AR技術：在虛擬與現實之間漫步

在電影《碟中諜4》中，一名特工的一只眼睛佩戴了一種特制的隱形眼鏡，這種隱形眼鏡能夠掃描大街上的人臉，進行人臉識別，進而從人群中迅速找出所需要的目標，截獲密碼文件。

科學家稱，實現這樣神奇的應用要等到一二十年之后，但也不用太失望，因為我們身邊已經出現增強虛擬現實技術的應用了。

不久前，美國專利及商標局剛剛公布了一個蘋果公司申請并獲得批準的專利，大致可將其描述為“可戴上的便攜設備”，或是“一副有顯示屏和發聲能力的眼鏡”，或是“擋住用戶臉的帶顯示屏和可能的發聲能力的面罩”等。

這很容易讓人聯想到谷歌在去年發布的一款眼鏡，它具有和智能手機一樣的功能，可以通過聲音控制拍照、視頻通話和辨明方向以及上網沖浪、處理文字信息和電子郵件等。在這些神奇的眼鏡或者面罩背后，實際上是“增強虛擬現實技術”在起作用。

去年10月，圓明園遺址公園發布的“數字圓明園”可以通過網絡下載圓明園移動導覽系統在家中虛擬游覽圓明園，也可以到實地體驗導覽系統的增強現實效果。游客可在含經堂等10個景區實現移動導覽，只需用圓明園提供的iPad對準景區里的二維碼掃描，即可重現過去的建筑景觀。

增強虛擬現實技術的體驗非常神奇，其核心主旨就是“以人為本”。它簡稱增強現實技術（augmented reality，AR），簡言之就是用計算機實時產生三維信息來增強人對真實世界的感知。

一般認為，AR技術源于虛擬現實技術（virtual reality，VR）。但AR技術的偉大之處就是著眼于真實世界。傳統的VR技術讓用戶完全沉浸在虛擬空間中，正如宅男總喜歡生活在家庭電腦營造的網絡世界中一樣。而AR技術則把計算機、網絡和用戶都帶回到真實的世界，不僅可以讓人隨時訪問網絡，還可以增強人對現實世界的感知。

戴上一款眼鏡看看天，鏡片就會顯示當天及未來幾天內的天氣狀況；看到一張面孔，就能知道你在何時何地見過他；看到一棟高樓，就可以了解樓層的詳細信息……AR技術利用計算機系統產生現實環境中并不存在的虛擬信息，這些虛擬信息可被用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等各種方式感知，成為周圍真實環境的組成部分，從而增強用戶對現實世界的感知。結合現在的信息技術，這將創造出許許多多美妙的應用。

上世紀90年代初，波音公司的Tom Caudell和同事最早提出了“增強現實”。 他們在設計的系統中，把由簡單線條繪制的布線路徑和文字等提示信息，實時疊加在機械師的頭盔顯示器上，這些信息可以幫助機械師一步一步完成拆卸過程。

這正是AR技術的目標，即借助光電顯示技術、交互技術、計算機圖形技術和可視化技術等，產生現實環境中不存在的虛擬對象，并通過注冊技術將虛擬對象準確“放置”在真實環境中，使用戶感知到一個真實和虛擬相融合的唯一存在的世界，并能與之交互。

AR技術是一個多學科交叉的新興研究領域，該領域的權威學者北卡大學Ronald Azuma提出，AR技術系統包含三個內容：真實世界和虛擬世界的信息集成，即虛實融合；具有實時交互性；三維尺度空間中定位增添虛擬物體，即三維跟蹤注冊。其中，尤以實時的人機交互最為重要，因為沉浸感和感知的增強皆源于此。

人機交互是一門包括計算機視覺、心理學、人工智能等多學科交叉的技術，隨著傳感器、力反饋等硬件設備的發展，以及對人的個體差異、感知研究以及認知科學的發展，人機交互已成為世界各國信息產業競爭的一項關鍵技術，并逐漸實現向“以用戶為中心”的轉變。

由于AR技術的獨特性與快速發展，目前在軍事、航空航天、醫療、影視娛樂、制造與維修、教育、旅游、建筑規劃等各個領域都能看到其應用。

軍事應用是推動新技術發展的重要動力之一，采用AR技術可以大大減少軍費開支，主要體現在軍事訓練和武器的設計制作兩個方面。在航空航天方面，美國國家航空航天局已經將AR技術應用于國際空間站組裝、訓練等工作。歐洲航天局則注重于把AR技術應用于空間機器人遙控、航天器設計、空間探測模擬等方面。

醫學是最早將AR技術應用到實際中的領域之一。早在1994年，醫生就可以利用超聲波掃描孕婦，然后在其腹部對應部位繪制出一個相應的三維胎兒，再通過頭盔顯示器了解胎兒。

AR技術還可以作為外科手術可視化的輔助手段，通過使用磁共振成像、計算機斷層掃描或超聲圖像實時收集病人的三維數據，將相應的虛擬信息與病人的實際情況相融合，給予醫生更完善的信息。

盡管如此，AR技術依然是一門年輕的學科，存在著許多尚未解決的理論問題和技術障礙。比如硬件設備比較特殊，而且大多價格昂貴，且普遍存在使用不便、影響用戶交互活動等缺點，這是目前影響AR技術推廣的瓶頸之一。

如今已經有多種用于AR系統開發的軟件工具包和應用程序編程接口，但普遍存在專業性強、易用性差等特點，而且很多算法和相關理論也不成熟，如在人工智能、人體工程學、基于嗅覺、味覺等新型傳感和感知機理等方面還有許多問題有待解決。同時，由于一些AR專用硬件設備的特殊性和局限性，常常使軟件開發的費用十分巨大。

所以，今后AR技術的主要研究方向應該是開發廉價的硬件設備，降低系統硬件成本，開發能夠實現虛實無縫融合的高效算法和軟件，并進一步加強用戶視覺和聽覺方面的研究，積極開展觸覺、嗅覺、味覺等方面的研究，最終實現真實自然的多模態人機交互。

AR技術是一個充滿想象力和巨大潛力的高新技術領域，在不久的將來必定會深度影響我們的生活，也許這一天的到來比預計的更快。