AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是用戶對現(xiàn)實(shí)世界感知的新技術(shù)。

一般認(rèn)為，AR技術(shù)的出現(xiàn)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）的發(fā)展，但二者存在明顯的差別。

傳統(tǒng)VR技術(shù)給予用戶一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創(chuàng)造一個世界；而AR技術(shù)則把計(jì)算機(jī)帶入到用戶的真實(shí)世界中，通過聽、看、摸、聞虛擬信息，來增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界的感知，實(shí)現(xiàn)了從“人去適應(yīng)機(jī)器”到技術(shù)“以人為本”的轉(zhuǎn)變。

AR技術(shù)原理

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基于計(jì)算機(jī)視覺的AR，二是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR。

01、Vision based AR

基于計(jì)算機(jī)視覺的AR是利用計(jì)算機(jī)視覺方法建立現(xiàn)實(shí)世界與屏幕之間的映射關(guān)系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現(xiàn)實(shí)物體上一般展現(xiàn)在屏幕上，如何做到這一點(diǎn)呢？

本質(zhì)上來講就是要找到現(xiàn)實(shí)場景中的一個依附平面，然后再將這個3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個平面上繪制你想要展現(xiàn)的圖形，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上可以 分為2類 ：

1、 Marker-Based AR

這種實(shí)現(xiàn)方法需要一個事先制作好的Marker(例如:繪制著一定規(guī)格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker放到現(xiàn)實(shí)中的一個位置上，相當(dāng)于確定了一個現(xiàn)實(shí)場景中的平面。

然后通過攝像頭對Marker進(jìn)行識別和姿態(tài)評估（Pose Estimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為Marker Coordinates即模板坐標(biāo)系。

我們要做的事情實(shí)際上是要得到一個變換從而使模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，這樣我們根據(jù)這個變換在屏幕上畫出的圖形就可以達(dá)到該圖形依附在Marker上的效果。

理解其原理需要一點(diǎn)3D射影幾何的知識，從模板坐標(biāo)系變換到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系需要先旋轉(zhuǎn)平移到攝像機(jī)坐標(biāo)系（Camera Coordinates）然后再從攝像機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

在實(shí)際的編碼中，所有這些變換都是一個矩陣，在線性代數(shù)中矩陣代表一個變換，對坐標(biāo)進(jìn)行矩陣左乘便是一個線性變換（對于平移這種非線性變換，可以采用齊次坐標(biāo)來進(jìn)行矩陣運(yùn)算）。公式如下：

矩陣C的學(xué)名叫攝像機(jī)內(nèi)參矩陣，矩陣Tm叫攝像機(jī)外參矩陣，其中內(nèi)參矩陣是需要事先進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定得到的，而外參矩陣是未知的，需要我們根據(jù)屏幕坐標(biāo)(xc ,yc)和事先定義好的Marker 坐標(biāo)系以及內(nèi)參矩陣來估計(jì)Tm，然后繪制圖形的時候根據(jù)Tm來繪制（初始估計(jì)的Tm不夠精確，還需要使用非線性最小二乘進(jìn)行迭代尋優(yōu)）。

比如使用OpenGL繪制的時候就要在GL_MODELVIEW的模式下加載Tm矩陣來進(jìn)行圖形顯示。

2、 Marker-Less AR

基本原理與Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點(diǎn)的物體(例如：書的封面)作為平面基準(zhǔn)，而不需要事先制作特殊的模板。

擺脫了模板對AR應(yīng)用的束縛。

它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)對模板物體提取特征點(diǎn)，并記錄或者學(xué)習(xí)這些特征點(diǎn)。

當(dāng)攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特征點(diǎn)并與記錄的模板物體的特征點(diǎn)進(jìn)行比對，如果掃描到的特征點(diǎn)和模板特征點(diǎn)匹配數(shù)量超過閾值，則認(rèn)為掃描到該模板，然后根據(jù)對應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)Tm矩陣，之后再根據(jù)Tm進(jìn)行圖形繪制(方法與Marker-Based AR類似)。

02、LBS-Based AR

其基本原理是通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數(shù)據(jù)源（比如wiki，google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學(xué)校等)的POI信息，再通過移動設(shè)備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設(shè)備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標(biāo)物體在現(xiàn)實(shí)場景中的平面基準(zhǔn)(相當(dāng)于marker)，之后坐標(biāo)變換顯示等的原理與Marker-Based AR類似。

這種AR技術(shù)利用設(shè)備的GPS功能及傳感器來實(shí)現(xiàn)，擺脫了應(yīng)用對Marker的依賴，用戶體驗(yàn)方面要比Marker-Based AR更好。

而且由于不用實(shí)時識別Marker姿態(tài)和計(jì)算特征點(diǎn)，性能方面也好于Marker-Based AR和Marker-Less AR，因此對比Marker-Based AR和Marker-Less AR，LBS-Based AR可以更好的應(yīng)用到移動設(shè)備上。

03、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成

1、Monitor-based系統(tǒng)

在基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR實(shí)現(xiàn)方案中，攝像機(jī)攝取的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器。

用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場景圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套最簡單使用的AR實(shí)現(xiàn)方案。

由于這套方案的硬件要求很低，因此被實(shí)驗(yàn)室中的AR系統(tǒng)研究者們大量采用。

2、Video see-through系統(tǒng)

頭盔式顯示器（Head-mounted displays-HMD）被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶的視覺沉浸感。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。

根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD（video see-through HMD）和基于光學(xué)原理的穿透式HMD（optical see-through HMD）。

Video see-through增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3、Optical see-through系統(tǒng)

在上述的兩套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，輸入計(jì)算機(jī)中的有兩個通道的信息，一個是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息通道，一個是來自于攝像機(jī)的真實(shí)場景通道。

而在optical see-through HMD實(shí)現(xiàn)方案中去除了后者，真實(shí)場景的圖像經(jīng)過一定的減光處理后，直接進(jìn)入人眼，虛擬通道的信息經(jīng)投影反射后再進(jìn)入人眼，兩者以光學(xué)的方法進(jìn)行合成。

4、三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能比較

三種AR顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)策略在性能上各有利弊。

在基于monitor-based和video see-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，都通過攝像機(jī)來獲取真實(shí)場景的圖像，在計(jì)算機(jī)中完成虛實(shí)圖像的結(jié)合并輸出。

整個過程不可避免的存在一定的系統(tǒng)延遲，這是動態(tài)AR應(yīng)用中虛實(shí)注冊錯誤的一個主要產(chǎn)生原因。

但這時由于用戶的視覺完全在計(jì)算機(jī)的控制之下，這種系統(tǒng)延遲可以通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部虛實(shí)兩個通道的協(xié)調(diào)配合來進(jìn)行補(bǔ)償。

而基于optical see-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，真實(shí)場景的視頻圖像傳送是實(shí)時的，不受計(jì)算機(jī)控制，因此不可能用控制視頻顯示速率的辦法來補(bǔ)償系統(tǒng)延遲。

另外，在基于monitor-based和video See-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，可以利用計(jì)算機(jī)分析輸入的視頻圖像，從真實(shí)場景的圖像信息中抽取跟蹤信息（基準(zhǔn)點(diǎn)或圖像特征），從而輔助動態(tài)AR中虛實(shí)景象的注冊過程。而基于optical see-through顯示技術(shù)的AR實(shí)現(xiàn)中，可以用來輔助虛實(shí)注冊的信息只有頭盔上位置傳感器。

審核編輯：何安