告诉操作者每一步该做什么、怎么做,这会比由文字和图片组成操作手册更加直接明了,这在大型复杂设备的装配和维修中优势会更加明显。

在大型机械装备的制造或培训过程中,应用虚拟现实技术系统,可以模拟实际制造过程和制造完成的产品,从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受,还可以按照人们的意愿任意变化,大大提高了制造智能化、自动化的能力。详见图2。

图2 典型应用——智能制造

2.2 在互联网的应用

目前,增强现实技术已经在互联网营销方面得到应用。图3是一个网上在线的服装试穿应用。用户在家里使用摄像头使自己的画面呈现在显示器上,再通过互联网点击喜欢的服装就可以达到真实试穿的效果。可以看出,这项技术的应用对于消费者来说,能看到自己的试穿效果比现有网络营销中使用真人模特会受欢迎的多。

图3 典型应用——互联网试衣应用

2.3 在游戏领域的应用

在游戏的应用场景下,基于增强现实技术的游戏使用者利用设备自带的摄像头捕捉周围的实时画面,利用陀螺仪和重力感应来判断玩家的动作、方向和位置变化,玩家则需要在实景中对游戏虚拟对象进行击打或控制。基于虚拟现实技术的游戏者则沉浸在虚拟出的空间和物体间,通过手柄实现对游戏的交互和操控。详见图4。

图4 典型应用——互动游戏

2.4 在文物数字重建领域的应用

以古迹复原和数字化文化遗产保护为例,文化古迹的信息可以用增强现实的方式提供给参观者。用户不仅可以通过高清视频眼镜看到古迹的文字解说,还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。当人们在浏览、参观古迹时,通过增强现实技术可以接收到途经建筑的相关资料,以及观看展品的相关数据资料。同样,使用虚拟现实技术,可以使游客沉浸在文物实景中,如临其境的感受文物之美,并能够与文物进行交互体验。

当游客使用以“增强现实”技术为基础的导游软件时,只需用手机摄像头对准眼前古迹或废墟,手机里的全球定位系统和图像识别软件就能判断位置,从游客所在的视角在手机上显示这处古迹在全盛时期的样貌,还能展示遗址上残缺部分的虚拟重构。举例来说,当游客来到科洛西姆圆形竞技场,就能从手机里看到角斗士格斗的画面;若是在希腊帕特农神庙,则能看到雅典娜女神的形象。随着游客走动,手机上的画面还能自动变化,如同行走在过去一般。图5为采用增强现实技术的希腊帕特农神庙图。

图5 采用增强现实技术的希腊帕特农神庙图

目前,北京故宫博物院正在联合数字内容厂商对故宫内的文物进行基于虚拟现实技术的文物修复交换展示系统的建设。图6为采用虚拟现实技术的故宫养心殿前殿东暖阁。

图6 典型应用——博物馆应用

2.5 在医疗领域的应用

虚拟现实和增强现实技术作为辅助诊断、模拟治疗以及远程交互应用的工具,在医学领域得以大范围应用,并为医生模拟操刀练习,熟悉手术过程和提高手术成功率发挥着重要作用。可以说,虚拟/增强现实手术的出现,让医疗教学更简单、治病救人更科学。虚拟现实手术是利用各种医学影像数据,利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境,医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练,以及实际手术过程中引导手术的新兴手术方法。运用虚拟现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内,通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操作,体验并学习如何应付临床手术中的实际情况。这样节约了培训医务人员的费用和时间,使非熟练人员进行手术的风险性大大降低,对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有着特殊的意义。运用增强现实技术可以使医务工作者在现实中更直观的“看到”病体,对手术有很好的帮助作用。可以看出,通过虚拟/增强现实技术,可辅助医师快速做好病情诊断,及时建立手术方案,提高手术成功率。同时在虚拟或增强环境中教学或学习,真实感知操作环境和可重复练习的特点,可保障手术训练实效,提高医学协作能力。详见图7。

图7 典型应用——医疗应用

3 虚拟现实和增强现实领域标准化进展

3.1 国际标准化

虚拟现实和增强现实领域相关产品已广泛应用于工业、医疗、娱乐、文化等领域,其国际标准化需求强烈。ISO/IEC JTC1/SC24计算机图形、图像处理和环境数据表示分委会开展了相关的研究工作,并于2011年专门成立了混合和增强现实概念和参考模型工作组,其职责范围包括:确定混合和增强现实(MAR)的体系结构元素;研究MAR体系结构元素间的关系,及定义它们之间的合适接口;开发通用的参考模型,表示MAR体系结构元素及其相互关系;研究和确定一个或多个抽象层,可支持独立于多种平台类型的平台;制定支持一个或多个MAR体系结构元素的可用标准。目前,正在研究制定的标准有两项,分别为ISO/IEC 18520《混合和增强现实基于视觉的几何注册和跟踪方法基准检测》和ISO/IEC 18039《混合和增强现实参考模型》。

3.2 国内标准化

2016年1月29日,全国信标委计算机图形图像处理及环境数据表示分技术委员会(SAC/TC28/SC24)正式成立,工作范围包括以下相关领域的标准化工作:计算机图形、图像处理、虚拟现实、增强现实、环境数据表示、信息交互和表示等。目前,分委会成立三个标准工作组,包括:标准体系工作组、虚拟现实与增强现实标准工作组、场景数据表示标准工作组。

目前,虚拟现实与增强现实领域已立项1项国家标准《信息技术增强现实第1部分:术语》。正在开展的研究工作还包括:

●《信息技术虚拟现实头戴式显示设备通用规范》;

●《信息技术手势交互系统第1部分:系统性能》;

●《信息技术手势交互系统第2部分:应用程序接口》;

●《信息技术手势交互系统第3部分:试验方法》;

●《信息技术虚拟现实应用软件性能要求和测评方法》。

此外,由中国电子技术标准化研究院牵头在分委会下成立测试工作组,开展试验验证工作,具体包括对在研标准进行试验验证,以及对市面上的产品提供标准符合性测试及性能测试。

3.3 未来标准化计划

由于增强现实技术发展迅猛,在各个领域的应用前景十分广阔,国际国内的标准化需求都非常强烈。

(1)国内标准化

●图形图像分委会将带领做好标准化顶层设计,建立和完善国家虚拟现实和增强现实领域标准体系;

●加强重点领域标准制定,不断推动产业发展;

●打造标准制定、标准宣贯、试验验证、标准实施的标准生态链,切实落实标准落地;

●与地方合作,推动建立标准试验验证基地;

●加快实验室建设,尽快开展产品检测业务。

(2)国际标准化

被增强的出版业现实 篇8

对于普通消费者来说“增强现实”技术仍在起步阶段，但它的玩法已经变得很“文艺”。去年美国邮政管理局为纪念史努比诞生65周年以及《花生漫画大电影：史努比》的上映，举办了一个以《花生漫画》为主题的活动。通过一款增强现实应用程序，就能满足影迷和漫画爱好者想要与史努比拍摄合影的愿望。找到美国邮政管理局的16万个蓝色邮箱中的任意一个，激活智能手机或拥有摄像功能的平板电脑上的增强现实应用程序，就能收获一张特殊的自拍，还能把它做成纪念邮票。漫画独特的易读性和娱乐性，正逐渐转变为“增强现实”的绝佳载体。

更有意思的玩法是，将增强现实技术同画册、书本等传统行业相结合，为这些行业注入了勃勃生机。增强现实书籍的正确“打开方式”非常简单：物理的书籍作为载体，很多肉眼不可见的虚拟信息，需要通过使用手机软件、数码工具或其他设备才能得以透视。在出版界看来，这正在打破“游戏”与“书籍”的边界。

哈利·波特的作者JK·罗琳也和索尼共同推出了增强现实书籍和电子游戏。她认为“《魔法书：咒语之书》是麻瓜们所能看到的最接近真实的咒语书”。在哈利·波特世界中，《咒语之书》由米兰达·戈沙克编写，距今已有超过200年历史。这本书存放在霍格沃茨图书馆的禁书区，其中包括了“漂浮咒”、“造水咒”、“魔杖发光咒”、“生火咒”、“收缩咒”等几十种咒语。 借助PlayStation Eye摄像头，《咒语之书》可以给玩家带来增强现实的体验，让书中的事件好像就发生在他们身边，还允许玩家操练这些咒语。比如念起“除垢咒”时，“用魔杖指着海德薇的笼子，清理一新，几片羽毛和一些粪便顿时消失了。”而“硬化咒”能将一个物体变成坚固的石头。但大部分人似乎只会用这个咒语来破坏他们同学的书包，或者在别人朝着南瓜馅饼咬下去之前把它变成石头。不过作者风趣地在每章的最后加入了一首诗，讲述一个霍格沃茨学生施咒失败的故事，以起到像《伊索寓言》那样的警示作用。

五维空间

澳大利亚漫画家苏图设计了世界上第一本应用了“增强现实”的漫画书。苏图还是一位动画制作家，他过去的作品曾获得素有“网络奥斯卡”之称的“威比奖”。而他创作的这本名为《现代波利西斯》在业界引起不小的轰动，在众筹的第一个月，就获得11942澳元和139名投资者的关注，因为他正处于这场图书业革命风暴的漩涡中心。

在苏图笔下，波利西斯是故事中的主角，这本书是他的私人日记。作为一名患有偏执症的旅行者，他相信自己是一个逃犯，从到处布满了全息投影的Intafrag特工中心逃出，并且身处宇宙某个秘密组织的监视之下。为了保护自己的隐私，他在日记中将这些秘密牢牢锁住。

波利西斯的所有秘密、所有偏执妄想和阴谋论都藏在这层增强现实里。而读者可以搭配使用为iPhone或iPad特制的增强现实APP，将这些秘密——解开，书中描述的时间旅行的科幻之旅跃然纸上。书的售价是30美元，增强现实应用是免费下载的。

作为这本书的最大看点——苏图在漫画中采用了他与合伙人卢卡斯·卡鲁克耗费4年时间研制的Boomcore软件，嵌入了增强现实技术，这个软件专门用于创作动漫和互动数字内容。由于运用了图像识别与实时动画映射，书中有50页左右的内容，会在软件的配合下播放动画与音乐，每一页的背景乐都是声音设计师拉萨·门库创作的浸入式音乐背景，为读者提供心醉沉迷的阅读体验。

“带入了增强现实的漫画有很多新的尝试与突破。传统书籍就是纸上印刷，而现在这些纸变成了一块屏幕，一块充满无限可能的油画布。传统的漫画之上被覆盖了一个图层，增加了额外的信息，或是增加了故事的旁白，这些都给我们带来了全新的视野。”苏图认为，“或许可以把它看作为一种电子游戏，但是它的独特性在于成为了漫画和游戏的合体。”

对于这种叙事方式的创新，苏图在2008年开始探索时非常艰难：“很多漫画家甚至读者都在捍卫传统漫画的形式，并把新技术看作是对这个行业的威胁。然而慢慢地，大家开始重新思考增强现实对出版行业叙事表达方式的意义，反对的声音在逐渐减弱。我们在Kickstarter第一周众筹的时候，就募得了超过50%的款项。”

现在，用增强现实进行叙事的方式得到了更多认同：“从我过去5年的从业经历来看，读者其实一直在寻找这样的叙事方式，因为他们几乎每天都和电子读物接触。作为创作者，不单是让图像、文字、动画、声音以及互动插件结合，我们还在尝试把不同的故事内容用这样的技术方式去衔接，帮助读者开展前所未有的探索。除了iPhone、iPad，还可以用谷歌眼镜或Oculus Rift去体验波利西斯的经历。现在的一切，只是开始。”苏图说。“除了四维空间，我们可以生活在由宇宙的另一艘飞船所投射出的五维空间里，增强现实就是这个维度里的生活。”

童年情怀

除了给成年人的漫画读物，出版界也把目光瞄向了儿童读物。《晚安，莱德》就是这样一本增强现实的“魔法”漫画书，主人公是一个拒绝睡觉的小男孩。随着玩性越来越大，他的父母想出一个计划，带他去看世界各地的风景。起初小男孩玩得很愉快，感觉自己就是世界的国王，但故事的最后，他竟然变成了野兽

这本32页的童话书，每一页都隐藏了一片世界。打开手机APP，对准插画，屏幕里竟然会出现活了的小人，他快乐时会跳舞、玩娃娃时会挥动四肢，还会轻拍玩具兔子哄它睡觉。怎一个可爱了得。

而来自中央美院的《那些年那座城》，简介上写着“献给80后记忆中的童年”，一盒橘子糖加上增强现实的绘本，在5个月内竟然卖出100万的销量。作为主打怀旧的作品，正确的玩法是：首先放一颗橘子味复古橡皮糖到嘴里，之后拿起手机打开APP，翻开小人书，对着小人书的复古显像管电视，然后恭喜，你已经穿越了。

《那些年那座城》的那张手绘大地图，场景是上世纪八九十年代的街道。地图中出现的百货大楼、粮油店、综合商店无一不是童年的回忆。街道上出现的人物有上百个，每个人都有自己的故事。手机扫过街道时，会出现自行车铃声，嘈杂的交谈声，学校的下课铃声等。

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绘本中出现的不倒翁、铁皮青蛙、红领巾，电视里循环播放着《灌篮高手》、《黑猫警长》、《变形金刚》，嘴里吃着橘子糖，读者的视觉、味觉、听觉和感觉得到了前所未有的统一，都是童年经历过的场景。所有的故事都是创作团队的集体回忆。“飞快的城市变化让人应接不暇。30年可以让一座城市完全变一个样子，我们选了增强现实的技术当作手段，来表现人的情感。以自己的家乡淄博作为那座城，希望可以让70后80后们重温那个温暖安逸的年代，曾经充满人气儿，而不是尾气。”主创者之一的王文哲表示。

应用无限

苏图前瞻性地认为，“增强现实技术在出版界的潜力，在未来应当会运用到各种类型的媒介中，比如贴纸、海报、T恤等等。”他在漫画书发行时，就为自己设计了一个增强现实的纹身。

美国漫威漫画公司也把目光投向了紧身衣，增强现实骑行衣使得它们的漫画粉丝变成自己喜欢的超级英雄。这些服装由座落于爱丁堡的M0rphsuits公司特别定制而成，精心设计的服装使得穿戴者看起来像蜘蛛侠、钢铁侠、死侍、金刚狼和美国队长，而不会像音乐节或是化妆舞会上逗人发笑的角色。

通过前美国宇航局工程师、应用程序开发人员和服装设计师马克·罗伯尔的研发，这套服装集成了令人耳目一新的专利性增强现实效果。“你可以拥有金刚狼艾德曼的合金爪子，发射蜘蛛侠的织网，或者丢出美国队长的盾牌——这一切通过应用程序以及内置的增强现实特征就能实现。想象一下你不仅看起来像钢铁侠，还能够从手掌里释放火的反重力装置，胸部中央拥有发光的方舟反应堆。”

英国企鹅出版社一直是英语世界里出版经典著作的领袖。增强现实技术不仅被这家出版社用在了内容里，还和读者间进行了一些互动式的游戏——书的封面被技术性隐藏，在购买前不用手机识别，无法知道这是狄更斯的《远大前程》，还是赫尔曼·梅尔维尔的《白鲸记》。

而《南德意志报》作为德国最大的全国性新闻报纸，与慕尼黑的增强现实公司Metaio合作，发行了旗下《星期五》杂志的增强现实版。使用Metaio公司的软件Junaio，可以激活杂志页面上包含的多种增强现实体验，看到交互式的视频。一篇配图短文，一位德国农民站在空旷土地的前面，当你用手机对准这张照片时，照片中原来的空地将被一个巨大的停车场取代。文章的内容是农民担心国家申办奥运将给农业带来麻烦。杂志的其他增强特性还包括访谈出现了额外的注解，以及通过摄像头最终发现纵横字谜游戏的答案。

对这种创新方式着迷的，还有瑞典艺术家约翰·索恩韦斯特，他将摄影和漫画通过增强现实技术相结合，实现了很多天马行空的效果。他将平淡的照片变成怪诞、诙谐的梦幻城市，将读者带到了他创造出的另一个世界，那里有着许多从来没看过的人、事、物，跟我们生活在同一个空间。

窗口桌前的马克杯，在约翰眼里，有个小小的水手驾驶汽艇，怡然自得地在咖啡池里享受午茶时光。啤酒杯也变成潜水员探险的海洋。观望窗外景色时，突然有个巨大的机器人跑过，也许你没有留意到，但约翰捕捉到它偷跑的瞬间！

或许对增强现实技术的出版物来说，下一步最需要摆脱的烦恼是，只有借助一副眼镜或是一个手机程序，才能看到奇幻的效果。位于英国伦敦的Studio Convivial公司正让肉眼的可视增强现实书籍成为可能。通过Xbox 360Kinect来捕捉书籍的翻动，然后用投影仪持续地把图片投射到书页上，过程完全不需要笨重的头盔。