AR增強現實技術的原理及現實應用

摘 要：AR增強現實技術通過將虛擬信息與真實環境影像疊加的方式進行即時性信息數據交互。虛實交融的AR增強現實將我們周圍的整個世界變成交互式對象，這種新的信息交互模式亦會逐漸改變我們的生活。增強現實技術在生活中的應用范圍越來越廣，本文主要探討了其技術原理及現實應用。

關鍵詞：AR;技術原理;現實應用

1 AR增強現實概念及原理

AR增強現實技術通過將虛擬信息與真實環境影像相疊加的方式進行即時性信息數據交互，其交互的信息形式可以是文字、圖像、視頻、聲音等各種數據。即通過捕捉辨識現實環境的圖像信息特征調取相關虛擬信息數據，并且虛擬信息數據可依據使用者的空間位置、觀看角度及肢體動作與現實環境產生及時、準確的互動關聯，大大提高了信息索取的效率、實用性及交互性。正如某網站所言：“AR增強的不是現實，而是認知。”其將改變人們獲取外界信息及認知世界的方式。虛實交融的AR增強現實將我們周圍的整個世界變成交互式對象，這種新的信息交互模式亦將逐漸改變我們的生活。

AR的三大技術要點：三維注冊（跟蹤注冊技術）、虛擬現實融合顯示、人機交互。其流程是首先通過攝像頭和傳感器將真實場景進行數據采集，并傳入處理器對其進行分析和重構，再通過AR頭顯或智能移動設備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實時更新用戶在現實環境中的空間位置變化數據，從而得出虛擬場景和真實場景的相對位置，實現坐標系的對齊并進行虛擬場景與現實場景的融合計算，最后將其合成影像呈現給用戶。用戶可通過AR頭顯或智能移動設備上的交互配件，如話筒、眼動追蹤器、紅外感應器、攝像頭、傳感器等設備采集控制信號，并進行相應的人機交互及信息更新，實現增強現實的交互操作。其中，三維注冊是AR技術之核心，即以現實場景中二維或三維物體為標識物，將虛擬信息與現實場景信息進行對位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運動路徑等與現實環境必須完美匹配，達到虛實相生的地步。

2 頭戴式顯示器

AR應用因自身技術的復雜性使其硬件發展受到許多限制，盡管其硬件目前的狀況還不盡如人意，但隨著電子和光學技術的進步和完善，AR硬件也在快速迭代之中不斷改進。其中，以業界公認的三大AR頭顯表現最為突出：Hololens、Meta、Magic Leap。

3 智能移動設備

AR頭顯因佩戴使用時用戶往往有諸多不適感，因此近期AR應用的主要載體為手持智能移動設備，如智能手機、平板電腦。其天然包含了AR所需的各種元素：陀螺儀、GPS、攝像頭、加速器、麥克風等，以及強大的CPU、GPU。目前，主要的AR開發平臺有蘋果針對iOS系統的ARKit、谷歌針對安卓系統的ARCore、亞馬遜的Amazon Sumerian，Facebook的AR Studio和Frame Studio。這些開發平臺可為智能手機、平板電腦、頭戴顯示器、瀏覽器等快速創建VR、AR和3D應用內容。

外界對于移動手持AR與頭顯AR設備孰優孰劣的比較一直沒有停止過，其實二者本身定位不同。手持移動AR其優勢為重量輕、成本小、使用方便，所以普及率高，但受硬件設備配置所限，在三維重建、游戲引擎、圖形渲染等方面與頭顯有明顯差距。智能頭顯設備釋放雙手，人機交互的渠道更加豐富，更適合進行沉浸式體驗。

4 AR應用

隨著AR技術的成熟，AR越來越多地應用于各個行業，如教育、培訓、醫療、設計、廣告等。

4.1 教育

AR以其豐富的互動性為兒童教育產品的開發注入了新的活力，兒童的特點是活潑好動，運用AR技術開發的教育產品更適合孩子們的生理和心理特性。例如，現在市場上隨處可見的AR書籍，對于低齡兒童來說，文字描述過于抽象，文字結合動態立體影像會讓孩子快速掌握新的知識，豐富的交互方式更符合孩子們活潑好動的特性，提高了孩子們的學習積極性。在學齡教育中AR也發揮著越來越多的作用，如一些危險的化學實驗，及深奧難懂的數學、物理原理都可以通過AR使學生快速掌握。

4.2 健康醫療

近年來，AR技術也越來越多地被應用于醫學教育、病患分析及臨床治療中，如Scopis公司借助微軟HoloLens的頭顯裝置開發了全息導航平臺，并將其運用于脊柱手術當中，使得手術成功率從64%提升至85%。諸如此類的微創手術越來越多地借助AR及VR技術來減輕病人的痛苦，降低手術成本及風險。此外在醫療教學中，AR與VR的技術應用使深奧難懂的醫學理論變得形象立體、淺顯易懂，大大提高了教學效率和質量。

4.3 廣告購物

AR技術可幫助消費者在購物時更直觀地判斷某商品是否適合自己，以作出更滿意的選擇。例如，宜家開發的AR應用IKEA Place，人們在進行家庭裝修時，尤其是添置家具時，常常為無法預知所購家具是否與房間其他家具協調而苦惱，AR技術輕松幫助人們化解此類難題。用戶可以輕松地通過該軟件直觀地看到不同的家具放置在家中的效果，從而方便用戶選擇，該軟件還具有保存并添加到購物車的功能。

4.4 展示導覽

AR技術被大量應用于博物館對展品的介紹說明中，該技術通過在展品上疊加虛擬文字、圖片、視頻等信息為游客提供展品導覽介紹。此外，AR技術還可應用于文物復原展示，即在文物原址或殘缺的文物上通過AR技術將復原部分與殘存部分完美結合，使參觀者了解文物原來的模樣，達到身臨其境的效果。

隨著AR技術和硬件設備的不斷進步，AR離我們的生活越來越近，并悄悄改變我們的認知方式、交流方式和生活方式。及時了解有關AR的最新資訊，并借助其技術創造出具有市場價值的產品和具有思想深度的藝術品，這是我們在大學課程中引入AR技術的初衷和目的。

參考文獻：

[1] 安福雙.正在發生的AR增強現實革命[M].人民郵電出版社，2018.

[2] 藏田武志.增強現實（AR）技術權威指南：基礎·發展·實踐[M].中國工信出版集團/電子工業出版社，2018.

作者簡介：李京燕（1970—），女，陜西西安人，碩士，西安美術學院影視動畫系講師，研究方向：三維動畫，交互多媒體。