增强现实的发展与应用

增强现实的发展与应用（共9篇）

增强现实的发展与应用 篇1

1 引言

增强现实 (Augmented Reality) 是指把虚拟的物体、场景等投放到真实世界中, 带给使用者全新的感受。典型的增强现实场景是, 使用者使用手机增强现实软件利用手机摄像头捕捉真实环境, 可以在手机屏幕中显示真实环境之外的虚拟信息, 例如指示到某某地的路线图指向等。总之, 增强现实技术有着非常广阔的应用场景。

2 发展历程

AR技术最早的产品形态要算是HMD了, 应用在军事领域, 对飞行知识比较熟悉的朋友都了解这个缩写, Head-Mounted Display, 也就是头戴显示器。伊万·萨瑟兰是美国计算机图形领域的专家, 他的一系列研究对头戴式显示器的发展起到了重要作用。1968年, 他在美国哈弗大学展示了第一台头盔显示器的目镜。在这项研究的基础下, 此后头戴显示器在飞机, 地面车辆以及舰只训练方面都取得了不俗的成绩。

随着技术的不断发展, 诸如LCD, LED, OLED等技术的出现, 以及智能手机等设备的发展, 互动的理念开始更为人们所重视, 这样AR技术终于可以“两条腿走路”, 辅助与互动起头并进, 消费级的头戴显示器终于出现了。最近几年, 这样的产品很多, Googleglass、Microsoft的Hololens等硬件设备, 以及PTCVuforia、Easy AR等SDK软件开发包。

3 增强现实在医学中的应用

增强现实技术在医学中有着非常广阔的应用。我们都知道, 实践对于医学是非常重要的, 由于我校是中医院校, 针灸学和中医学、护理学等, 都需要大量实践, 如果利用增强现实技术与其融合, 将会大大降低现有实践费用, 提高效率, 将会取得很可观的效益。另外, 我们可利用增强现实技术辅助医院手术, 手术中如医生佩带增强现实设备, 可以非常方便的在手术中获取有益的指导信息, 引导医生进行手术, 这大大降低了传统手术中可能发生的失误, 为患者带来了切实的保障, 大大提高了患者的生存率。

4 增强现实在教育中的应用

2011年的地平线报告中[1,2], 讨论了增强现实技术在教育领域中应用的几个典型的优势: (1) 增强现实技术可应用在可视化和深度互动的学习形式中可以实时、敏捷地将数据叠加到现实环境中; (2) 增强现实技术可有效地响应用户输入, 这种互动对于学习和评价而言具有重要意义, 学习者可以在现实生活经验的基础上, 通过与虚拟物体的互动, 进行认知建构; (3) 增强现实技术可以为学习者提供感性的学习材料, 例如, 再现现实生活中学习者无法观察到的事物及事物的变化过程; (4) 增强现实技术可有效地支持情境学习, 应用增强现实技术, 学习与生活的联系将更为紧密; (5) 增强现实技术有助于学习者学习迁移能力的培养; (6) 增强现实技术与移动设备结合, 逐渐成为普及的学习工具, 使得正式与非正式学习的界限愈发模糊, 促进学习生态的进化。如观看人体解剖学课本时, 戴上沉浸式虚拟现实眼镜可以在眼前出现一个虚拟的人体, 使用者可以控制操控, 观看三维立体图像, 这留给学生深刻的印象, 是一个非常生动、有意义的教学方案[3]。

5 总结与展望

虽然通过增强现实技术可为使用者带来前所未有的体验, 但是目前增强现实技术并不是非常成熟, 很多东西都停留在理论阶段。例如利用PTCVuforia SDK做出的增强现实软件体验并不是非常令人满意, 有时候会出现识别出错、识别不出来等问题, 并且还会出现模型抖动、在有些手机上软件闪退等情况, 还有就是电池续航问题, 如Googleglass会出现电池续航时间短等问题, 导致迟迟无法大范围推广, 另外微软Hololens等新硬件, 出现了可视范围非常小的问题, 其他问题就是佩带眼镜的增强现实技术, 出现的交互问题, 其需要佩带眼镜使用, 使用者无法接触屏幕, 急需新的交互方式。当然笔者相信随着增强技术的不断发展、不断改进、不断成熟, 这些难题将会迎刃而解, 开发难度也会变得更加简单易行。笔者相信, 增强技术未来有着广阔的发展前景, 其与虚拟现实技术的融合将会成为日后的新趋势, 与虚拟现实结合可为使用者打通现实与虚拟的界限, 提供更为成熟的体验。

摘要：随着最近几年增强现实 (AR) 技术的日趋火爆, 其快速发展在医学、教育、建筑等领域催生了大量应用, 取得了很好的效果。本文首先介绍了增强现实的概念, 国内外发展历程, 然后列举了其在医学、教育领域的应用, 最后做了简单的总结与展望。

关键词：增强现实,教育,医学,沉浸

参考文献

[2]陈向东.增强现实教育游戏的应用[J].远程教育杂志, 2012 (05) .

[3]孟美, 马充.沉浸式虚拟现实在医学中的发展与应用[J].通讯世界, 2016 (01) .

增强现实在印刷品中的应用 篇2

1.增强现实与产品展示

如图1所示，演示者手持产品卡片、手册或者包装盒，将电脑上的视频摄像头对着印刷品页面上相应的产品，电脑上就会呈现相应的三维演示，这种在平面印刷品上叠加展品的三维虚拟模型或动画，通过显示设备呈现，以独特的观赏体验吸引用户深入了解产品。借助展馆内可控并便于调整的环境，和传统的实物加信息板的展示方式相比，增强现实应用于产品展示中，使得展现形式生动又丰富，贴近自然的人机交互体验，为产品发布会、展览会带来了全新的方式。国际众多知名品牌，包括宝马汽车、通用电气、乐高玩具等都在利用增强现实技术进行产品宣传等商业活动。

2.增强现实与广告

当今普普通通的电视广告、网络贴片广告已经无法像以前那样吸引人们的注意力了，广告主急需一个更能令自身品牌的产品和消费者产生近距离互动的“新平台”。如图2所示为吉百利巧克力的一段包装广告，将手机摄像头或者其他移动设备的摄像头对准吉百利的外包装上的图片，该软件就能自动搜索识别其包装图片，之后自动生成能与用户进行互动的小游戏。这款由品牌和包装触发的官方增强现实游戏实现了消费者与品牌的互动，不但增强品牌识别度，而且更能扩大该品牌的影响力。

此外，很多产品都是被封装在包装盒内的，消费者一般会观看该款产品再决定是否购买，但是不付费又不能打开其外包装，那么面对这一问题，增强现实便能很方便地解决，如图3所示，利用跟踪摄像头和任意一个显示屏幕，我们便可以不必打开包装而去体验到产品的外观等特征。

3.增强现实与出版物

通过与增强现实技术的结合，传统的平面出版物也将进入互动的多媒体时代，读者们面对的将不再是枯燥的文字与图片，一个个逼真、生动的三维立体形象，在光影、音效的衬托下活灵活现地展示在眼前，我们将真正体验到交互阅读的乐趣，如图4是增强现实在教材中的一个应用。推动虚拟现实进入实景体验的增强现实技术，将科普教育提升到一个全新的阶段，丰富多彩的天文、地理、生物知识不再是课件上的简单图片，而是可以实时互动的三维模型；危险的物理化学实验在家里就可以安全的操作。此外，科研人员能够借助增强现实技术便捷地进行仿真模拟实验与远程实时写作，从而低成本、高效率地不断创造出新的研究成果。

Esquire时尚杂志通过与数字技术服务公司Barbarian集团合作，应用增强技术使得能够与读者进行互动的杂志得到实现。通过扫描AR标记就能看到相应的动态图片、讲解视频、网络链接以及可以与读者互动的虚拟世界，带给读者前所未有的阅读体验。Crossfy是巴西一家初创公司，它能提供“印刷品的增强现实（Augmented Reality for Print）”。该公司已经与一家巴西媒体合作，推出了它所说的“世界上第一份液晶屏幕报纸”。

4.增强现实与海报

随着增强现实应用的多样化，影视界也开始把目光投向这一部分，《灵魂战车》的电影海报便利用了这种方式，通过将摄像头对准海报，显示屏上就会呈现该部电影的精彩预告。例如，美国大片《Now you see me》也与blippar合作，实现移动设备通过扫描印刷品的海报获得电影的预告片片段。这不仅能够为消费者提供便捷，也为传媒人士提供了一种更有效的宣传手段。值得一提的是，在扫描等待预告片弹出的过程中，纸牌像魔术般四面散开的动态效果处理地恰到好处，令人印象深刻。除了电影海报外，增强现实还可以应用在交通路牌、名片上，都取得了较好的效果。

增强现实关键技术

增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的特点，其识别技术包括基于视觉标记的和基于自然特征的。在印刷中应用的增强现实技术一般采用前者，即通过设备中装有的第三方软件，比如blippar，然后将自己的设备包括PC机、智能手机或者平板电脑上的摄像头对准印刷品上的图片或者其他标识物，相应的软件就会自动搜索识别该标识物，搜索完毕后就会在屏幕中显示各种生动的内容，包括视频、音频、三维模型等，其过程如图6所示。在这个过程中主要涉及计算机视觉技术、多媒体技术、交互技术等，其中标志物、三维注册技术和显示技术是整个印刷品增强现实效果好与坏的关键。

标志物

在跟踪注册过程中，将标记预先放置在真实场景中，对摄像机捕捉到的视频帧进行标记检测，因此要使设备能够呈现出虚拟事物，前提是印刷品上必须有标识物。不同图案的标识物有不同的识别速度与方法、不同的准确率与复杂性。当前的人工标识一般采用规则的、便于计算机识别的黑白平面标记，即黑色正方形边框包围易识别的多边形白色填充。通过提取正方形的四个顶点上含有标志物的位移和旋转信息，只要识别四个顶点和图案，就能完成注册。目前常见的标记有ARTookit标记、ARTag标记、ARTookitPlus标记、APSTudio标记和Visual Code标记等。

三维注册技术

创建增强现实系统的技术关键是进行精确的三维跟踪注册，从而使周围世界真实场景与计算机生成的增强信息相融合。基于计算机视觉的跟踪注册是给定一幅或多幅图像，标定摄像机与目标间的相对位置和方向。基于视觉跟踪的方法可以分为对已知单幅图像中三个或三个以上匹配点进行跟踪，从运动摄像机拍摄到的序列图像或是从拍摄到的运动目标序列图像进行跟踪及基于单幅图形的模板匹配的方法等。

显示技术

典型的增强现实应用除了上述技术外，还依赖于设备的显示技术，为了达到逼真的虚实融合的展示效果，高效率的显示技术和显示设备是必不可少的。目前，应用于增强现实系统的硬件显示设备，除了一般的PC机显示屏幕外，还有头戴式可视设备（Head Mount Display），即增强现实中广泛应用的穿透式HMD。随着计算机技术的不断进步，移动设备在硬件方面性能的提升，增强现实在移动设备中的应用越来越多。

增强现实的发展与应用 篇3

增强现实技术(AR),也被称为混合现实技术。它通过计算机程序,将虚拟信息扩展到真实的世界中,真实的环境和虚拟的信息实时地叠加,在同一个画面或空间同时存在。增强现实技术可以提供超过人类感知的信息,在展现了真实世界信息的同时还可以将虚拟的信息同步显示,两种信息相互补充、相互叠加,用户穿戴可视化装备,就可以看到真实世界与电脑图像结合在一起,在熟悉的世界中“看到”更多的信息和提示。借助计算机图形技术和可视化技术,增强现实技术还可以产生现实环境中不存在的虚拟物体,并通过传感技术将虚拟物体“投射”在真实环境中,将虚拟物体与真实环境融为一体,让用户能看到甚至接触到新的环境事物。因此可以看出,目前增强现实技术已经具有虚实结合、三维显示、实时互动的新特点。

1 AR技术的发展和应用

增强现实技术源于20世纪60年代、90年代迅速发展,有名的研究机构主要集中在美国、日本、德国和新加坡等发达国家的著名大学和实验室,其研究侧重多在人机交互和软硬件平台的研发等。随着技术的发展,研究逐步从理论转入应用阶段,相关应用早期可以追溯到1960年战斗机飞行员不用低头可以在玻璃上看到数据,戴上特殊头盔后飞行员还可以看到叠加在视野上的飞行路径和文字提示,从而大大降低了飞行难度。随着微软、谷歌、Facebook、SONY等科技巨头纷纷进入AR产业,很多公司已经能够提供成熟PC端或移动端的增强现实解决方案,不仅加快了增强现实技术及应用程序的研究进程,也拓展了增强现实技术的使用领域。

1.1 AR技术在日常领域的应用

增强现实技术已经延伸到日常生活的各个领域,因为它可以让用户在看到虚拟物体的同时,仍能看到真实的场景,在医疗、商贸、教育、娱乐与文化等领域具有广泛的应用前景,受到研究者越来越多的关注。

在医疗领域,影像技术在现在医疗领域已经被普遍采用,增强现实技术也随之成为辅助治疗的重要影像技术之一,它利用传感器或者CT影像对病人的手术部位收集实时数据,建立相应三维模型,整合后投射到患者的医疗影像中,使医生具有“透视功能”,从而可以更加清晰直观地了解患者病灶的状况,精确导航需手术的位置。它建立患者体内病灶部位的全息数据模型,让医生不受光线和器官阻碍,直观地看到病人体内情况,从而引导医生针对实际情况制订出最合适的手术方案。图1为德国医生通过带有医疗平板电脑的摄像头,将病人骨骼和内脏的三位模型叠加在病人身体上。

图1 增强现实技术在手术中的应用

在产品零售业,增强现实衍生出了一种“虚拟试穿”技术。在“虚拟试穿”中,顾客只要选好衣服的样式,无需烦琐的穿脱步骤,只要对着穿衣镜,一件与顾客所选衣服同样款式的三维模型就被“穿”到了顾客的身上。同时这件被虚拟出来的衣物并不是老式二维平面图像,而是可以从各种角度观察的,“虚拟试穿”技术的应用不但省去了顾客频繁换衣的烦恼,也降低了商家成本损耗。

2016年,一家连续亏损的日本娱乐公司任天堂推出了一款增强现实手机游戏“Pokemon GO”,上市不过两个星期就引发了一种全球现象:去抓精灵。这款游戏的成功就在于把虚拟角色与人们生活的现实环境成功地融合在了一起。为了抓到心仪的精灵,有人一直在街上徘徊到凌晨四点被警察送回家才罢休,甚至有新闻称有人因玩“Pokemon GO”不注意而坠桥身亡,美国华盛顿州政府不得不在twitter上发布了声明,希望人们在玩“Pokemon GO”要注意安全,特别是开车的时候千万不要玩。

增强现实技术的另一项成功应用就是车载导航系统,这项系统有很多种开发界面,2014年马自达率先使用这种内置界面,一些高级轿车也有这个功能。它能够将手机上的信息投射到玻璃屏幕上,能够通过通信接口获取汽车数据,并且能够通过语音、手势控制。一旦和手机连线,它就能够运行手机上的App,如Spotify、Google地图等。跟一般的车载电脑显示系统不同,用户不需要低头查看信息或者地图,只要视线正常注意前方就能够看到所有信息。

1.2 AR技术在专业领域的应用

从20世纪90年代开始,增强现实技术(AR)因其直观的信息表现方式和近乎无限的可扩展性引起了地学领域研究学者的普遍关注。其中一个主要的研究方向是利用增强现实技术使地理、环境数据达到交互操作、动态显示和增强真实感。增强现实技术(AR)在可视化方面的先进之处还体现在对三维大数据的处理,增强现实技术与现在流行的虚拟现实技术(VR)有所不同,后者主要是在软件生成的虚拟环境中建立三维数据模型,而前者需要采集足够的真实环境数据,把软件生成的模型“添加”到真实环境中,对设备和技术的要求更加严格。随着人们对平面地图和沙盘类模型功能的不满足,对数据和模型用全息三维显示的需求越来越迫切,急需开发出新的GIS信息显示方式。GIS是地理信息系统(Geographic Information System)的简称,它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

AR技术与GIS系统结合是近几年才开始的,简称ARGIS,ARGIS的特点就在于将传统的静态的人机交互转变为户外的动态的交互,用AR建立的虚拟世界与客观真实世界合二为一。国内已经有一些学者做了大量的工作,孙敏提出了ARGIS的概念:ARGIS是对客观地理世界进行数字化描述、存贮、管理,将这种描述与真实世界融为一体,给出指定对象的空间信息、提供户外信息交互的一类地理信息系统的统称。杜清运提出ARGIS的意义在于将移动计算与增强现实技术运用到传统的空间信息中,改变了传统的基于位置的处理机制,使人和真实世界与数字世界通过网络传输无缝地结合起来,实现超越时间和空间局限性的互动,从而改变数字世界与真实世界的交互模式。

对ARGIS的研究主要是利用AR技术的虚拟模型与真实环境无缝融合,在GIS中生成全新的增强三维GIS可视化系统,其技术实现的重点是在真实环境中的三维建模问题,即三维虚拟模型与真实对象(例如影像、视频)的融合显示,AR技术的成熟不但改变了GIS可视化方式,还改变了GIS的使用环境,使GIS得以从室内的伺服器、工作站加显示装置的工作方式转移到了户外移动式可视化终端。GIS的研究者开始重视计算机图形学的理论并引入相应的技术来实现GIS的可视化。目前国内的2DGIS可视化技术应用比较成功,而于3DGIS可视化的研究,主要集中在地形表面的重构、房屋建筑几何模型建立等方面。

2 利用增强现实技术构建地下管网模型

地下传输管道是石油、天然气等能源传输组成部分,也是建立三维数字管道的一个重要内容。地下传输管道是由纵横交错站内工艺管网、站外输送管线机通信线路组成的错综复杂的空间体系,所以传统的基于2维或2.5维的GIS难以直观地表现各个管线的相互关系。建立三维管网可视化模型,其复杂的建模需求不但花费巨大,而且数据更新缓慢,传统的平面视图系统难以胜任。实际上,大家在施工中关注的往往是管线的走向、管线与管线之间的交汇及管道本身的属性,为了减轻建模难度,只将关注度较高可视化模型投放到所在的现实环境中,就可以省去相对较为复杂的环境建模,节省大量人力、物力、财力。

AR可视化系统:GIS数据库中的地理数据变化模型决定数据变化的状态和趋势,而配准模型根据数据变化将观察点处实地摄制的图像、视频与地理坐标进行计算对应,最后利用AR可视化技术的系统和设备,将地理数据的变化状态和趋势在视频影像中正确的位置表达出来。

户外增强现实的实现一般分为两类:一是基于计算机运算实现,二是利用传感器生成实现。基于计算机方法可以减轻户外用户负重,但受周边环境限制比较大,负责计算的设备不便携带且复杂的计算需要耗费大量的时间,但是可以利用现有计算机设备,不需要增加太多的预算。基于传感器的增强现实技术,使用了位置传感器和测角传感器。当用户在户外移动时,使用GPS接收装置接收三维坐标,用户视线所及的方位参数由传感器获得并实时传入系统中,并以此为参数建立管网的基础三维虚拟模型,然后系统将三维虚拟模型的图像叠加到摄像机传来的真实环境视频图像上增强可视化,最后送到显示器或便携可视化装置上。

为了增强可识别性,可以在系统中定义不同颜色来区分输油输气、通信光缆等不同用途的地下传输管线,然而在地形复杂或管线的交汇点仅仅通过管线走向和颜色不足以辨别管线位置和深浅,可以采取调高埋深较深的管线的透明度来增强视觉效果。如果想查看剖面图上管线分布,可以在模型上绘制水平红色标尺线,这样可以直观地对比穿过剖切面的地下管线,同时还可以增加管线的虚拟阴影和周边环境的3D纹理,以上措施增强了三维地下管网的深度感知和可视化效果。更接近真实视觉效果的是坑道式剖面图,由于阴影投射到剖切面底部的时候因角度问题不容易看到,可以采取随着深度降低光照度的方法建立环境光遮挡的模型。

使用增强现实技术的三维可视化地下管网,给用户安装了“火眼金睛”,可以更方便、直观地分辨地下纵横交错的传输管网相互位置和走向,查询某根管线情况时因为可视效果的提升也更容易选取和分析。增强现实可视化技术是一种对现实世界的智能扩充,增强了用户对真实环境和三维系统的互动和感知。该技术目前已经广泛地应用在城市环境可视化、城市安全规划、旅游、计算机建模、国防军事及娱乐等众多领域,具有深厚的发展潜力。

参考文献

[1]孙敏,陈秀万,张飞舟.增强现实地理信息系统[J].北京大学学报:自然科学版,2004(6).

[2]杜清运,刘涛.户外增强现实地理信息系统原型设计与实现[J].武汉大学学报:信息科学版,2007(11).

增强现实的发展与应用 篇4

[关键词]增强现实；虚拟互动；辅助设计；三维注册

增强现实（Augmented Reality，下文简称AR），作为先进的三维交互技术，诞生于19世纪60年代，当移动互联网时代的智能手机平台iOS和Android系统出现后，针对AR技术的研究和应用出现了突破性的进展。曾经出现在科幻电影中的情节可能真实地被还原到现实生活中，人们可以在空气中通过手势对智能设备发出指令。

一、增强现实技术

（一）发展趋势

未来的一个时期内社会发展的特征主要由技术发展趋势所决定。美国巴特尔研究所的研究报告中列举了10项最具有战略意义的技术趋势，其中增强现实技术名列第10位。全球知名的咨询公司Gartner在分析行业数据的基础上指出：增强现实技术将在未来五年内进入商用市场，成为主流科技产品的普遍功能。

Gartner公司从1995年起就绘制技术成熟度曲线图用来描绘创新技术所经历的过热期待期、幻觉破灭期和回归现实的过程。通过这种方式分析并指出了这些技术采用的最佳时间和地点，从而获得最大化价值和技术影响力。技术成熟度曲线大致可以分为五个阶段“技术萌芽阶段（Technology Trigger）、期望峰值阶段（Peak of Jnflated Expectations）、泡沫化谷底阶段（Trough of Disillusionment）、稳步攀升阶段（Slope of Enlightenment）、实际生产高峰阶段（Plateau of productivity）（见图1-1 Gartner曲线）。

（二）虚拟现实与增强现实

随着二维交互限制被三维交互打破，人机交互的方式提供了一种自然而直观的交互行为方式，主要的实现技术包括虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）和增强现实技术（AR）。增强现实和虚拟现实同样具有“虚拟-真实连续性”的特征，就是把虚拟环境与真实环境分别作为两端，处于两端中间的区域则被称为“混合实境（Mixed ReaIity）”，靠近真实环境一端的是增强现实，靠近虚拟环境一端的是虚拟现实（图1-2混合实境）。简而言之，混合现实是一种新型的可视化环境，融合了现实世界和虚拟世界两个部分，允许真实存在的物理对象与虚拟的数字对象同时存在并且实时互动。

与增强现实相比较，虚拟现实创造的是一个全新的虚拟世界，而增强现实则通过将真实环境与虚拟环境相结合把人们拉回到真实世界的互动中来，同时在真实世界上辅以虚拟的数字信息，进行数据信息或可视化信息的增强和扩展。AR可以使真实环境与虚拟现实结合，它是以假设性和互动性为基本特征的人机交互系统的高级形态。而VR更专注于沉浸式的特征，促使用户在三维构建的虚拟空间中活动。由于此特征上的差异，从而导致了增强现实与虚拟现实所使用的硬件设备也有所不同：VR采用的头盔显示器具有浸没式的特点（图1-3），而AR采用的头盔显示器具有透视式的特点（图1-4视频透视显示器）。

（三）系统要求

增强现实系统主要由广电现实技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术等创造出一个或数个在现实中并不存在的虚拟对象，并通过三维注册技术将虚拟对象精确地放置在现实环境中，使用户产生一种虚拟与现实融合的感觉，从而无法区分物体是真实还是虚拟的属性。因此增强现实系统可以“将现实带入虚拟，让虚拟增强现实”。虚拟互动系统中的增强现实功能具有两方面的要求：其一，功能性要求，既包括视频捕捉、实物跟踪、虚拟信息、信息现实等；其二，非功能要求，包括可移动性、系统平台需求、用户需求、设备需求和环境需求等。

从软件和硬件角度入手，能满足上述具体功能的设备主要包括：硬件设备，如摄像头、传感器、控制设备、显示器和存储传输设备。其中最关键的设备是显示设备，比如能够使用户直接透过显示屏（或透明镜片）看到真实世界的影像，同时又能提供将虚拟影像投射到显示屏（或透明镜片）上的装置，从而使用户看到由电脑合成好的虚实结合的影像（图1-5）。

一套AR系统包括了计算机辅助系统、视频输入输出转换系统、人机交互系统、动态捕捉系统、视频现实系统和传感系统。这套系统除了符合高质量要求的硬件外，还需要一套与之配合的成熟的软件。只有当软件与硬件系统同时达到要求，并且在实际设计、应用过程中具有丰富的经验，才能设计并产出一套符合用户完美需求的系统。

二、核心技术

虚拟互动系统中的增强现实技术主要包括三方面的核心技术：显示成像技术、跟踪定位注册技术、交互技术。

（一）显示成像技术

增强现实系统中使用的显示器可以分为头盔式显示器和非头盔式显示器。后者包括了DRT平面LCD显示器，投影式显示器（Projection Displays）和手持式显示器（Hand-held Displays）。下面将以目前最新的谷歌眼镜（Google Glass）作为案例来说明头盔显示器的工作原理，并通过iOS应用软件来探讨手持式显示器。

1.谷歌眼镜

特工佩戴着特制的隐形眼镜走入大街，就能够实时扫描并识别人的脸部信息，从而迅速的从人群中发现目标，获取机密（图2-1）。这是在电影《碟中谍4》里面出现的科幻镜头，科学家称这样的设备真实应用将出现在一二十年后。目前谷歌发布的GoogleGlass（谷歌眼镜）已经初步实现了这项功能。谷歌眼镜于2012年4月发布，是一款可穿戴式智能眼镜，其提供了增强现实技术服务。它集成智能手机、GPS、相机于一身，用户可以通过它扩展眼前的实时信息数据，包括眨眨眼拍照上传、处理文字信息、查询天气路况等，同时支持蓝牙功能和智能手机同步（图2-2）。谷歌眼镜代表了未来科技的发展方向，实现了人与机器、现实与虚拟、互联网与人际间交流方式的革新。它的工作原理具有以下特征：

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（1）空间计算

全球知名软件公司Occipital的研究数据表明，相机已经成为采集信息使用率最高的传感器之一，目前受到计算机图形算法和移动智能设备硬件的限制，增强现实技术的潜力还远没有发挥出来。

（2）互动游戏

Kinect是2010年1月4日时微软推出的体感捕捉设备。它成功的将多余的外置设备去除，以全新的方式将体感互动融入到游戏生活中，广泛的进入商用市场。这款设备不仅能识别玩家的身体动作，同时可以辨识语音，成功地使用户的身体成为游戏的控制器（图2-3）。

（3）人脑感知

人脑感知技术与增强现实的结合可以使设备更好的理解用户的行为，比如通过智能方式感知人类的脑电波，从而使用意识控制信息的显示或者根据心情给予生活的建议。这些想法已经不再是酷炫的科学幻想，例如InteraXon（图2-4）就推出了一款通过脑电波来控制窗帘及灯光的“脑电波感应式头带”。

（4）交互提升

运用增强现实技术设计内容和动画，能够有效地降低交互过程中的障碍，从而更好地提升自然的交互过程。

2.iOS应用程序

从iPhone、iPad不断更新的iOS系统中，我们可以看到很多新的应用程序。其中一些正在运用增强现实技术为人们的生活、工作提供便利，而AR技术的应用正在朝着“隐形”方向发展。可穿戴设备的技术发展使我们不再局限于使用4英寸显示器去观察生活，也不用时时刻刻关注手机，而是让设备关注我们。例如：在实体桌子上向一个虚拟篮球筐里投掷虚拟的篮球（图2-5）。Find Your Car在你把车停好之后，使用手机给停车位置加上标签，当你想开车回家的时候，就能够借助Find Your Car快速找到自己的车子（图2-6）。

（二）定位（跟踪、注册）技术

目前从增强现实和移动位置服务结合的发展趋势来看，越来越多的餐馆服务、旅游服务、天气服务等最大的特征就是在屏幕上提供和可见实景相关的信息，并通过获取数据库中的地图信息向用户提供更大距离范围的相关信息。注册的主要目的是使虚拟物体与标识物能够按照设计意图在真实场景中准确显示，同时具有相同的位置信息和状态。目前，定位技术包括全球卫星定位系统GPS、视频监测、光学系统、超声波、磁场、机械装置等。

AR系统通过大量标定测量值来生成精确定位，包括：摄像机参数、视域参数、对象定位及变形参数、传感器偏移参数等。采用的技术包括：摄像机标定、手动AR标定及开发自有的标定绘制器。衡量定位技术的标准主要是：精确性、实时性和操作范围。通常需要的精确度越高，容易导致错误的源就越多。但是随着计算机视觉图像算法和硬件设备的改善，摄像头的信息采集精确度将越来越高，逐渐成为最终要的AR系统传感器和输入设备，这不仅是AR技术的发展趋势，也是整个计算机产业的发展趋势。

（三）交互技术

人机交互指人与计算机之间的对话语言或行为方式，从而完成信息的交换过程。它包含了计算机图形图像学、心理学、人工智能等跨学科的技术。随着传感器、力反馈等硬件设备的发展，科学家对于人类个体差异、体感认知的研究不断发展，人机交互成为了信息产业竞争的关键技术，其设计理念也实现了向“以用户为中心”的转变。在人机交互中的用户界面（User Interface，简称U1）是人机间信息交换和传递是否成功的重要端口，一个用户界面设计的优劣直接影响到人机交互的效果。交互设计的过程包括：“用户研究”、“设计分析”、“原型制作”、“查证评估”四个步骤（图2-7），关键技术包括：头盔式显示器、光学透视式显示器、定位系统和移动计算。

1.用户界面的演变过程（图2-8）

2.以用户为中心

以用户为中心是指设计必须是满足用户需求的、可行的，能够产生商业价值的设计。交互设计之父Alan Cooper提出的以目标为导向的设计，提倡将用户的需求放到第一位。而增强现实技术在虚拟互动中的运用，则可以满足用户的特殊体验要求。用户作为最终的使用者，决定了界面设计的功能与形态，用户在使用过程中的满意度直接决定了交互界面设计的成功与否。

三、虚拟互动设计中的应用

增强现实辅助设计顺应了时代的发展潮流，能够丰富数字时代设计作品的展现方式，并为交互设计带来新的活力。它把‘用户体验”的概念导入到交互设计中，融合了虚拟互动应用的特点和“感官交互”、“行为交互”和“反思交互”设计方法。以用户需求为前提进行技术选择及内容制作，尽可能达到人、机器和环境的自然交互。

1）感官交互：图像、声音等计算机生成的数字信息通过人的视觉、听觉、味觉、触觉等感官层面的感受变化进行互动，产生实时的图像或声音信息的互动交流。

2）行为交互：增强现实中实现的虚拟物体与人在行为上进行互动。但是无论交互实现的多么完美，由于缺少了图像中物体重量、软硬、速度等多角度的感官体验，给人的感觉仍然是“虚拟”的图像。

3）反思交互：通过人的思想直接控制现实世界中展示物的变化，通过增强现实技术实现对人在交互行为过程中精神反思层面信息的捕捉。采用最新的脑机接口（Brain-Computer Interface，简称BCI）技术可以达到用人的意念控制真实物体移动的效果。

比如来自美国的一个三人团队在四周时间内开发了一款名叫Ikea Now的免费应用（图3-1），通过AR让买家具的过程变得更加直观。用户用智能手机打开这款软件时，摄像头就会打开，并呈现现实的画面，在APP里选择一款家具，这个家具的图像就会插入到现实场景中。

（一）界面设计

在增强现实的界面设计中，真实世界将按照设计意图作为背景图层叠加虚拟物体出现，设计人员不仅可以看到显示窗口中的全部元素，同时还要确保所有的元素都放置在准确的位置上。除了能够整合图形软件中计算机生成的信息和设计作品时的真实图像，系统还允许设计人员添加注释、评论和误差等信息。

增强现实系统采用的是基于任务的多通道用户界面模型设计方法，通过整合多个通道的信息来源，使用自然的方式完成界面的操作。系统的层次框架为：交互任务整合器和场景管理器两大部分。交互任务整合器负责将多个通道输入的信息进行转换，形成特定的交互任务。交互设备则包括了鼠标、摄像头和语音设备等，交互设备需要根据具体的交互需求来增加或减少。场景管理器，负责管理场景中的虚拟物体，通过分析交互任务整合器发来的指令，修改场景中虚拟物体的属性，进行相应的计算机算法和语义的反馈。场景管理器负责生成图像和语音信息，并分别交给显示器和语音设备进行处理。

（二）情感设计

随着增强现实技术的不断发展，许多设计奥秘逐步被揭开。正如英国的增强现实设计师James Alliban所说，“人们依靠各种信息被准确无误的添加从而做出决策。”“情感设计”的理念正在当代“以用户为中心”的交互设计中被广泛应用。苹果公司＼前副总裁Don Norman博士在《Emotional Design：Why We love（or Hate）Everyday Things》中倡导设计从实用性到美学的转变，“一个好的有凝聚力的产品开发，应该看上去美观，用起来舒心”，这就是在交互设计中被广泛应用到的情感设计的最好总结。

增强现实的发展与应用 篇5

增强现实AR(augmented reality),是指将计算机生成的虚拟信息融入到真实世界当中,使两者达到有机融合,从而给用户带来更好的沉浸感、体验感。目前,增强现实技术主要应用于数字出版、数字营销、设计仿真、科教研究等方面。移动导览中增强现实技术的应用也成为了一个新的研究热点。

近年来,随着基于位置的服务LBS(location based service)技术越来越成熟,室内定位与导航的运用也给人们的生活、工作带来了很大的便利,但却存在着精度有限、可视性差、人机交互能力低等问题。然而,在新一代移动终端上,基于LBS的增强现实应用却能够为用户提供认知周围环境的功能,帮助用户以全新的视觉感知周围环境,体验传统数字地图导航不能提供的互动感受。本文将Wi Fi室内定位技术和移动增强现实技术相结合,并最终在Android平台上设计了一个基于Wi Fi定位的增强现实室内实时定位导航系统。

1 关键技术概述

1.1 Wi Fi定位技术

Wi Fi技术是目前生活中运用范围最为广泛的一种无线网络通信技术。从部署成本、定位精度、传输速度等方面综合考虑,Wi Fi定位技术在室内定位中具有一定的优势。三角定位法和指纹定位法是目前Wi Fi定位中最常用的两种算法。其中,三角定位法是根据移动终端到至少三个已知参考点之间的距离,利用几何知识计算出目标位置。指纹定位法,须预先训练采集室内不同位置的网格信号特征,并形成指纹库。当用户需要定位时,再将接收到的信号与指纹库中各数据项进行对比,最终计算得出用户位置。

1.2 跟踪注册技术

跟踪注册技术是增强现实系统中的核心技术,其指的是实时地确定摄像机坐标系与真实场景中的标识物坐标系两者之间的关系,并将虚拟物体融入到真实场景对应的位置上。目前,基于传感器的跟踪注册方法和基于视觉的跟踪注册方法是AR技术中最主要的两种跟踪注册方法。而目前应用较多的是基于视觉的跟踪注册方法。其中,基于视觉的跟踪注册方法又可以分为基于标识物的跟踪注册方法和基于自然特征的跟踪注册方法两大类。

1.3 Android AR技术

目前,Android操作系统在智能手机、平板电脑等移动设备上得到了广泛的运用。该系统是一种基于Linux的开放源代码操作系统,其系统架构采用了分层架构的形式,从底层到高层分别是Linux内核层、系统运行库层、应用程序框架层和应用程序层。Android开发四大组件分别是活动、服务、广播接收器和内容提供商。

在Android平台上开发AR应用,需要使用Open GL对虚拟场景进行渲染。Open GL是一个跨平台、跨编程语言的计算机3D图形编程标准规范。应用程序配置好3D图形后,可以转换成Open GL顶点数组,然后经过变换、光照处理、生成原生指令,以及光栅化后,最终产生2D图像。

2 系统总体架构分析

2.1 系统总体设计

本文在Android平台上设计并实现了一个基于Wi Fi定位的增强现实室内导航系统。该系统通过摄像头进行实时拍摄,并对视频流图像进行实事分析。同时通过无线AP和电子罗盘检测手机位置和方向信息,再根据实景图像分析结果和计算出的手机位置、方向信息,将虚拟物体叠加显示在视频画面中,最终实现真实环境中的虚拟定位和导航效果。该系统逻辑构架如图1所示。

2.2 系统功能模块分析

根据系统架构图,可将系统分为以下几个模块,如图2所示。

(1)视频采集模块:实时采集室内环境,形成真实场景帧图像。

(2)定位模块:在室内部署无线AP后,采用指纹定位算法进行定位。首先对室内环境进行训练,建立位置指纹识别数据库,定位时将终端接收到的各AP的信号强度与指纹库中的各数据项进行匹配,从而估计用户位置。利用电子罗盘确定用户方位。

(3)特征检测模块:判断当前所捕获的视频图像与参考室内图像是否为同一室内环境,提取图像中的特征点,试图从中寻找出这两幅图像中映射关系。最后将这两幅图像中对应的特征点关联起来。

(4)跟踪注册模块:获取特征点的三维坐标,建立参考坐标系,计算移动智能终端相对于室内环境物体的位置姿态,根据特定环境实时生成虚拟定位信息和导航信息。

(5)虚实叠加模块:将智能终端所拍摄的室内环境视频流图像与生成的虚拟导航信息进行实时融合,形成增强现实图像。最终在终端屏幕中显示出来,使用户体验到真实室内场景与虚拟信息相融合的感官效果。

3 系统搭建与实现

3.1 开发环境

本系统以ARTool Kit软件开发包为基础,结合Android平台进行开发。开发前需要搭建Android开发环境,安装Android SDK、ADT、JDK和Eclipse。其中,Android SDK为我们提供了创建和运行Android应用程序的集合,ADT是安卓开发工具插件,能够在Eclipse开发工具里开发Android程序。

3.2 主要模块设计

(1)Wi Fi定位模块

采用指纹定位算法确定手机位置信息。定位过程主要分为如下两个阶段:

第一,训练阶段,目的在于建立一个特定室内环境的位置指纹识别数据库。首先,根据定位精度的要求,合理划分环境网格,并确定各AP的合适部署位置,尽量确保每个AP信号能够辐射到所有网格点。然后,分别测量所有网格位置各AP的RSSI值,并将每一位网格位置所对应的AP MAC地址和位置信息存储到数据库中,存储形式为[RSSI1,RSSI2,…,RSSI6,Position]。考虑到室内环境的复杂性,无线信号强度可能不稳定,因此在每个网格点上多次测量后取平均。

第二,定位阶段,用于估计用户位置。建立室内环境指纹数据库后,采用最近邻法(K-NN)将待测点上检测到的各AP的RSSI值与数据库中已存储的记录进行比较和匹配,再计算出位置估计值。具体的位置估计方法如下:

假设某待测点所接收的各AP的RSSI值为rssi=[rssi1,rssi2,…,rssin],指纹数据库中的已存储的记录为RSSIi=[RSSI1,RSSI2,…,RSSINi],其中n表示待测点上检测到的不同的AP数量;Nr为数据库中的记录数,i∈[1,Nr],Ni表示第i条记录中存储的不同AP数,则K-NN算法可以表示成如下形式:

其中,‖rssi-RSSIi‖表示rssi和RSSIi之间的欧式距离。通过此匹配算法找出数据库中对应的记录,从而确定移动终端的位置。

(2)特征检测模块

在移动AR系统中,必须考虑到光照不变性、放射不变性、投影不变性,以及系统交互的实时性,而FAST算法和SURF算法能够分别满足这些要求。基于这一点,提出将FAST与SURF相结合,并优化检测算法,从而满足AR系统的需求。

首先,根据FAST中的角点响应函数,计算出检测点圆周上满足响应函数的像素点个数N,若N>12,则将该检测点加入候选特征点集中。

式中,在以像素点p为中心的圆周上,I(x)表示该圆周上任意一像素点的灰度值,I(p)表示中心像素点p的图像灰度值,εd表示给定的一个极小阈值。

然后,再进一步过滤掉斜边缘上的点,如果在该圆周上存在任意6个像素点以上满足过滤公式,则将该中心点作为角点,过滤公式为:

其中,εd代表对图像检测角点的最小对比度,实验表明,εd一般取10,比例系数a一般取0.15~0.30。

最后将上面得到的角点利用SURF算法计算得到角点的尺度信息。

(3)跟踪注册模块

当定位模块计算出移动终端的位置和方位后,可从预先存储的数据集中确定其周围环境,从而在一定程度上减小了离线室内环境特征库的匹配范围。

通过特征检测模块可建立当前帧与离线环境图之间的匹配特征点集,为了分析基于关键帧的姿态信息,首先需要计算出当前帧与关键帧之间的单应矩阵Hck,具体公式如下:

然后,根据空间物体模型上的三维点齐次坐标(xw,yw,zw,1)与其在图像上的投影齐次坐标(xt,yt,1)的透视投影关系:

求解计算出投影矩阵,即可获得当前帧相对于真实室内环境的绝对姿态:

通过分析视频流中的帧图像,判断当前所捕获的视频图像与所确定的离线图像是否为同一室内环境。提取图像中的特征点,将匹配上的特征点关联起来,其特征检测与跟踪注册流程如图3所示。

4 测试结果及分析

为了验证算法及系统的性能,本文选取学校教学楼场地进行现场实验,分别测试指纹识别算法的室内定位精度、特征点检测效率和移动增强现实导航系统的综合性能。实验中,考虑到Wi Fi信号覆盖范围、信号稳定度以及移动终端设备的摄像头分辨率等因素,AP选用TP-LINK TL-WA850N,其Wi Fi信号在0~20 m覆盖范围内稳定性强,且支持AP、Client、Repeater、Bridge多种无线工作模式。移动终端选择荣耀3C手机进行测试,系统为Android OS 4.2,CPU为联发科MT6582,主屏分辨率为720×1280像素,摄像头像素为800万像素,该移动终端处理性能较好,摄像头分辨率较高。软件部分则采用My SQL建立数据库,利用Eclipse、Java编写信号采集客户端。

4.1 Wi Fi定位精度测试

依据上述的位置指纹识别方法,本研究中部署了6个AP,并设置指纹网格大小为2 m×2 m。训练阶段,依次在各指纹点上多次测量取平均来建立指纹数据库,每个参考点采样次数大于200次。定位阶段,选取了10个网格点进行定位实验,结果如图4所示。

根据实验结果可知,该位置指纹识别算法精度较高,最小定位偏差为0.3 m,最大定位偏差为2.2 m,平均偏差1.1 m。其中有三个测试点的定位偏差均小于0.5 m。该定位算法的精度能够满足本研究中的定位要求。

4.2 特征点检测和跟踪注册测试

为了验证特征检测模块的性能,分别对FAST、SURF和FAST-SURF三种算法进行了室内环境图特征点检测。从图5和表1中可知,FAST-SURF特征检测方法较好地综合了FAST和SURF的优点,拥有较快的特征检测速度和旋转不变性、放射不变性等特征,能够较好地满足移动增强现实系统的需求。

针对跟踪注册的精度测试,采用图像特征点反投影的方式,根据离线室内环境帧的特征提取结果。计算出投影矩阵,并实时提取当前室内帧的特征点,将其反投影到真实环境中,结果如图6所示。

4.3 系统综合测试

当安装并打开本应用程序后,手机摄像头自动进入实景拍摄。选择定位功能,将手机摄像头对准室内进行拍摄,当前场景中的房间号码就叠加到真实场景中(如图7所示)。选择导航功能时,选择目的地为403室,则在手机屏幕上出现导航路线箭头,指示403室所在位置(如图8所示)。

在系统实时性方面,由表2可知,主要时间消耗在SURF描述器对特征向量的计算及摄像机姿势更新。总体来说,该AR室内导航系统实时性较好,能较快地完成移动终端的定位、室内环境的跟踪注册以及虚实物体的叠加等功能。

5 结语

针对目前室内导航交互性较差的特点,利用Wi Fi定位技术和移动增强现实技术,设计实现一个移动AR室内向导系统。通过虚实融合,形成实时导航信息,在一定程度上解决了目前室内导航存在精度有限、可视性差、人机交互能力低等问题。然而,在实际生活中,必须考虑到室内环境的复杂性、硬件成本的限制等因素,因此,进一步研究适应范围广、定位精度高、稳定性好的智能终端增强现实导航系统是我们下一阶段的重点。

摘要：针对传统的数字地图室内导航精度不高、直观性差、交互性较弱,提出将Wi Fi定位和视觉识别相结合的室内向导策略。利用Wi Fi指纹识别定位算法确定手机在室内的位置,电子罗盘获取手机的方向,结合FAST-SURF视觉识别方法检测场景特征点,并在Android平台上设计并实现一个AR室内向导系统。实验表明,室内定位精度提高至1.1 m,跟踪匹配精度高,系统实时性好、定位导航精准。因此,该AR室内向导系统对于室内定位的精度和实时虚实融合都有较好的效果,不仅具有较强的可用性和实用性,还具有广泛的应用前景。

关键词：WiFi定位,增强现实,室内向导,Android平台

参考文献

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增强现实的发展与应用 篇6

由Terrance E.Boult提出的远程现实(Remote Reality,RR)具有重要的应用前景,它由全景摄像机、视频采集/传输系统、遥控车、头盔显示器等组成[1,2,3]。远程现实系统通过全景成像和头盔显示器提供一个沉浸式的远程环境,让用户具有身临其境的感觉,并且用户利用头盔中的姿态跟踪器可以在全景摄像机的半球形视野中自然地环顾。因此远程现实提供了直观的视频界面,具有不需要对环境“建立模型”的重要优点,但是与传统的虚拟现实相比,远程现实中的人机交互较少、信息单一。文献[4-5]把远程现实用于无人直升机遥控当中,用覆盖的文字和图标信息对图像界面进行“增强”,提高了情景意识、增加了多种辅助信息。

本文设计了基于移动机器人的远程现实系统,辅助机器人遥操作,以进行危险环境中的监控、探测等任务。然而,远程移动机器人的遥操作系统面临的主要问题是落后的人机交互技术。主要表现在以下几个方面:

1)全景图像中心的摄像头投影遮挡了机器人,对视觉效果产生很大影响;在展开图像中只能看到机器人的前端部分,并有很大变形,使得操作人员无法观察到机器人的整体位置。

2)只有单一的视频图像界面,操作人员难以准确获得移动机器人的各种状态信息,如机器人的方向、运动速度等。

3)基地控制站和远程机器人之间的通讯大时延的影响,操作信号和视觉信号容易失去因果联系,从而造成误操作。

近年来兴起的增强现实(Augmented Reality,AR)技术则可以很好地解决上述问题,而其中的关键之一是对虚拟物体进行准确注册。文献[6]提出了一种基于视觉的增强现实三维注册算法,但该算法仅适用于普通摄像机。本文根据三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中的注册算法。将增强现实技术应用到远程现实系统中,把两者有机结合起来组成增强远程现实(Augmented Remote Reality,ARR),应用于展开的图像界面当中,从而改善了人机控制界面的视觉感官效果、增加了辅助信息、提高了人机交互能力。

2 系统总体结构

实验中的移动机器人如图1所示,车载控制系统基于PC104而设计,结合全景摄像机组成远程现实系统,其总体结构如图2所示。基地操作端系统分为:人机交互、图形生成、视频融合、图像显示、无线通讯等功能模块;远程机器人端分为:全景视频信息采集、测距与电机控制、无线通讯等功能模块。全景摄像机固定在机器人的顶部,对周围360°范围的场景进行采集。遥控计算机和PC104之间通过无线局域网(802.11b/g)进行通信。

在操作端,操作者通过键盘、鼠标等人机交互设备发出命令,这些控制命令一方面通过通讯环节送往远端的机器人系统,另一方面直接控制交互界面中的虚拟机器人系统,通过预测仿真系统可以看到实时的操作结果。通过无线通讯,现场的视频图像信息、机器人的运动状态信息都可以反馈到操作端。操作者可以根据需要选择传送全局视频图像还是局部的视频图像。视频图像有两个用处,一是给操作者提供监控信息,二是用来和虚拟仿真模型进行融合。

3 全景成像中增强现实的注册算法

全景成像技术利用光学的反射原理来扩大视觉系统的视野,只用一台摄像机就可观察到机器人周围360°内的全景环境[7]。文献[6]提出了一种基于计算机视觉的增强现实三维注册算法,但该算法是基于普通摄像机的,并不适用于全景摄像机。

3.1 增强现实的三维注册原理

为了说明三维注册算法的原理,这里采用4个坐标系统来进行描述,如图3所示,xwywzw是绝对空间坐标系(真实空间坐标系);xmymzm表示虚拟空间坐标系,此坐标系用来对所添加的虚拟物体进行几何描述;xyz表示观察空间坐标系(摄像机坐标系);uv是一个二维坐标系,表示投影图像平面坐标系,此坐标系的oz轴与观察者视线方向重合。

由于所需要添加的虚拟物体在真实空间坐标系中的方位是由系统要完成的功能所决定的,即虚拟空间坐标系xmymzm与真实空间坐标系xwywzw的关系是已知的,所以虚拟空间坐标系xmymzm中三维虚拟物体的几何描述(xm,ym,zm)可以变换为真实空间坐标系xwywzw中的几何描述(xw,yw,zw):

上式中A是两个坐标系之间已知的变换知阵。

如果能够求出真实空间坐标系xwywzw与观察空间坐标系xyz之间的变换矩阵B,就可以将虚拟物体坐标系中三维虚拟物体的几何描述(xm,ym,zm)变换为观察空间坐标系中的几何描述(x,y,z):

此时,再将观察空间坐标系中的虚拟物体投影到图像平面坐标系uv中,就完成了增强现实系统的三维注册。

3.2 双曲面全景成像中三维虚拟物体的注册

完成了虚拟空间坐标系xmymzm到观察空间坐标系xyz的转换后,下一步就是将虚拟物体投影到像平面坐标系中。如图4所示,由于双曲面为旋转对称结构,只须在二维空间以虚拟相机投影中心F′为原点建立直角坐标系,双曲面反射镜的面形公式为[8]

在极坐标系中:

双曲面面形公式为

虚拟物体上的一点O在观察空间坐标系(xyzF′)中的坐标为(xO,yO,zO),虚拟物体的投影注册就是要先计算出O点在像平面坐标系中的坐标Q(tQ,zQ),即求Q(xQ,yQ)。

空间物点O的直角坐标为(tO,zO),入射光线OP与竖直方向的夹角为θ=arctan(tO/zO),由式(5)得到该光线与双曲面的交点P坐标ρ。代入式(4)得到P点的直角坐标(tP,zP),又摄像头投影中心F的坐标为(0,2c),设反射光线与竖直方向夹角为β,其正切为

将式(5)代入并整理得到

在实际像平面内,光线的落点为Q,其横坐标为

在三维空间,入射光线和反射光线具有相等的方位角。将入射、反射光线投影到成像平面内(见图5),物点O的投影点O′坐标为(xO,yO),像点Q坐标为(xQ,yQ):

所以已知物点O的观察空间坐标系中的坐标(xO,yO,zO),由式(7)~(11)可以确定像点Q的坐标(xQ,yQ)。这样,就完成了对虚拟物体的注册。

3.3 三维注册的实验结果

图6是远程现实中的一个全景图像,可以看出,中心的摄像头遮挡了机器人,对视觉效果产生很大影响。因此,采用3DS MAX和Open GL技术构造一个虚拟的移动机器人(如图7所示),然后在机器人上取几个标志点,根据标志点在摄像机观察空间中的位置,利用上一节推导的三维注册算法对虚拟移动机人在全景图像中进行注册,其结果如图8所示。

从图8可以看出真实的视频和虚拟的三维机器人的融合效果比较令人满意,两者之间能正确对位。经AR注册后明显改善了视觉效果,基本消除了中间的摄像头投影;通过将现场返回的视频图像和预测的虚拟模型进行动态的融合,还可以克服时延的影响,提高操作的精度和效率。

4 基于增强远程现实的人机界面

图8所示的环形图不太符合人的观察习惯,所以直接以图8为人机交互界面并不合适,需要把全方位图像按360º展开,恢复成一个矩形柱面全景图像。展开目的有两个:一是提供更加直观的人机交互界面,二是为了后续图像处理中一些算法能够正确、方便的应用。本文使用一种快速的近似展开算法[9],如图9所示,设圆形图的圆心O坐标为(x0,y0),展开的矩形图左下角原点坐标O1(0,0),矩形图中任意一点P(x,y)所对应的点在圆形图中的坐标为(x1,y1),展开后的右图的宽度等于左图中虚线所示的圆的周长。下面我们需要求的是(x,y)和(x1,y1)的对应关系。根据几何关系可以得到如下公式:

利用式(12)~(15)对图6进行展开,其结果如图10所示。然后再结合增强现实技术,组成增强远程现实(Augmented Remote Reality,ARR),应用于展开的图像界面当中,并利用图像拼接技术提供机器人周围的虚拟背景。此外,在界面中还叠加了一些文字和图标信息,如机器人的东南西北方向、运动速度、行走里程等基本的导航与控制信息,其中的矩形框为对前方运动目标的锁定位置。采用增强远程现实获得的屏幕场景效果图如图11所示,与图10相比,明显改善了人机控制界面的视觉感官效果、提高了人机交互能力、增加了信息量。

5 结论

采用移动机器人作为远程现实技术的新载体,将增强现实技术与远程现实系统相结合,开发研制了基于移动机器人的增强远程现实系统。本文根据三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中基于视觉的三维注册算法,其实验效果表明,在全景视觉中实现增强现实系统是完全可行的。为了提供更加直观的人机交互界面,我们把增强远程现实应用于全景视觉的展开图像中,从而改善了人机控制界面的视觉感官效果、提高了人机交互能力、增加了信息量。增强现实技术在远程现实上的开发和应用不仅拓宽了增强现实技术的应用领域和范围,而且为远程现实的功能扩展提供了崭新方向。两者结合组成的增强远程现实系统能够在机器人摇操作、智能监控、危险环境中的监视与探测、以及无人车和无人机导航等军事领域中得到广泛的应用。

摘要：设计了基于移动机器人的远程现实系统,辅助机器人遥操作。为提高人机交互能力,把增强现实技术应用到远程现实当中,根据增强现实中三维注册的原理,推导了双曲面全景成像中基于视觉的注册算法,实现了三维虚拟机器人在全景图像中的注册定位。为了提供更加直观的人机交互界面,采用一种快速算法把圆形全景图进行近似的柱面展开,并将“增强远程现实”应用于展开的图像界面中。实验结果表明,增强远程现实改善了场景的视觉感官效果、增加了辅助信息、提高了人机交互能力。

关键词：移动机器人,增强现实,远程现实,全景图像,三维注册

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增强现实技术在传统行业中的应用 篇7

近年来,增强现实(Augmented Reality,AR)作为一项引人注目的新兴技术,模糊了现实与电脑虚拟环境的界线,为博物馆和动物园的交互设计和观众体验带来新的契机。增强现实独特的实时交互特点,以及将环境与信息融合后反馈给观众,都符合传播知识、引发兴趣、激起好奇的教育心理学要求,把教育普及与娱乐休闲有机结合起来。虚拟与现实的结合增加了展览的参与性和趣味性,帮助景点策展人开阔思路。增强现实的成本相对比较低,只要用摄像头取景即可获得信息,让人-机-环境更好地融合为一体。随着增强现实技术和移动终端发展的结合,博物馆等传统行业将实现网络化。虚实结合、高度交互性以及三维定位功能,将极大程度地调动观众参与热情,增加对历史和科学的认识,还原互联网的真实感,让景点和观众的联系更加密切。

2 市场分析

随着现代科技的发展,人们不满足于传统的旅游方式。近年来,我国政府将推广博物馆、动物园一类的旅游景点发展多次写进相关的政策文件中。所以,笔者把平台的目标用户定为参观博物馆及动物园的游客或旅游团体,产品的目标用户定为所有移动智能设备的持有者以及有订制需求的旅游单位。

3 应用软件设计

3.1 产品简介

笔者设计的产品以智能手机为核心,使用开源的Easy AR引擎,通过手机摄像头捕捉游客眼前的景象,即可在手机屏幕上实时叠加一层生动的景物介绍信息。让智能手机成为游客的虚拟讲解员。结合应用内置的景点内导航功能,游客可以自由地在景区内游玩而不至于迷失,极大提高了游览效率。当游客遇到美好的景象想与家人或朋友分享时,APP提供的增强现实相机,可以拍摄出叠加了游览信息的照片,让远方的亲友也能感受到游览的欢乐。该产品势必将极大提升游客的游览体验,使博物馆、动物园、历史名胜等各类景区能够兴盛起来。

3.2 产品体系结构

本产品采用了主从式架构(即C/S结构),将客服端(Client)与服务端(Serve)区分开。客户端程序由JAVA编写,采用Java EE技术,服务端由用户数据库、AR资源数据库、导航地图数据库三部分组成,数据库类型采用Oracle公司的My SQL数据库。客户端程序通过HTTP协议向服务端发送请求,从而获取服务端的数据资源,再利用服务端的资源在客户端实现室内导航和AR效果,最终呈现给用户。产品架构图如图1所示,AR技术实现流程图如图2所示。

3.3 产品要求

(1)硬件要求:普通PC机(作为应用平台服务器,主要提供数据库服务以及响应客户端请求),Android手机(Android程序客户端)。

(2)软件要求:普通PC安装Windows操作系统、My SQL数据库、Tomcat服务器。

(3)网络要求:支持TCP/IP的网络环境,服务器应有确定的IP地址。

4 盈利模式分析

本软件是集智能化、电子化、信息化等尖端科技,以室内导航、现实增强技术为核心手段,以提升景点观光体验为目的,为博物馆、动物园游客量身定制的旅游互动软件。通过向APP广告商、通信运营商以及合作机构收取不同比例费用的商业模式形成盈利。主要盈利点表现为以下两方面。

4.1 APP广告招商收取一定的广告费用

由于客户端使用人群的社会角色、年龄、位置的确定性,使得广告投放更有针对性,转化率更高,对广告商的吸引力也就越大。本项目广告主要以公益类广告为主。

4.2 向合作商收取少量服务费

本项目中添加了竞价排行,当用户使用软件的推介功能时,系统将优先推广合作商的服务。

5 结语

随着智能手机等移动终端设备的普及,人们逐渐习惯了使用APP客户端上网的方式,而且各大电商平台向移动APP的倾斜十分明显,这主要是由于手机移动终端的便捷性,为企业积累了很多用户,更有一些用户体验不错的APP使得用户的忠诚度、活跃度都得到了很大程度的提升。本研究主要解决博物馆和动物园游客体验低、互动差的问题,让游客对这一类景区重新燃起游玩欲望。其次,该软件也有助于学习历史文化,弘扬环保理念。最后,利用该软件的互联网+优势,将带动整个旅游业向现代化方向发展。

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[4]张海藩,牟永敏.软件工程导论(第六版)[M].北京:清华大学出版社,2013.

增强现实的发展与应用 篇8

近年来, 智能移动设备 (Smart Mobile Device) 得到了长足发展, 具有强大功能的智能手机成为平常人随身之物。除具备通话功能外, 智能手机还具备了个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器、GPS和电子邮件功能等, 这些功能软硬件方面的发展密不可分。硬件方面, 处理速度、存储容量、无线网络等能满足较大程序运行的要求;软件方面, Android、MacOS、Symbian、Blackberry等手机客户端开发平台的推出和java、Objective-C、C#等编程语言提供了软件基础, 因此针对智能手机的功能开发系统大量涌现。移动增强现实技术在虚拟现实技术基础上借助计算机和可视化技术, 将虚拟的信息应用到真实世界, 通过手机或其他移动多媒体终端呈现于用户, 使用户获得一个真实的环境和虚拟的物体实时地叠加的画面。下面将分析基于智能手机的增强现实典型应用系统, 展望未来发展面临的挑战和方向。

1 基于智能手机的增强现实应用系统

目前, 基于智能手机的增强现实应用领域已涉及室内室外导航、互动游戏、工件装配和场景布置、物体内部结构检测以及旅游指南信息更新等范围。典型系统有:

1.1 导航系统

第一个移动增强现实系统由哥伦比亚大学[1]于1997年开发, 用于导航。MARA系统[2]是一个成熟的城市导游系统, 有两种模式供用户自我导游: (1) 移动设备水平放置时, 用户能看到航拍模式下自己所处的位置; (2) 移动设备近乎垂直放置时, 用户能看到周围的建筑物和街道及其相关信息。文献[3]介绍了一个室内导航系统 (图1) , 用户可通过屏幕上显示的虚拟导航信息明确前方的路口通向哪个房间, 还可以知道目前视野中的房间是否有人等信息。

博物馆导览系统是另一个导航领域。其工作原理 (图2) 是:在博物馆范围内均匀布置一些蓝牙发射器, 当用户接近某一展品时, 用户所持移动设备会收到蓝牙信号, 由此估计出用户大概位置。Alex[4]提出了LightSense系统, 用户面对固定在玻璃板上的可以透射的平面地图, 玻璃板后面是灯光传感器或者定位摄像机, 通过固定在智能移动设备背面的LED灯及环境中的灯光传感器来跟踪移动设备的空间位置。

1.2 游戏系统

互动游戏是一个很重要的应用领域, 包括室内和室外游戏。ARQuake系统2000年开发, 把PC机上玩的游戏Quake结合增强现实技术后用于智能移动设备, 可让位于全球不同地点的玩家, 共同进入一个真实的自然场景, 以虚拟替身的形式, 进行网络对战。其后还有新加坡国立大学开发的Human Pacman游戏等。能在智能手机上运行的增强现实游戏开发较晚, Daniel W.博士[5]在i-mate SP5手机上可显示增强动画, 实现室内游戏操作。增强现实颠球游戏ARSoccer是2010年在iPhone上开发出的简单游戏, 手机屏幕上会渲染生成一个虚拟的足球, 用户将手机保持腰间高度, 把摄像头对准脚即可颠球[6]。Henrysson等[7]将ARToolKit移植于Nokia 6600中开发出交互式乒乓球游戏系统。

1.3 图文识别系统

基于智能手机的AR技术可以检测到有关文字, 叠加相应的增强信息。文献[8]使用该技术对旅游指南上的感兴趣文字进行识别 (图3) , 在相应位置显示出与文字内容相关的最新信息, 以应用到旅游指南信息更新中。还可基于自然图像的识别进行, 比如, 用户可拿手机对着户外广告看到互动内容 (视频、相关网络信息) 。很多杂志都希望平面杂志图片能连到AR上, 变成更丰富的互动内容。除此之外, 增强现实系统在工业、军事、医学等领域也有重要应用。比如:工程技术人员在进行机械安装、维修、调式时, 通过头盔显示器, 可将原来不能呈现的机器内部结构及相关信息、数据呈现出来, 以按照电脑提示进行工作。但由于智能手机硬件能力的限制, 这类系统在手机上运行效果较差。

2 发展面临的挑战

增强现实通过电脑技术, 将虚拟的信息应用到真实世界, 这样使得真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间, 提供了在一般情况下不同于人类可以感知的信息。智能手机在便携性、移动性、人机交互性等方面具有很强的优势, 其具有的显示、计算、存储能力和嵌入式操作系统方便开发和扩展。可以说, 在智能手机上进行的增强现实技术具有十分广阔的应用前景和发展空间。

但目前该领域在应用上的确存在一定限制, 功能仍较为简单, 发展需面临诸多挑战:较低的图像分辨率、较小的屏幕、较低的图形处理能力、有限的存储空间、缺少浮点运算单元以及低端的处理器等。虽然可以选择在服务器上进行所有算法的处理, 但是无线网络的延时、较窄的带宽使得难以达到实时的应用需求。因此智能手机硬件的发展滞后一定程度上阻碍了技术发展。另外, 智能手机对于电池的依赖也是一个影响因素。

3 总结和展望

由于智能手机软硬件的发展相对落后, 在此基础上的增强现实技术处于发展初期, 发展空间很大, 主要表现为:

(1) 目前的移动增强现实系统都是将已有的基于PC平台开发的算法移植到移动设备上进行, 属于被动的开发, 如何优化已有的算法以及开发出对存储空间和处理能力要求更低的算法将是下一步发展的主要方向。 (2) 开发可以直接在智能移动设备上进行的增强现实算法, 以增强系统对软硬件平台的适应能力、保障算法性能。 (3) 可借鉴基于PC机的多用户游戏开发较大范围上的多用户系统。

摘要：近年来, 基于智能移动手机的增强现实应用系统不断涌现。通过介绍已有系统, 本文力图发掘该领域的研究进展, 总结进一步发展该技术所面临的挑战并展望未来发展方向。

关键词：增强现实,虚拟现实,智能手机

参考文献

[1]Scott-Young S.Seeing the road ahead:Gps-augmentedreality aids drivers[J].GPS World, 2003, 14 (11) .

[2]Markus Khri, D.J.M.MARA-Sensor Based AugmentedReality System for Mobile Imaging[C].ISMAR 06.2006.SantaBarbara, CA.

[3]Harlan Hile, G.B.Information Overlay for Camera Phones inIndoor Environments[J].Lecture Notes in Computer Science, 2007, (4718) :pp 68-84.

[4]Olwal, A.LightSense:Enabling spatially aware handheldinteraction devices[C].IEEE/ACM International Symposium onMixed and Augmented Reality.2006.Santa Barbara, CA.

[5]Wagner D, Schmalstieg D.Artoolkitplus for pose tracking onmobile devices[C].Proceedings of 12th Computer Vision WinterWorkshop (CVWW'07) .2007:139-146.

[6]孙源, 陈靖.智能手机的移动增强现实技术研究[J].计算机科学, 2012, (39) 6A:493-498.

[7]Henrysson, A., M.Billinghurst, M.Ollila.Face to facecollaborative AR on mobile phones[C].in 4th IEEE/ACMInternational Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR2005) .2005.Vienna, AUSTRIA.

地基增强系统的发展与应用 篇9

目前, 我国军机使用的着陆设备主要为微波着陆系统, 维护维修成本高, 而且需要进行定期校飞。民机使用的主要着陆设备为仪表着陆系统, 它的信号受场地影响较大, 目前只具有I类的着陆引导能力, 所有飞机必须按照飞行程序规定的单一下滑道实现着陆。随着全球卫星导航技术的广泛应用, GBAS系统已越来越受到各国民航空管系统的重视, 它不受地形的限制, 使飞机采取连续下降进近的运行方式, 达到I类或更高的精密进近和引导着陆。我国民航计划在未来20年内, 实现陆基着陆系统向星基着陆系统的过渡。

1 GBAS着陆系统介绍

1.1 基本组成及功能

GBAS的系统结构主要是由三部分组成:卫星系统部分、地面系统部分、机载系统部分。

GPS/GBAS三个主要部分分别是:

卫星系统部分, 用于产生目标测距信号。

地面系统部分, 提供地面固定站的差分修正信息和其它相关信息的VDB信号。

机载系统部分, 包含接收和处理卫星定位信号和修正信号的机载设备, 用于计算并输出位置的解, 以及相对于参考路径的偏离值, 并适时通告。

卫星系统部分是为飞机机载设备和地面系统提供所需的测距信号的, 地面系统部分根据接收到的信号和自身位置信息生成差分修正信息、完好性信息以及其他相关数据, 包括为进近的飞机进行导航的三维几何路径, 形成无限延伸的一条直线作为最终的进近路径, 数据通过通信设备传到机载系统。

机载系统使用卫星信号计算差分修正位置估计值, 并产生相对于最终进近路径的偏差信号, 且偏差与当前仪表着陆系统接收机提供的偏差相兼容。机载系统还可提供系统性能适时通告, 和输出有完好性信息的位置、速度和时间。

1.2 GBAS着陆系统的优势

1.2.1 提高机场和终端区容量

GBAS着陆系统的应用将充分缩小飞机的纵向和侧向间隔, 提高机场和终端区容量。

1.2.2 优化飞行程序, 提高运行效率

GBAS着陆系统的使用将大大提高飞行运行效率。

1.2.3 可多跑道覆盖, 降低机场着陆引导设备成本

与陆基导航着陆系统相比, GBAS系统能够实现多跑道覆盖, 可降低机场着陆引导设备的成本。

1.2.4 解决地形复杂地区或高原机场进近着陆引导问题

不少机场需要建在在无人区和地形复杂的地区, 因此陆基导航设备会存在建设, 维护困难的问题, 因此在这些地区, 只能采用效率极低的进场程序。GBAS着陆系统的应用将解决这些机场的进近和着陆引导问题。

2 机场GBAS系统建设方案

通过对某机场业务和需求的综合考虑, 建设的GBAS系统由三部分组成:GBAS地面系统、GBAS机载接收机、GBAS监测系统。

3 某机场GBAS系统应用构想

3.1 GBAS的类ILS进近飞行

ILS是在跑道中心延长线一定角度范围内利用电磁波信号向空中建立一个狭窄的“通道”, 飞机ILS机载接收设备通过接收该电磁信号, 确定其与跑道中心线的相对位置, 若飞机在该“通道”中央飞行, 则表示飞机沿正确方向接近跑道, 并平稳地下降高度, 可以安全进近并着陆。

GBAS进近飞行就是将GBAS作为进近引导的主用导航系统, 而将目前广泛使用的仪表着陆系统 (Instrument Landing System, ILS) 作为备用导航系统, 实施进近飞行。

3.2 GBAS连续下降进近

目前的进近着陆系统不够精确, 飞机锁定跑道、缓慢下降的过程中, 飞行员必须给飞机留有余地。未来安装GBAS着陆系统后, 飞机可以通过GBAS提供的精确定位和进近信息运行, 不必留更多的余地, 可以缩短进近距离和时间, 节约成本, 减少开支。

3.3 GBAS用于定位的性能分析与应用

使用GBAS系统给机载用户进行定位服务。分析其定位服务保护级, 并将其定位结果和雷达定位结果相比较。

3.4 GBAS测量值误差的精确估计

通过大地估计误差会损失系统的连续性和可用性;过小地估计误差会损失系统的完好性。GBAS系统具有自我修正误差的能力, 在不断的飞行保障中, 利用GPS差分技术, 系统能够将飞机进近路径的误差降至最低。

4 结束语

GBAS地基增强系统的应用可以大大降低飞机对地面无线电导航设备的依赖, 利用飞机现代化的机载导航设备及GBAS系统引导飞机着陆, 使飞机沿着精准定位的航迹飞行, , 即使地面设备故障, 也能安全精确地着陆, GBAS系统的使用将会极大提升飞行安全, 减少由天气原因而造成的复飞和返航。GBAS地基增强系统的建立可以提高飞机的定位精度, 减少飞行间隔, 降低飞行时间, 增加飞行密度, 提高飞行运输及着陆能力。

摘要：随着卫星导航系统的快速发展, 以及陆基导航的固有缺陷, 空中交通管理系统将逐步从陆基导航系统向星基导航系统过渡, 地基增强系统 (GBAS) 应运而生, 本文介绍GBAS系统的发展、基本组成及功能, 设计了某机场建设GBAS系统的建设方案, 并对未来GBAS系统在该机场的应用进行描述和分析。