增强现实（AR）技术的研究进展及应用

最为典型的机构联接跟踪方式是直接用机构联接参照物和运动目标。机械式的跟踪一般可以分为两类:一种各种机构的组合,另外一种就是采用弹簧来联接.当弹簧处于张紧状态时,就可以通过弹簧的参数计算出距离.

3) 相差(phase difference )跟踪系统

相差跟踪系统是通过测量参照物和运动目标上的同频率信号的相位差来进行跟踪的.采用的信号大多数是超声波信号,它的缺点就是会有误差积累,同时超声波信号易受环境的温度湿度和超声波噪声的影响.其优点就是能够有比较高的数据采集速度比TOF 超声波跟踪系统有更高的精度.

4) 场跟踪系统

用来跟踪的场包括电磁场和重力场,用得比较普遍的是电磁场.电磁场跟踪采用的是线圈作为信号发生器,通过测量通过接收器的磁通量就可以确定接收器和信号源之间的相对距离.

电磁场跟踪系统价格便宜结构紧凑而且重量轻广泛应用于各种增强现实系统中.另外一种场跟踪系统是基于重力场的,采用的测量仪器一般是倾角计和加速度计.

5) 复合跟踪系统

复合跟踪系统指的是在同一增强现实系统中采用两种以上的跟踪方式,以实现各种跟踪方式的优势互补.但是复合跟踪系统往往会提高系统的复杂性和成本.

2.2 基于视觉的注册技术

基于视觉的注册是通过给定的一幅或者多幅图像来确定摄像机和真实世界中目标的相对位置和方向.就目前的研究情况来看基于视觉的注册主要有两种情况,一种是事先对相机定标,对获取的图像进行分析.计算相机的位置;另外一种是通过仿射变换来实现注册。

1) 通过对相机定标注册

相机定标就是获取相机的内部参数然后根据这些参数和获取的图像来计算相机的位置和方向。这实际上是一个从三维场景到二维成像平面的转换过程。通常关心的相机参数包括镜头的焦距以及传感器像元的高度、宽度、高宽比等。

国内也有研究人员从事动态注册的研究[3]。文献[3]介绍了相机定标以及跟踪的算法，并且以PC 为平台，实现了这个算法。

2) 通过仿射变换注册

通过仿射变换注册实际上是计算机图形学和计算机视觉技术在增强现实系统设计中的一个运用。Konenderink 等人曾提出，给定三维空间中任何至少四个不共面的点空间中任何一个点的投影变换都可以用这四个点的变换结果的线性组合来表示。

通过引入全局仿射坐标系的定义，将虚拟物体和真实世界置于同一个统一的坐标系下面，从而很方便地实现了注册。不仅如此该注册方法也实现了深度的估计。国

外Kiriakos等人也讨论过类似的系统，并且通过该方法设计出了具体的增强现实系统 。通过仿射变换实现注册是增强现实注册技术的一个突破它绕开了传统的跟踪、定标等一些繁琐而且容易出现较大误差的注册方法，实现了通过计算机视觉的分析进行注册。

3 增强现实系统的运用

由于增强现实系统既有虚拟的成分，同时也有现实世界的真实环境使得增强现实系统成为除了现实世界之外的最有沉浸感的环境。增强现实系统将成为一种新型的媒介，逐渐深入到从医学到军事等各个领域。

3.1 医学

增强现实运用到医疗中，可以使外科医生在给病人动手术的过程中，看到注册到病人身体上的CT 或者MRI 图像。不仅如此，增强现实系统还可以用于医疗教育培训中。另外，增强现实还可用于虚拟人体解剖图、虚拟人体功能、虚拟手术模拟、远程手术等并且可以用于康复医疗。

3.2 娱乐

增强现实系统广泛应用于各种娱乐活动中。虚拟演播室技术是增强现实在传统视频合成技术的基础上发展的结果。 同时增强现实技术还可用于各种游戏体育比赛的转播等。

3.3 机器人技术

增强现实技术可以用于机器人视觉、遥控机器人等方面。采用增强现实技术可以给空间机器人的操作员一个具有沉浸感的环境，使得操作起来更容易。除了空间机器人以外在许多诸如采矿深海潜水等许多危险的工作环境中，也可以采用增强现实技术。

3.4 制造维护和维修

当设备维护人员在维护一台陌生的设备的时候，往往需要看很多的手册，利用增强现实系统则可以避免这一点日本Chuo 大学工业和系统工程系研究出的PARTNER 系统就指导了一个没有经过训练的人员成功地拆卸了一台投影机。这种系统一般是用增强现实技术为维护人员提供辅助信息。

3.5 其他

增强现实系统还广泛运用于军事训练、商业等领域。增强现实技术在商业中的应用主要是用于广告业例如在体育比赛转播中插入广告等。Daniela Hall等人还研制出了一种用于办公室环境的增强现实系统Magicboard，华盛顿大学将增强现实技术运用于远程会议系统。

4 增强现实技术的发展展望

虽然增强现实技术在近20 年来取得了很大的发展，但是还是存在很多技术方面的难题。例如透视式系统没有足够的亮度、分辨率和对比度。目前的大多数系统都是运用于预知的环境中，而在非预知的环境中的增强现实系统比较少。同时，如果增强现实系统运用于户外用户必须戴上计算机、传感器、显示器、电池等许多设备。从而使得系统显得笨重，所以系统的微型化和低能耗也是一个重要的研究方向。

在网络高度发展的今天，增强现实系统的网络化也是一个重要的发展趋势。通过网络，可以减少一些装备，同时也可以大大提高增强现实系统的效能。图4 是Keith 等提出的增强现实系统网络化的构想图，通过GPS 无线接入网络可以将增强现实系统连上因特网。

和虚拟现实系统不同,增强现实系统的实时性要求非常高。前者的某些数据可以事先计算好，而增强现实系统中的虚拟物体必须实时地生成，并被准确地描绘到现实世界的景象中。这就要求降低系统的延迟性，提高软件的计算速度。

5 结论

增强现实技术是一个多学科交叉的领域，它包括计算机视觉、计算机图形学、传感器、网络、GPS等许多技术在现实化的增强显示中，人们能够把真实世界和电脑图形重合在一起，便可以得到对真实世界更深的理解。因此，AR被人们称为“更真实的现实”。AR不仅在与VR有相似的应用领域，但是由于其具有能够对真实环境的增强输出特性，在医疗研究和解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有VR技术更加明显的优势。相信随着技术的日益成熟，AR将会走进人们的生活，为人们接受。