增強現實技術發展趨勢分析

王凌云　湯敏麗

摘要：文章旨在探討增強現實技術的發展趨勢和創新挑戰。首先，介紹了增強現實的關鍵技術，包括計算機視覺、3D建模與渲染、跟蹤和定位技術，以及人機交互技術等。其次，分析了增強現實技術的發展趨勢，指出隨著技術的不斷進步、應用場景的不斷擴展以及新的商業模式不斷涌現，增強現實技術將越來越廣泛地應用于各個領域。最后，總結了增強現實技術在技術難題、法規與政策以及用戶接受度等方面的挑戰。文章指出了增強現實技術的發展方向和需要解決的技術難題，為未來的研究提供了思路和方向。

關鍵詞：增強現實；關鍵技術；發展創新

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0107-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

增強現實是一種將虛擬信息與真實世界相結合的技術。通過計算機視覺和傳感技術，它將數字信息疊加在現實世界中，以提供額外的信息和視覺體驗。增強現實技術以其獨特的優勢正在改變人們的生活和工作方式。

增強現實技術的發展歷程可以追溯到20世紀90 年代，當時這項技術主要應用于軍事領域。隨著技術的不斷進步和普及，增強現實已經擴展到各個領域，包括教育、娛樂、醫療、工業等。在教育領域，增強現實技術可以用于模擬實驗、虛擬演示和交互式教程；在娛樂領域，它可以用于游戲、電影和音樂會；在醫療領域，可以用于手術模擬、康復訓練和醫學教育；在工業領域，可以用于生產流程模擬、機械維護和質量控制。因此，增強現實技術在各個領域都發揮著越來越重要的作用，既可以豐富人們的日常生活，也可以推動產業升級，催生新的商業模式，對于提升國家在國際競爭中的科技實力具有重要意義。

1 增強現實的關鍵技術

1.1 計算機視覺

計算機視覺作為增強現實的核心技術之一，發揮著舉足輕重的作用。在增強現實技術中，計算機視覺的主要任務包括：首先，通過對真實世界的圖像進行采集和處理，識別和檢測現實場景中的物體，如人臉、手勢、文字等，提取出有用的信息。其次，將虛擬信息與真實世界的圖像進行匹配和注冊，實時跟蹤設備的位置和姿態，以提高增強現實體驗的穩定性和準確性。最后，分析現實場景的結構、布局和光照等因素，以便在虛擬場景中構建與現實環境相融合的虛擬物體。計算機視覺可以幫助增強現實設備更好地理解和感知周圍環境，以適應不同的環境和任務。

1.2 3D 建模與渲染

3D建模和渲染是增強現實的關鍵環節[1]。在增強現實技術中，3D建模與渲染的主要任務包括：首先，通過對真實世界物體進行采集和測量，建立3D模型。其次，增強現實設備需要將虛擬物體與現實環境融合，使虛擬物體具有真實感。這需要通過渲染技術對虛擬物體進行光照、陰影和反射等效果處理。最后，將渲染后的虛擬物體與真實世界的場景進行匹配和注冊，以便在現實環境中顯示和交互。3D建模和渲染讓虛擬信息與真實世界更加融合，提高用戶體驗和交互性。

1.3 實時跟蹤與定位

實時跟蹤與定位技術在增強現實系統中起著至關重要的作用。在增強現實技術中，實時跟蹤與定位的主要任務包括：首先，通過對真實世界的圖像和傳感器數據進行采集和處理，提取出有用的信息；其次，利用計算機視覺和傳感器技術，對真實世界中的物體和場景進行識別和跟蹤[2]；最后，根據跟蹤結果和傳感器數據，對虛擬信息進行實時定位和更新。實時跟蹤與定位可以精確地確定虛擬對象在現實世界中的位置，在現實世界中創建更具沉浸感的虛擬環境。

1.4 人機交互

人機交互是增強現實的重要支撐技術[3-4]。在增強現實技術中，人機交互的主要任務包括：首先，通過人機界面等技術對用戶的輸入進行識別和理解；其次，根據用戶的意圖和需求，對虛擬信息進行相應的操作和處理；最后，將處理后的虛擬信息實時疊加在真實世界的物體和場景上，以提供額外的信息和視覺體驗。人機交互技術的發展將為增強現實應用帶來更多可能性，可以幫助人們更加自然和直觀地與虛擬信息進行交互和操作。

2 發展趨勢

2.1 硬件設備以及軟件開發

隨著智能手機、增強現實眼鏡、頭戴式顯示器等移動設備的普及和功能的不斷增強，增強現實技術硬件設備的發展趨勢日益明顯[5]。首先，增強現實硬件設備輕量化成為趨勢，以實現更舒適的佩戴體驗和更長時間的使用。其次，增強現實硬件設備將更加智能化，以更好地理解和預測用戶行為，提供更加個性化和智能化的服務。此外，設備還將具備手勢識別、頭部追蹤等功能，以提供更自然和直觀的用戶交互方式。最后，增強現實軟件開發的生態系統將更加完善。設備制造商將與應用程序開發者和內容提供商合作，為用戶提供更多高質量的增強現實內容和應用。設備的兼容性和可擴展性也將得到提高，以便用戶可以輕松地與其他設備或平臺進行連接和交互。

2.2 云計算技術

增強現實技術與云計算技術的結合，可以實現更強大、更高效的增強現實應用。云計算技術可以為增強現實應用提供穩定、高效的計算和存儲支持，使得增強現實應用可以更加流暢地運行，并且可以實現更廣泛的應用場景和服務范圍。首先，云計算技術為增強現實應用提供大規模數據處理和分析的能力。隨著圖形處理能力和網絡帶寬的提升，云計算將處理更復雜的3D渲染和計算密集型任務，并通過流式傳輸將高質量的增強現實內容傳送到用戶的設備上，降低本地設備的性能需求。其次，云計算技術將為增強現實應用提供智能化實時的數據處理和分析能力。例如，通過云計算技術，增強現實應用可以根據用戶的偏好和行為為其提供更精準的個性化體驗，并允許多個用戶在同一增強現實環境中進行互動和協作。此外，利用云計算，增強現實應用將輕松實現跨平臺兼容性和可擴展性，使得開發者能夠為多種設備和操作系統提供一致的增強現實體驗。最后，云計算技術需要加強數據安全和隱私保護措施，包括加密傳輸、訪問控制和合規性管理，為增強現實應用提供安全可靠的保障。

2.3 5G 與邊緣計算

隨著邊緣計算的發展，部分增強現實處理和數據存儲任務可能轉移到邊緣設備上，與云計算形成互補，以減少延遲和提高響應速度。首先，5G網絡的高速度、低延遲和大連接數特性將為增強現實應用提供高速低延遲的通信。這將使用戶可以更加便捷地訪問增強現實內容和服務，提高用戶體驗。其次，邊緣計算技術將為增強現實應用提供更高效的數據處理和分析能力。通過將計算任務分配到網絡邊緣的服務器上，可以減少數據傳輸的延遲和負擔，提高增強現實應用的響應速度和實時性。此外，5G和邊緣計算還將為增強現實應用提供更廣泛的支持。例如，處理和分析增強現實設備生成的大量數據，如圖像、音頻和傳感器數據，減輕了云端的負擔，并保護了用戶的隱私。

2.4 人工智能

增強現實技術與人工智能的結合，可以為人們帶來更加豐富、逼真的虛擬增強體驗。首先，人工智能技術提高增強現實系統的智能化水平，提高其感知、理解和反應能力。例如，增強現實游戲開發者可以創造出更具個性化的對手，通過分析玩家在游戲中的表現，學習玩家的表現，然后逐步調整自己的行為，提供更富有挑戰性，更智能、更個性化的體驗。其次，人工智能技術可以提高增強現實系統的可擴展性和適應性。例如通過自然語言處理和語義理解技術，人工智能可以根據教學的設定，創造出具有邏輯性和情感張力的教學任務，不僅減少了教師的工作量，還為學生提供了更多的教學選擇。

2.5 物聯網技術

增強現實技術和物聯網的融合被視為未來發展的重要趨勢。隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網設備之間的連接性將變得更加強大和穩定，能夠無縫地連接到互聯網，方便增強現實設備實現實時的數據傳輸和交互。例如，在工業環境中，增強現實可以顯示來自傳感器和其他物聯網設備的實時監控數據。在智能城市和公共空間中，物聯網技術將實現更高效的信息傳遞和服務提供，更加深入地應用于增強現實設備健康管理、預測性維護和遠程監控。例如，增強現實導航可以幫助行人找到最近的停車位或公共交通站點，同時實時監測來自物聯網設備的實時交通和環境數據。

2.6 信息安全

隨著增強現實技術的不斷發展，隱私和安全問題也日益凸顯。首先，增強現實技術需要加強用戶隱私保護。在收集和使用用戶數據時，必須遵守相關法律法規和倫理規范，確保用戶數據的合法性和安全性。加密技術、身份認證技術以及匿名化、去標識化技術等將成為保護信息安全的重要手段，保護用戶數據不被泄露和濫用。其次，增強現實技術需要加強安全性保障。由于增強現實技術具有與現實世界交互的特點，因此必須采取嚴格的安全措施，確保用戶信息和數據不被非法獲取和利用。例如，應加強增強現實應用程序的代碼審核和安全性測試，以減少安全漏洞和風險。訪問控制技術可以限制用戶對數據的訪問權限，防止未經授權的訪問和數據泄露。最后，安全審計技術可以對增強現實系統的操作進行記錄和監控，及時發現和處理安全問題。政府和企業也應加強相關法律法規的制定和完善，規范增強現實技術的使用和管理，保障用戶的合法權益和安全。

3 創新挑戰

隨著技術的不斷發展，增強現實技術既可以拓展新的應用領域和開發更優質的應用服務，也讓新的商業模式不斷涌現。這需要不斷開拓創新。此外，還可以開發更自然、更智能的用戶界面和交互方式，以提供更優質的用戶體驗。雖然增強現實技術具有廣泛的應用前景和巨大的市場潛力，但也面臨著一些挑戰，例如跟蹤和定位的準確性、圖像和視頻的穩定性、虛實結合的自然性等技術難題。此外，增強現實技術的應用涉及個人隱私、知識產權、不正當競爭等問題，相關的法規和政策制定可能存在一定的滯后性，對增強現實技術的發展帶來一定的限制。最后增強現實技術的應用需要用戶具備一定的技術基礎和認知能力，目前仍有部分用戶對增強現實應用不太了解或不會使用，對應用接受度和滿意度會受到影響。未來需要不斷進行探索和創新，以克服這些挑戰，推動增強現實技術的快速發展和應用。

4 總結

增強現實技術作為一種新興的交互方式，具有廣闊的應用前景。這項技術在近年來取得了顯著的發展，主要得益于關鍵技術的突破和趨勢的創新。本文從增強現實的關鍵技術、發展趨勢和創新挑戰三個方面進行了探討。增強現實技術未來研究將以智能化、個性化、開放、可擴展、用戶體驗和隱私保護為目標，以推動其不斷發展，并為人類帶來更加沉浸式的體驗和更多的便利。

參考文獻：

[1] 胡慶夕，劉濤，姚遠. 基于增強現實技術的三維交互建模[J].計算機工程，2010，36（13）：236-238.

[2] 郭金輝，陳秀萬，王媛. 視覺慣性SLAM研究進展[J]. 火力與指揮控制，2021，46（1）：1-8.

[3] 袁慶曙，王若楠，潘志庚，等. 空間增強現實中的人機交互技術綜述[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2021，33（3）：321-332.

[4] 陶建華，龔江濤，高楠，等. 面向虛實融合的人機交互[J]. 中國圖象圖形學報，2023，28（6）：1513-1542.

[5] 魏巍，馮蓬勃，陳崢廷，等. 增強現實輔助裝配技術綜述[J]. 包裝工程，2021，42（14）：108-118.

【通聯編輯：唐一東】

基金項目：本文得到黔東南州科技計劃項目（No. 黔東南科合J 字〔2021〕43 號）；貴州省教育廳自然科學研究資助項目（No . 黔教合KY 字〔2020〕178）號資助