虚拟现实与增强现实技术概论 计算机中心

第12章 增强现实技术

导学 一、学习目标 1.了解增强现实技术国内外 发展状况及应用领域。 2.掌握增强现实技术的定义、 特点及增强现实系统的基本 结构与核心技术。 3.掌握移动增强现实技术的 概念、特点及核心技术。 二、重点、难点 1、增强现实技术的定义、特点及 核心技术 2、移动增强现实技术的定义、核 心技术 3、增强现实系统的系统结构

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种实 时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术， 这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界合成到现实世界并 进行互动。

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 增强现实作为现实环境和虚拟环境沟通的纽带，既可以 对虚拟环境进行补充，又增强了现实环境的信息。 真实世界 混合现实（MR） 增强现实 （AR ） 增强虚拟 （AV ） 虚拟环境

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 虚实结合：“虚”指的是用于增强的信息。 12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 虚实结合：“虚”指的是用于增强的信息。 可以是虚拟对象，也可以是真实物体的非几何信息，如标注信息、提示等。

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 实时交互：是指实现用户与真实世界中的虚拟信息间的自然交互。 实时交互要求用户能在真实环境中借助交互工具与“增强信息”进行互动。

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 AR特征 虚实结合 三维注册 实时交互 三维注册：计算机观察者确定视点方位从而把虚拟信息合理叠加到真实环境上，以保证用户可以得到精确的增强信息。

12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 VR与AR特征对比 虚拟现实（VR） 增强现实（AR） 沉浸感（完全虚拟） 虚实结合 12.1 增强现实技术概述 12.1.1 增强现实技术 VR与AR特征对比 虚拟现实（VR） 增强现实（AR） 沉浸感（完全虚拟） 虚实结合 交互性 实时交互 想象力 三维注册

12.1 增强现实技术概述 12.1.2 国内外发展状况 国外状况 国内状况 12.1 增强现实技术概述 12.1.2 国内外发展状况 国外状况 目前，国外从事AR技术研究的高校有美国的麻省理工学院的图 像导航外科手术室、哥伦比亚大学的图形和用户交互实验室、日 本的混合现实实验室等。从事增强现实技术研究的企业有德国的 西门子公司、美国的施乐公司、日本的索尼公司等。 国内状况 随着国外AR技术研究高潮的不断迭起，我国的许多高校和科研 院所也逐渐加入AR技术研究的队伍中。

12.1 增强现实技术概述 12.1.3 AR系统的基本结构 AR系统的分类 固定型 移动型 12.1 增强现实技术概述 12.1.3 AR系统的基本结构 AR系统的分类 移动型AR系统：用户可移动性强，可以在大多数环境中使用AR并随 意走动。 固定型AR系统：不能移动，只能在系统构建位置处使用。 固定型 移动型

12.1 增强现实技术概述 12.1.3 AR系统的基本结构 AR系统的组成 12.1 增强现实技术概述 12.1.3 AR系统的基本结构 AR系统的组成 一个典型的AR系统通常由场景采集系统、跟踪注册系统、虚拟场景 发生器、虚实合成系统、显示系统和人机交互界面等多个子系统构成。

12.1 增强现实技术概述 12.1.4 AR与VR的联系与区别 相同点 不同点 1.都需要计算机生成相应的虚拟信息 12.1 增强现实技术概述 12.1.4 AR与VR的联系与区别 相同点 1.都需要计算机生成相应的虚拟信息 2.都需要用户使用显示设备 3.使用者都需要与虚拟信息进行实时交互 不同点 1.对于用户沉浸感的要求不同 2.对于“注册”的意义和精度要求不同 3.对于系统计算能力的要求不同 4.侧重的应用领域不同

12.2 增强现实核心技术 12.2.1 显示技术 头盔显示器（HMD） 手持式显示器 投影式显示器

12.2 增强现实核心技术 12.2.2 三维注册技术 “注册”的概念 “注册”的任务 将虚拟物体显示在现实世界准确位置的定位过程。 12.2 增强现实核心技术 12.2.2 三维注册技术 “注册”的概念 将虚拟物体显示在现实世界准确位置的定位过程。 “注册”的任务 实时检测用户头部的位置以及方向，根据检测的信息确定所要添加的虚拟对象在摄像机坐标系下的位置，并将其投影到显示屏的正确位置。

12.2 增强现实核心技术 12.2.3 标定技术 标定的目的 标定需要测量的值 标定涉及的坐标系 12.2 增强现实核心技术 12.2.3 标定技术 标定的目的 为了生成准确的定位， AR系统需要进行大量的标定。 标定需要测量的值 摄像机参数，视域范围，传感器的偏移，对象定位以及变形等。 标定涉及的坐标系 世界坐标系（真实或现实世界坐标系）、摄像机坐标系、图像坐 标系。

12.3 移动增强现实技术 12.3.1 移动增强现实 概念及特点 移动增强现实（Mobil Augemented Reality，简称MAR），指增 强现实技术在手持设备（如平板电脑、手机等）上的应用。 MAR除了传统AR的三个特点以外，还具备了高度的自由性。

12.3 移动增强现实技术 12.3.1 移动增强现实 实现原理（以手机上的AR为例） 12.3 移动增强现实技术 12.3.1 移动增强现实 实现原理（以手机上的AR为例） AR应用读取手机GPS收据，找到你所在地球上的位置， 并用电子罗盘确定所指的方向。 AR应用搜索其数据库来查找物体（文本、超链接、图 片等），确认该物体是否已经做了位置标记。 若找到了物体，就把该物体放在显示屏上的楼房或者 地标图像上。

12.3 移动增强现实技术 12.3.1 移动增强现实 传统AR与移动AR的特征对比 传统增强现实 移动增强现实 虚实结合 实时交互 12.3 移动增强现实技术 12.3.1 移动增强现实 传统AR与移动AR的特征对比 传统增强现实 移动增强现实 虚实结合 实时交互 三维注册 移动性差 自由、灵活 专业设备 普通移动终端 专业开发 网络APP下载 使用时间特定 随时使用 使用地点是实验室 随地使用

12.3 移动增强现实技术 12.3.2 移动增强现实体系架构 1.移动增强现实系统由硬件和软件 两部分构成。硬件部分主要包括 12.3 移动增强现实技术 12.3.2 移动增强现实体系架构 1.移动增强现实系统由硬件和软件 两部分构成。硬件部分主要包括 显示载体、人机交互设备和硬件 计算平台。 2.系统架构采用客户端/服务器模 式，如右侧图所示。

12.3 移动增强现实技术 12.3.3 移动增强现实的核心技术 便捷高效的终端定位系统 移动计算平台 海量目标的精确识别 12.3 移动增强现实技术 12.3.3 移动增强现实的核心技术 便捷高效的终端定位系统 移动计算平台 海量目标的精确识别 数据存储与访问技术 高级、真实的3D渲染

12.3 移动增强现实技术 12.3.4 移动增强现实技术的应用 电子商务领域-虚拟超市 导航领域-汽车导航 教育培训-学习软件 12.3 移动增强现实技术 12.3.4 移动增强现实技术的应用 电子商务领域-虚拟超市 导航领域-汽车导航 教育培训-学习软件 其他领域-古迹重建领域

12.3 移动增强现实技术 12.3.4 移动增强现实技术发展方向 1.基于投影仪的移动增强现实系统 12.3 移动增强现实技术 12.3.4 移动增强现实技术发展方向 1.基于投影仪的移动增强现实系统 美国MIT 开发了一个新兴的移动AR系统，借助微型的 投影仪，可以把增强之后的信息投影到用户阅读的报纸或 者手上。同时使用者还可以通过不同的手部动作与投影之 后的影像进行交互。 2.对智能信息的挖掘 通过对用户的消费习惯和行为习惯的分析，移动增强 现实系统可以在适当的时候给用户提供最好的建议。

12.4 增强现实的开发工具 12.4.1 Artookit简介 ARToolKit 特点 12.4 增强现实的开发工具 12.4.1 Artookit简介 ARToolKit ARToolKit是目前广泛应用于AR系统开发的开源的工 具包，它是一个C/C++ 语言编写的库。 特点 基于标识物的视频检测。标识模板采用封闭的黑色正方形外框、内部区域是白色的，白色区域为任意图形或图像，用户可以自己定义图案。

12.4 增强现实的开发工具 12.4.2 Vuforia简介 Vuforia 特点 12.4 增强现实的开发工具 12.4.2 Vuforia简介 Vuforia Vuforia是一款专门针对移动设备的增强现实软件开发包。具有 跨平台特点，并且支持iOS和Android，此外还支持Unity3D扩展 插件。开发者可以使用当今主流的移动游戏引擎Unity3D来实现 跨平台开发。 特点 物体识别 Vuforia对象扫描器 IOS64bit支持

12.4 增强现实的开发工具 12.4.3 增强现实其他开发工具 开源库BazAR 芬兰的开源库ALVAR 12.4 增强现实的开发工具 12.4.3 增强现实其他开发工具 开源库BazAR 芬兰的开源库ALVAR 国内的AR开发工具有Easy AR 增强现实开发的工具多种多样，具体应用哪种工 具还是要根据需求去选择。

12.5 增强现实的主要应用领域 军事领域 娱乐领域 教育领域 产品装配检验与维修领域 医疗诊断领域

12.6 增强现实技术未来发展趋势 增强现实技术将会是未来的发展方向 增强现实技术将会是计算机发展的最终形式。

12.6 增强现实技术未来发展趋势 增强现实将成为展示 展览的趋势 增强现实将促使智能汽车走进现实 12.6 增强现实技术未来发展趋势 增强现实将成为展示 展览的趋势 东京水族馆采用AR开发出 了一款新的应用程序。通过 定位，制作出虚拟导游企鹅 模型，目的是对游客路线进 行引导。 增强现实将促使智能汽车走进现实 对于雨天、傍晚、黑夜等不能 清晰识别周围驾驶环境的情况， 增强驾驶利用图形识别技术和 GPS定位，可以在屏幕上动态 标注锁定路况移动物体，大大 提高对司机的驾驶辅助。

12.6 增强现实技术未来发展趋势 增强现实让游 戏娱乐拉近现实 12.6 增强现实技术未来发展趋势 增强现实让游 戏娱乐拉近现实 Ingres是一款著名的应 用AR技术的游戏。该 游戏基于手机GPS，并 结合谷歌地图的数据以 及导航，共同生成虚拟 游戏地图。 增强现实成为医生的辅助工具增强现实技术将逐渐作为一种可视化的手术辅助工具，协助医生更好的找到病患位置，更加顺利的完成手术。 增强现实让传统图书更加立体生动 AR技术可以给读者提供一种沉浸式的感受，并且也赋予了图书的编写者一种全新的体验。

AR改变人类生活方式

本章小结 本章介绍了AR技术的基本概念，包括其定义 及三个显著特征。讨论了AR系统核心技术和移 动AR的概念，并介绍了AR系统的开发工具以及 AR技术的应用。最后，本章还讨论了AR技术的 未来发展趋势，AR将逐渐改变人类与外界的交 互方式。AR与VR，归根结底是两种新型的交互 模式。对比这两种模式，与现实结合更密切的 是AR，未来的世界将是AR的世界。