科學技術的發(fā)展拓展了人類感知的深度與廣度，增強了人類對世界的認知能力。高速的數據流使信息的傳遞與獲取前所未有的便捷，虛實融合技術的出現，開創(chuàng)了人類認知領域新的維度，推動著信息獲取向更高效、直觀、更具真實感的方向發(fā)展。

1.1 增強現實技術概述
增強現實技術是一種將虛擬信息與真實世界融合展示的技術，其廣泛運用了人工智能、三維建模、實時跟蹤注冊、虛實融合、智能交互、傳感計算等多種技術手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音頻、視頻、動畫等虛擬信息模擬仿真后，應用到真實世界中。增強實現技術同時考慮了真實世界與虛擬信息的相互關系，虛實信息互為補充，從而實現對真實世界的增強。

1.1.1 AR概述
VR、AR、XR、MR這些英文術語縮寫有時讓初學者感到困惑。VR是Virtual Reality的縮寫，即虛擬現實，是一種能夠創(chuàng)建和體驗純虛擬世界的計算機仿真技術，它利用計算機生成交互式的全數字三維視場，能夠營造全虛擬的環(huán)境。AR是Augmented Reality的縮寫，即增強現實，是采用以計算機為核心的現代科技手段將生成的文字、圖像、視頻、3D模型、動畫等虛擬信息以視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等生理感覺融合疊加至真實場景中，從而對使用者感知到的真實世界進行增強的技術。VR是創(chuàng)建完全數字化的世界，隔離真實與虛擬，AR則是對真實世界的增強，融合了真實與虛擬。近年來，VR與AR技術快速發(fā)展，應用越來越廣，并且相互關聯、相互促進，很多時候會被統稱為XR。

MR是Mixed Reality的縮寫，即混合現實，是融合真實和虛擬世界的技術，混合現實概念由微軟公司提出，強調物理實體和數字對象共存并實時相互作用，如虛實遮擋、反射等。相對而言，AR強調的是對真實世界的增強，MR則更強調虛實的融合，但AR與MR區(qū)分并不明顯，隨著技術的發(fā)展，AR也能夠實現環(huán)境遮擋、人形遮擋、場景深度等等。

本系列我們主要關注AR技術，并將詳細講述如何利用AREngine技術開發(fā)構建移動端AR應用，AR虛實融合效果如圖1-1所示。

圖1-1 AR技術是將虛擬信息疊加在真實環(huán)境之上從而達到增強現實的目的

早在1901年，作家L. Frank Baum就提出將電子數據疊加在實現之上產生虛擬與實現混合的思想，當時他把這種技術稱之為“字符標識”，這是有記載最早的虛擬現實設想，但是，受之于當時的軟硬件技術及整體科技水平，也只能是一種設想。第一個為用戶提供沉浸式增強現實體驗功能的AR系統在20世紀90年代初出現，其虛擬裝置及系統于1992年在美國空軍阿姆斯特朗實驗室開發(fā)。在AR技術萌芽后，經過無數代人的努力，最早將AR技術帶到普通大眾視野的是Google公司的Google Glass增強現實眼鏡，雖然Google Glass項目進展并不順利，但它給整個AR行業(yè)帶來了生機和活力，AR研究及應用由此進入到蓬勃發(fā)展時期，微軟HoloLens、Magic Leap、太若nReal相繼推出眼鏡產品。特別是2017年Apple公司的ARKit、Google公司的ARCore SDK，以及華為公司的AREngine SDK的推出，把AR從專門的硬件中剝離了出來，使得普通手機也可以體驗到AR帶來的奇妙感受，由此，AR越來越受到各大公司的重視，技術也是日新月異，百花齊放。

增強現實顧名思義是對現實世界環(huán)境的一種增強，在這種環(huán)境中，現實世界中的物體被計算機生成的文字、圖像、視頻、3D模型、動畫等虛擬信息“增強”，甚至可以跨越視覺、聽覺、觸覺、體感和嗅覺等多種感官模式。疊加的虛擬信息可以是建設性的（即對現實環(huán)境的附加），也可以是破壞性的（即對現實環(huán)境的掩蔽），并與現實世界無縫的交織在一起，讓人產生身臨其境、真假難辨的感觀體驗，分不清虛實。通過這種方式，增強現實可以改變用戶對真實世界環(huán)境的持續(xù)感知，這與虛擬現實將虛實隔離，用虛擬環(huán)境完全取代用戶真實世界環(huán)境完全不一樣。

增強現實的主要價值在于它將數字世界帶入到個人對現實世界的感知中，而不是簡單的數據顯示，通過與被視為環(huán)境自然部分的沉浸式集成來實現對現實的增強。借助先進的AR技術（例如計算機視覺和物體識別），用戶周圍的真實世界變得可交互和可操作。簡而言之，AR就是將虛擬信息放在現實中展現，并且讓用戶和虛擬信息進行互動，AR通過環(huán)境理解、注冊等技術手段將現實與虛擬信息進行無縫對接，將在現實中不存在的事物構建在與真實環(huán)境一致的同一個三維場景中予以展現、銜接融合。

增強現實技術的發(fā)展將改變我們觀察世界的方式，想像用戶行走或者驅車行駛在路上，通過增強現實顯示器（AR眼鏡或者全透明檔風玻璃顯示器），信息化圖像將出現在用戶的視野之內（如路標、導航、提示），這些增強信息將實時更新，并且所播放的聲音與用戶所看到的場景保持同步，從而引發(fā)人類對世界認知方式的變革。

1.1.2 AR技術
AR技術是一門交叉綜合技術，其涉及到數學、物理、工程、信息技術、計算機技術等多領域的知識，相關專業(yè)術語、概念也非常多，其中最重要的概念術語主要有以下一些。

1.硬件
??硬件是AR的物質基礎，增強現實需要的硬件主要包括處理器、顯示器、傳感器和輸入設備。有些需要一些特殊的硬件，如深度傳感器、眼鏡、LiDAR，通常這類AR設備價格昂貴，有些則不需要專門的硬件，普通的移動終端如智能手機和平板電腦就能滿足要求，它們也通常包括RGB相機和MEMS傳感器（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統），如加速度計、陀螺儀和固態(tài)電子羅盤等。

2.顯示
??在增強現實中疊加的虛擬信息需要借助顯示設備以便反饋到人腦中去，這些顯示設備包括光學投影系統、顯示器、手持設備和佩戴在人體上的顯示系統。頭顯（Head Mounted Display，HMD）是一種佩戴在前額上的顯示裝置。HMD將物理世界和虛擬物體的圖像放置在用戶的眼球視場上，現代HMD經常使用傳感器進行6自由度監(jiān)控，允許系統將虛擬信息與物理世界對齊，并根據用戶頭部運動相應地調整虛擬信息；眼鏡是另一種常見的AR顯示設備，眼鏡相對更便攜也更輕巧；移動終端如手機屏幕也是AR常見顯示設備。

3.眼鏡
??眼鏡（Glassess）這里特指類似近視眼鏡的AR顯示器，但它遠比近視眼鏡復雜，它使用RGB相機采集真實環(huán)境場景，通過處理器對環(huán)境進行跟蹤并疊加虛擬信息，并將增強的虛擬信息投射在目鏡上。

4.HUD
??抬頭顯示器（Head Up Display，HUD）是一種透明的顯示器，顯示數據而不需要用戶遠離觀點。HUD是增強現實技術的先驅技術，在20世紀50年代首次為飛行員開發(fā)，將簡單的飛行數據投射到他們的視線中，從而讓他們保持“抬頭”而不用看儀器設備。因為HUD可以顯示數據、信息和圖像，同時允許用戶查看真實世界，也是一種AR顯示設備。

5.SAR
??空間增強現實（Spatial Augmented Reality，SAR）利用數字投影儀在物理對象上顯示圖形信息，SAR系統的虛擬內容直接投影在現實世界中。任何物理表面，如墻體、桌面、泡沫、木塊甚至是人體都可以成為可交互的顯示屏。隨著投影設備尺寸、成本、功耗的降低以及3D投影技術的不斷進步，SAR也處于快速發(fā)展階段。

6.跟蹤
??跟蹤是AR實現定位的基礎，增強現實系統綜合使用以下一種或多種傳感器數據實現用戶跟蹤：RGB相機和/或其他光學傳感器、加速度計、GPS、陀螺儀、固態(tài)羅盤、RFID、深度相機、結構光、TOF、LiDAR，這些技術提供了不同的測量方面和精度水平。跟蹤最重要的是跟蹤用戶頭部或設備的姿態(tài)、跟蹤用戶的手或手持式輸入設備，提供6自由度交互。

7.輸入設備
??輸入設備包括普通的屏幕輸入、手柄輸入、將聲音翻譯成計算機指令的語音識別系統、通過視覺檢測或從嵌在外圍設備中的傳感器來解析用戶身體運動的肢體識別和手勢識別系統等等，輸入設備泛指所有輸入技術采用的設備。

8.處理器
??處理器負責與增強現實相關的圖形及算法運算、虛實融合、顯示等等計算處理。處理器接收來自傳感器的數據、掃描的環(huán)境信息，理解注冊跟蹤環(huán)境，生成圖像視頻模型等虛擬信息并疊加到合適的位置，最后渲染到顯示設備上供用戶察看。處理器也從硬盤或者數據庫中讀取信息，隨著處理器技術的進步，處理器的運算速度越快，增強現實能處理的信息就越多，AR體驗就越流暢越真實。

9.軟件與算法
??AR系統的一個關鍵度量參數是虛擬信息與真實世界的結合度，AR系統從攝像機圖像中獲取與攝像機無關的真實世界坐標，這個過程稱為圖像配準，通常由兩個階段組成：第一階段是在攝像機圖像中檢測特征點、基準標記或光流，該步驟可以使用特征檢測方法，如角點檢測、斑點檢測、邊緣檢測或閾值處理等圖像處理方法；第二階段從第一階段獲得的數據恢復真實世界坐標系，在某些情況下，場景三維結構應預先計算，如果場景是未知的，即時定位和建圖（SLAM）可以映射相對位置。第二階段的數學方法包括射影（極線）幾何、幾何代數、指數映射旋轉表示、卡爾曼濾波和粒子濾波、非線性優(yōu)化、穩(wěn)健統計等。在當前的移動AR中，算法大多與計算機視覺相關，主要與圖像識別跟蹤相關，增強現實的許多計算機視覺方法從視覺測徑法繼承，隨著LiDAR傳感設備在移動端的普及應用，對場景的幾何結構構建更加的準確高效。

10.交互
??AR中疊加的虛擬信息應該支持與用戶的交互，增強現實技術令人興奮的原因之一也是在真實的世界中引入3D虛擬數字信息并可以與之交互。 這個交互包括用戶操作下的反饋，也包括程序自發(fā)的主動交互，如隨著距離的不同顯示不同的細節(jié)信息等。

1.1.3 AR技術應用
??AR系統具有3個突出的特點：

①真實世界和虛擬信息融合；

②具有實時交互性；

③在三維尺度空間中定位虛擬物體。

AR技術因為可以將虛擬信息疊加到現實世界之上因而在很多領域都具有廣泛的應用前景，從在相當多的領域都具有發(fā)展?jié)摿?#xff0c;AR技術可廣泛應用于數字領域。游戲和娛樂是最顯而易見的應用領域，在該領域AR正處于快速發(fā)展中。 除此之外，AR技術在消費、考古、博物、建筑、視覺藝術、零售、應急管理/搜救、教育、工業(yè)可視化、工業(yè)設計、醫(yī)學、空間沉浸與互動、飛行訓練、軍事、導航、旅游觀光、虛擬裝潢等等領域都有著廣闊的應用前景。

提示

在系列博文中：虛擬元素、虛擬對象、虛擬信息、虛擬物體均指在真實環(huán)境上疊加的由計算機處理生成的文字、圖像、3D模型、視頻等虛擬非真實信息，嚴格來講它們是有差別的，但在描述時并不嚴格區(qū)分這四者之間的差異。

總結

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