摘要：本文介绍了增强现实概念及其研究进展，阐述了增强现实的显示技术、交互技术、注册技术等核心技术，然后针对当前AR应用的现状;分析了实现中的难点问题及其发展趋势.最后给出了几个应用实例。 关键词：增强现实；虚拟；应用
增强现实技术综述
1. 引言
增强现实(Augmented Reahtv，简称AR)是一种用计算机产生的附加信息对真实世界的景象进行增强或扩张的技术，是在虚拟现实(VR)技术的基础上发展起来的新兴的研究领域。与虚拟现实完全沉浸在虚拟的环境中不同．增强现实强调将虚拟的物体叠加或合成到真实世界中。
电影《阿凡达》上映，其使用IMAX+3D拍摄技术，以其虚幻与现实结合的手法展现出梦幻般的奇妙场景，给观众带来前所未有的视觉感受；
在我国上海举办的世博会上，增强现实技术在国家电网企业馆主题网站上亮相，这是增强现实在世博会上的首次应用，参观者以“魔盒”上的标记对准摄像头，即可在显示屏幕上看到3D立体视频，从不同角度呈现国家电网、世博中国馆等标志性建筑的概貌；
2010年来自荷兰的软件开发商SPRXmobile推出了全球首款“增强现实”浏览器Layar，用户将其对准某个方向，软件就会根据GPS、定向信息等技术，给出用户面前环境的详细信息[1]
这些事例都让我们不住地慨叹现代科技无所不能，它们都得益于近年来发展迅猛的增强现实技术。
2. 增强现实技术研究进展
2．1基于标识的增强现实系统
早期的增强现实系统主要为户内的基于人工标志的系统。
20世纪90年代初期波音公司的Tom Caudell和他的同事在他们设计的一个辅助布线系统中提出了增强现实（AR）这个名词.在他们设计的系统中应用S-HMD把由简单线条绘制的布线路径和文字提示信息实时地叠加在机械师的视野中，从而
帮助机械师一步一步地完成一个拆卸过程。 [2]
这种系统通过识别图像中的人工标志来跟踪摄像机的姿态，具备标识识别率高、携带性强、系统实时性强等优点。常用的AR标志有四种：ARToolKit、HoM、SCR、IGD。计算机通过识别标志的软件，和跟踪的摄像机完成了虚拟物体的叠加。
2．2基于自然特征的增强现实系统
基于标识的增强现实系统由于需要在实际环境中事先放置AR标记，因此在户外以及一些涉及大范围场景的AR应用中，就需要在场景中放置大量的标记，每次系统应用起来会很不方便。
在这种情况下，基于自然特征点的跟踪注册技术则显得游刃有余。一般而言，基于自然特征的跟踪注册技术是利用真实环境中的一些自然特征为AR系统的跟踪参考物，比如：角点、直线或者曲线等。为了获取摄像机在真实世界中的位置与朝向，通过对自然特征进行提取与特征匹配，来实现虚拟对象的注册。 这种方法适用于户外AR应用，但是由于设备无法满足如此庞大的计算量和良好的精度要求，该技术实时性相对比较低。
2．3移动增强现实系统
近年来，智能手机强大的计算能力和捕捉图像的能力成为研究者的一大偏爱。移动增强现实系统能时时跟踪手机在真实场景中的位置及姿态，并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标，实现虚拟物体画面与真实场景画面精准匹配。
2009年，奥地利的Graz univers时ofTechnology提出一种从一副手机内置摄像头获取的图片来定位手机使用者的6自由度姿态的方法。
牛津大学研究PTAM(ParalIelTrackingand MaPPing)系统移植到手机上。此系统完全脱离了Pc机和大型的工作站。可以在iPhone手机上对未知环境进行实时地增强。[3] 如图一
图一 移动增强现实的效果图
增强现实技术是虚拟现实技术中发展最快的分支。在各个领域都带来性的
变化。国内发展较快的有北京理工大学。国外发展较快的有：北卡罗莱纳大学、南加利福尼亚大学、麻省理工学院[4]。国内的进度远落后于国外。
3. 增强现实的核心技术
增强现实系统的核心技术主要有：显示技术、注册技术、交互技术。
3.1增强现实的显示技术
视觉通道是人类与外部环境之间最重要的信息接口，人类从外界所获得的信息有近80%是通过眼睛得到的。因此增强现实系统中的头盔显示技术就十分关键。 目前普遍采用的透视式头盔显示器，包括视频透视式头盔显示器和光学透视式头盔显示器。[5]
视频透视式头盔显示器通过一对安装在用户头部的摄像机，摄取外部真实环境的景象，计算机通过计算处理，将所要添加的信息或图像信号叠加在摄像机的视频信号上。
用视频透视式头盔显示器的增强现实系统中，使用者看到的周围真实世界的场景是由摄像机摄取的。因此，图像经过计算机的处理，不产生虚拟物体在真实场景中的游移现象。但由于处理速度等原因，图像显示会有迟滞现象，而且在处理过程中可能会丢失一些细节。
而在使用光学透视式头盔显示器的增强现实系统中，使用者对周围环境的感知是依靠自己的眼睛来实现的，所以所获得的信息比较可靠和全面，然而正是由于人类的视觉系统在细节判别能力方面相当卓越，所以很小的定位注册误差就会被注意到。
此外，最新报道，Google秘密实验室正在开发一种新型智能型眼镜[6]，该眼镜还会有一个前置摄影机，可以监测环境和覆盖信息的位置。眼镜将摄像机收集到的信息数据发送至云端后分享所在位置，便可实时搜索图像，同时还可以用于显示与画面相关的天气、位置、朋友、消费项目等信息。这副智能型眼镜可能会在2012年底正式上市，价格可能在250至600美元间。
3．2增强现实的注册技术
为了达到增强现实虚实无缝融合，三维注册起着重要的作用，这也是近十年来增强现实研究领域最大的热点之一。三维注册技术一直以来是增强现实系统研究的重点．也是主要的技术难点。而三维跟踪注册精度是衡量AR系统性能、影响其实用性的关键指标。[7]
注册误差可分成两大类：静态注册误差和动态注册误差。当用户的视点与真实环境中的物体均保持静止时，系统产生的误差称静态注册误差。而只有当用户的视点或环境中的物体发生相对运动时才会出现的误差称为动态注册误差。动态注册误差是造成增强现实系统注册误差的主要来源，也是增强现实系统实现广
泛应用的主要因素。
目前增强现实的研究中主要采用以下两种三维注册方法 3．1．1基于(Tracing)的三维注册技术 基于的三维注册技术主要记录RE（real environment）中观察者的方向和位置，保持VE(virtual environment)与RE的连续性，实现精确注册。 主要采用的包括电磁、惯性、测距仪、超声波定位仪、全球定位系统(GPS)等，常用的跟踪设备包括：机电式、电磁式、声学、光电、惯性、全球卫星定位系统等。[8]
为了弥补各的缺点，许多研究者采用混合跟踪的方法以取长补短，满足增强现实系统高精度注册的要求。
3．1．2基于视觉(Vision)的三维注册技术
基于视觉的j维注册技术是目前占主导地位的跟踪技术。主要通过给定的一幅图像来确定摄像机和RE中目标的相对位置和方向。
典型的视觉三维注册技术有：仿射变换注册和相机定标注册。
仿射注册技术的原理是给定三维空间中任何至少4个不共面的点，空间中任何一个点的投影变换都可以用这4个点的变换结果的树形组合来表示。仿射变换注册是AR三维注册技术的一个突破，解决了传统的跟踪、定标等繁琐的注册方法，实现通过视觉的分析进行注册。
相机定标注册则是一个从三维场景到二维成像平面的转换过程，即通过获取相机内部参数计算相机的位置和方向。如图二 3．3增强现实的交互技术
交互技术是增强现实中与显示技术和注册技术密切相关的技术．满足了人们在虚拟和现实世界自然交互的愿望。AR中虚实物体交互的基本方式有两类：视觉交互与物理交互。视觉交互包括虚实物体相互间的阴影、遮挡、各类反射、折射和颜色渗透等。物理交互包括虚实物体间运动学上的约束、碰撞检测和受外力影响产生的物理响应等。交互本身可以是单向或双向的，但由于技术上的原因，目前的研究基本上被在真实物体对虚拟物体的单向交互方面。
通常会使用以下几种交互方法。 （1）传统交互方法
在校园浏览系统中，用户背着移动PC和眼踪设备。头戴透视式头盔显示器，手
持手写笔和DA，在校园中漫步。AR系统通过摄像头捕捉到校围场景，并在这些场景中添加建筑物的相关信息，从而帮助使用者了解校园情况。 (2)手势交互手段
基于手势的人机交互手段是较为新颖的一种交互手段．基于视觉的手势交互已受到广泛的关注，由于手势本身的多义性及时空差异性，加之人手形变的高维度及视觉问题本身的不适定性，基于视觉的手势识别一直是一项极富挑战性的多学科交叉研究课题．
传统识别手的形态的方法分为基于模型的方法和基于表征的方法两大类．由于手的形态变化维度极高，在实时搜索自然人手对应的3D模型时，前者由于计算复杂度的原因往往达不到速度的要求，因此各种手戴标记被广泛应用。 自然人手交互的研究也取得了一定的进展，如文献[9]就通过实验设计了一种有较高应用效果的自然人手交互的方法。 (3)基于标记以及其他相关信息进行交互 AR系统中不仅仅利用标识进行三维注册，有时也可以利用标识和虚拟系统中的信息进行交互。例如印度的大学生中已经有人研究了利用色环实现纸上投影的信息转移到电脑上。还有人研究采用装有反光标记的黑色手套，操纵虚拟的国际象棋棋子。[8]
图三 增强现实技术的工作原理
4. 现实中增强现实技术的难点问题及发展趋势
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。
首先是定位问题，尤其式户外AR系统的定位成为决定系统成败的关键。这也是很多人一直在努力解决问题。
其次，系统的显示问题也不容忽视。现有的AR显示设备大多存在亮度和对比度低，分辨率低和视野窄等缺点。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，在便携式风靡全球的今天，恐怕不会有人会为了感受AR而戴上这套笨重的装备。 最后，AR的发展趋势可以概括为以下几个方面[10]。
首先，在网络高度发展的今天，增强现实系统的网络化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。户外导航、视觉信息多样化、降低数据复杂性和多模态界面的开发仍然是当前研究的热点。
其次，声音交互(包括语音、立体声和环绕声)的研究也将是未来AR系统发展的一个重要方向。
另外，系统的微型化和低能耗是一个重要的研究方向。与此同时，必须十分重视增强现实的广泛应用。增强现实还有很长的路要走，机会和挑战并存，而且增强现实和人机交互关系密切，必须重视人机交互的研究。
5.增强现实技术的几个应用实例
到目前为止，增强现实技术已经被应用到多个领域。在军事方面，目前美国海军在“弗吉尼亚”级潜艇的新一代成像系统中已经应用了增强现实技术，由美国科尔摩根公司研制，，主要用于潜艇远距离观测[11];在教育领域，。浙江大学CG&CAD实验室开发的的“基因剪刀”项目，对提高儿童理解和学习科普知识的兴趣具有显著的效果[12];在医学领域，利用增强现实技术能在临床外获得更好的经验[1] 增强现实技术作为虚拟现实技术中最新的分支，以其灵活性、实用性、与现实环境的密切联系等优势在各个方面带给人们奇妙体验，发展速度很快。 5.1 游戏
当你在APP STORE中输入AR时，其中大部分都贴着游戏和娱乐的标签。不错，AR目前应用最多的就是游戏了。现举出几个比较有趣的游戏来说明。
如Sky Chart和3.Star Walk[13]吸引了许多天文爱好者，这两个令人叹为观止的应用可以让你身临其境地感受夜空的浩瀚。当你关掉灯并打开应用的时候，你就会发现各种星座闪烁在你的头顶上。
又如Sky Siege3D这款射击游戏可以让你在房间里体验射击的快感。 但AR应用于游戏上的时候，多是离线操作的，数据库较小，所需要解决的技术问题远没有户外增强现实技术复杂！ 5.2基于AR的文化遗迹浏览系统 早在雅典奥运会的时候，欧盟的一些组织和希腊文化部就希望能共同建设一个通过AR技术复原古迹的系统。这个系统由信息服务器及创作工具，无线网络和AR客户端。组成网络用户在户外遗迹所在的位置通过AR客户端动态连接到服务器,即可取得所在位置的遗迹信息，然后通过与客户端电脑连接的S-HMD即可在相应的位置看到遗迹复原的效果。这个系统在希腊奥运会期间投入使用。 文献[14]针对圆明园场景宏大、游人众多的特点和数字重建的难度，介绍了项目组提出的3套户外AR设计解决方案。但目前工程仍没完成。
5.3AR在GIS可视化中的应用[15] 近年来，随着对AR技术应用于地理数据增强表达领域研究的不断深入，视频制图(Video Mapping)技术应运而生，它是利用记录在视频磁带上的GPS信号提供视频序列或者遥感影像序列和GIS数据库之间的位置信息，真实的快照和视频流不但扩充了GIS数据库，而且也是地理数据可视化的全新方式和载体。成为地学家研究的十分使用的工具
5. 结束语
增强现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。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。尽管AR技术存在很多理论问题未解决，但AR技术仍在许多方面如医疗手术、科学研究、教育培训、工业设计、市政规划、国防建设引发了社会的变革。作为长远研究目标，作为技术驱动力，作为新的人机交互方式，AR技术都是值得高度重视的。
参考文献
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[15] 陈 科，黄天勇，杨林波，闻 平 《AR技术在GIS可视化 中的应用及方法
研究》 《测绘与空间地理信息》2011,34(6) 99-101