第1章虛擬現實技術概論

1.2

AR技術簡介

.目錄.2.AR系統結構

.3.

AR技術特征

.4.

AR主要顯示方式

.1

.AR發展歷史

1.2.1AR發展歷史1.2.1AR發展歷史1.2.1AR發展歷史1990年，波音公司研究員湯姆·考德爾（Tom

Caudell）創造了“AR”這個術語。考德爾和他的同事設計了一個輔助飛機布線系統，用于代替笨重的示例圖版。這個頭戴設備將布線圖或者裝配指南投射到特殊的可再用方板上。這些AR投影可以通過計算機快速輕松地更改，機械師再也不需要手工重新改造或者制作示例圖版。1998年，AR第一次出現在大眾平臺上。當時有電視臺在橄欖球賽電視轉播上使用AR技術將得分線疊加到屏幕中的球場上。此后，AR技術開始被用于天氣預報——天氣預報制作者將計算機圖像疊加到現實圖像和地圖上面。從那時起，AR真正地開始了其爆炸式的發展。2000年，布魯斯·托馬斯（BruceH.Thomas）在澳大利亞南澳大學可穿戴計算機實驗室開發了第一款手機室外AR游戲——ARQuake。2008年左右，AR開始被用于地圖等手機應用上。2016年，由任天堂和口袋妖怪以及谷歌共同推出了PokemonGo，在美國上線后迅速席卷全球，對于AR的普及起到了巨大的推動作用。1.2.2AR系統結構1.2.2AR系統結構1.2.2AR系統結構一個典型的AR系統結構由虛擬場景生成單元、（透射式）頭盔顯示器、頭部跟蹤設備和（虛實融合）交互設備構成。其中虛擬場景生成單元負責虛擬場景的建模、管理、繪制和其它外設的管理；透射式頭盔顯示器負責顯示虛擬和現實融合后的信號；頭部跟蹤設備跟蹤用戶視線變化；交互設備用于實現感官信號及環境控制操作信號的輸入輸出，如圖所示。首先，透射式頭盔顯示器采集真實場景的視頻或者圖像，傳入后臺的處理單元對其進行分析和重構，并結合頭部跟蹤設備的數據來分析虛擬場景和真實場景的相對位置，實現坐標系的對齊并進行虛擬場景的融合計算；交互設備采集外部控制信號，實現對虛實結合場景的交互操作。系統融合后的信息會實時地顯示在頭盔顯示器中，展現在人的視野中。1.2.3AR技術特征1.2.3AR技術特征1.2.3AR技術特征1.虛實結合

虛實結合是指在現實環境中加入虛擬對象，可以把計算機產生的虛擬對象與用戶所處的真實環境融合，做到虛中有實，實中有虛。與VR技術不同的是，AR技術不會把使用者與真實世界隔開，而是將計算機生成的虛擬物體和信息疊加到真實世界的場景中來，以實現對現實場景更直觀深入的了解和解讀，在有限的時間和有限的場景中實現與現實相關知識領域的理解。增強的信息可以是與真實物體相關的非幾何信息，如視頻、文字，也可以是幾何信息，如虛擬的三維物體和場景。2.實時交互

實時交互是指實現用戶與真實世界中的虛擬信息間的自然交互。通過AR系統中的交互接口設備，人們以自然方式與AR環境進行交互操作，這種交互要滿足實時性。實時性是指不管用戶身處何地，都能通過系統迅速識別現實世界的事物，系統也可在設備中合成該事物圖像，通過傳感技術將可視化信息反饋給用戶。3.三維注冊

AR中的三維注冊是指將計算機產生的虛擬物體與用戶的真實場景全方位對準。在VR中，注冊是指呈現給用戶的虛擬環境及其變化，要與用戶的各種感官的真實感知相匹配。

AR系統實時檢測用戶頭部位置和方向，根據這些信息確定所要添加虛擬信息在真實坐標中的位置，使得用戶眼前真實景象和虛擬景象保持同步。例如，宜家家居的應用。經過注冊之后，當人的位置變化時，虛擬的桌椅、沙發也能夠出現在人周圍合適的位置，而非在原有的位置不變，出現不匹配的情況。1.2.4AR主要顯示方式1.2.4AR主要顯示方式1.2.4AR主要顯示方式1.移動手持顯示智能手機正是移動手持AR顯示設備的代表，如圖所示。這類設備正在變得越來越好——顯示器分辨率越來越高，處理器越來越強，相機成像質量越來越好，傳感器越來越多，提供著加速計、全球定位系統（GlobalPositioningSystem，GPS）、羅盤等功能……這些成為天然的AR平臺。人們正經歷著智能手機、平板電腦等手持設備的大爆炸時代，這將會促進AR的普及。盡管手持設備是消費者接觸AR應用最為方便的工具，但由于大部分手持設備不具備可穿戴功能，因此用戶無法獲得雙手解放的AR體驗。2.可穿戴顯示可穿戴式顯示要使用一種可以戴在用戶頭上的類似眼鏡的頭戴AR顯示器，如圖所示。可穿戴式顯示器一般包含一套小型顯示器，有兩個內嵌鏡頭和半透明鏡的在飛行仿真、工程設計以及教育訓練等多個領域都有廣泛的運用。用戶的現實世界視角被AR設備截取，增強后的畫面重新顯示在用戶視野中。AR畫面透過眼鏡鏡片，或者通過眼鏡鏡片反射，進入眼球視網膜從而成像。頭戴式AR設備可以讓用戶更加自然地體驗AR，并且能夠為用戶提供更大的視場，給予用戶更強，更真實的“身在該處”的感覺。人們熟知的GoogleGlass屬于這一類型設備。

空間顯示技術，是利用包括全息投影在內的視頻投影技術，直接將虛擬數字信息顯示在真實的環境之中，如圖所示。這種技術的系統不同于一般只適合于個人使用的AR系統，而是將AR與周