增強現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢研究

吳雪薇　王利雙　張盈盈

【摘 要】近幾年來增強現(xiàn)實技術迅猛發(fā)展，本文將基于在華專利申請分析，對現(xiàn)有的增強現(xiàn)實技術進行綜述性的介紹。本文的研究重點是在全球增強現(xiàn)實技術快速發(fā)展的背景下，著重研究中國境內增強現(xiàn)實核心技術的發(fā)展，通過分析近幾年來增強現(xiàn)實技術的相關專利申請，對增強現(xiàn)實的關鍵技術進行了梳理，為國內相關學者提供參考。

【關鍵詞】增強現(xiàn)實;智能交互;虛擬顯示

中圖分類號： TP18;TU984 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）30-0223-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.114

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展，計算機硬件設備的升級，人們不滿足于能夠呈現(xiàn)虛擬場景，越來越期待能夠與虛擬世界進行交互，因而增強現(xiàn)實技術應運而生。增強現(xiàn)實Augment Reality（AR）能夠將虛擬場景和真實世界中的場景無縫融合，并將融合后的場景呈現(xiàn)給用戶，使得用戶能夠通過自然的操作與虛擬世界進行實時交互，從而產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視鏡仿真和信息交流。隨著跟蹤注冊技術的進步，計算機性能的飛速發(fā)展，深度攝像機的普及等技術的發(fā)展，增強現(xiàn)實成為近年來的技術研究熱點，在娛樂、游戲等多個領域得到了應用。

AR技術的原理主要是通過追蹤虛擬物體在真實環(huán)境中的三維坐標，以實現(xiàn)虛擬信息與真實環(huán)境的實時融合，由此增強現(xiàn)實主要表現(xiàn)出三個特點：（1）真實環(huán)境與虛擬世界的融合;（2）具備實時交互性;（3）在三維空間中定位展現(xiàn)虛擬物體。

2 增強現(xiàn)實核心技術

2.1 三維跟蹤注冊技術

三維跟蹤注冊技術是指系統(tǒng)實時精確計算攝像機相對于真是世界的位置和姿態(tài)，以便將虛擬場景正確的安置到它所應處的位置，以便于按照觀察者的視場重建坐標系。常用的三維跟蹤注冊技術主要有三類：一種是基于硬件設備的跟蹤注冊技術，即基于位置的跟蹤技術，一種是基于機器視覺的跟蹤注冊技術，還有一種是基于混合的跟蹤注冊技術。

近年來的國內相關專利申請情況如圖1所示。

圖1 三維跟蹤注冊技術發(fā)展趨勢

2.1.1 基于位置的跟蹤注冊技術

基于位置的三維跟蹤注冊技術類方案主要特點在于根據(jù)信號的發(fā)射器和感知器獲取的數(shù)據(jù)求出物體的相對空間位置和方向以及移動信息，進而計算出攝像機或者智能設備相對于正式世界的姿態(tài)。基于位置的三維跟蹤注冊技術主要涉及全球定位系統(tǒng)（GPS），超聲波定位儀，慣性導航系統(tǒng)，陀螺儀，磁跟蹤器，加速度傳感器，3維電子羅盤，機械跟蹤器等等硬件傳感器，通過搭載上述傳感器的便攜設備進行數(shù)據(jù)獲取。

2.1.2 基于視覺的跟蹤注冊技術

基于視覺的跟蹤注冊技術即是從真實環(huán)境中獲取一幅或者多幅圖像，然后標定攝像機與目標間的相對位置和方向。

2.2 虛實融合顯示技術

將虛擬目標添加到真實視頻場景中并顯示給用戶，給用戶以良好的視覺感觀是虛實融合顯示需要解決的問題。將計算機生成的虛擬信息與用戶所處真實環(huán)境融合在一起，是增強現(xiàn)實的第二核心技術。目前，顯示常常依托的技術有手持式顯示器，空間投影顯示以及可穿戴式顯示器例如頭盔等。

近年來的國內相關專利申請情況如圖2所示。

圖2 虛擬融合顯示技術發(fā)展趨勢

2.2.1 移動手持式顯示

手持式增強現(xiàn)實顯示設備借用手持式移動終端如手機、平板電腦等的顯示屏幕作為增強現(xiàn)實圖像的顯示設備。手持式顯示設備所生成的圖像可以在手臂伸展的范圍內自由移動，然而顯然需要至少占用一只手，將會對使用者的操作與控制帶來不便，同時使用移動終端顯示屏幕作為增強現(xiàn)實顯示設備時，還對移動終端自身的性能和能耗都提出了較高的要求。

2.2.2 空間式顯示

空間式顯示設備通過多種技術使得用戶可以直接參與到三維空間的增強現(xiàn)實交互中，具體包括基于屏幕的視頻穿透顯示、空間光學穿透顯示和基于投影的空間顯示燈。投影設備能夠將圖像投影到大范圍的環(huán)境中，更適合室內應用環(huán)境。然而空間式顯示設備由于其體積龐大，只能應用于固定的顯示領域，缺乏沉浸式體驗，但對于演示三維模型等應用具有突出的優(yōu)勢。

2.2.3 可穿戴式顯示

可穿戴顯示設備一般都集成有雙攝像頭，以及雙目顯示器，實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬場景融合的立體顯示效果。除了這種基于攝像機視頻捕捉到雙目顯示器的視頻透視穿戴顯示設備，透過將疊加的虛擬物體和數(shù)字信息直接投影到光學眼鏡片的光學透視可穿戴顯示設備也是未來增強現(xiàn)實穿戴顯示設備便攜化的發(fā)展趨勢。

2.3 智能交互技術

交互技術是增強現(xiàn)實系統(tǒng)中與顯示技術和跟蹤注冊技術密切相關的技術，滿足了人們在虛擬和現(xiàn)實世界自然交互的愿望。增強現(xiàn)實技術本身作為一種新型的人機交互接口，存在多種方式實現(xiàn)人機交互，可分為四類：鼠標、鍵盤及手柄交互技術、觸敏顯示屏交互技術、三維手勢交互技術、投影交互技術，人機交互技術為增強現(xiàn)實系統(tǒng)帶來了廣泛的應用。

近年來的國內相關專利申請情況如圖3所示。

圖3 智能交互技術發(fā)展趨勢

2.3.1 鼠標、鍵盤及手柄交互技術

傳統(tǒng)的人機交互手段，如鼠標，鍵盤及手柄，其操作方式并不能很好的適應增強現(xiàn)實這種需要在現(xiàn)實三維空間進行人機互動的全新應用場景。

2.3.2 觸敏顯示屏交互技術

觸摸屏雖然在一定程度上方便了人的輸入操作，提高了一些用戶體驗，只能將人手固定于物理存在的二維屏幕平面上進行操作，這也不符合人最自然的操作習慣，會受設備物理尺寸的限制，需要占據(jù)一定的物理空間，且屏幕易受環(huán)境光線影響，操控起來并不方便，用戶體驗也受到很大的限制。

2.3.3 三維手勢交互技術

使用電子設備捕獲用戶手勢、動作作為輸入，降低了用戶對操作設備的學習成本，符合人體自然地交互操控與便攜信息處理硬件設備的分體設計，使人能夠更集中精力于其所關注的信息而不是硬件設備本身，無需物理存在的鍵盤或觸摸屏，人體動作捕捉或手勢識別這種全新的三維空間交互技術，能夠以更準確的方式讓使用者在現(xiàn)實場景中實現(xiàn)與虛擬物體的互動，同時輔助逐漸成熟的語音識別、3D虛擬環(huán)繞聲、虛擬觸感反饋等多模態(tài)交互技術，實現(xiàn)了更自然的虛實融合的人機交互方式，從而極大地增強了用戶體驗。

2.3.4 投影交互技術

投影互動觸摸技術，將操作菜單等可交互操作的畫面投影到一平面內，區(qū)別于將圖像生成與固定的設備表面，投影交互技術能夠將圖像投影到大范圍的環(huán)境之中，更適合室內增強現(xiàn)實應用環(huán)境。

3 結語

本文通過對中文專利庫中與增強現(xiàn)實技術相關的專利進行統(tǒng)計分析，得出以下結論：現(xiàn)有技術中，增強現(xiàn)實技術的核心技術主要在于三塊：三維跟蹤注冊、虛實融合顯示以及智能交互技術。其中，這三類技術的申請量差距并不太大，主要原因在于，一個完整的能給用戶實現(xiàn)良好體驗的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，給目標物體定位并進行虛實場景融合顯示給用戶，并進行交互，這三個關鍵技術點無法繞開。

增強現(xiàn)實這個領域目前比較活躍，將虛擬環(huán)境與真實場景無縫結合，使用戶能不僅能夠與真實場景交互，同時也能與虛擬物體交互，擴大了用戶對世界的認知，其重點在于增加用戶的沉浸感。增強現(xiàn)實技術從2010年開始猛增，隨后一直保持著增長趨勢，VR技術有著廣泛的應用前景。但是目前，AR技術也存在一些問題，技術核心難點在于，圖像識別技術結合觀察者的相對位置以及三維坐標等信息進行定位來判斷物體所處的位置，如何做到對應的精確性和實時性;虛實融合的可穿戴式設備如何做到小而精致，且能夠提供良好的融合沉浸感。