AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是用戶感知現(xiàn)實(shí)世界的新技術(shù)。

一般認(rèn)為，AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）但兩者之間存在明顯差異。

傳統(tǒng)VR技術(shù)給用戶一種完全沉浸在虛擬世界中的效果，創(chuàng)造另一個(gè)世界；AR技術(shù)通過聽、看、摸、聞虛擬信息，將計(jì)算機(jī)帶入用戶的現(xiàn)實(shí)世界，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知，實(shí)現(xiàn)從人適應(yīng)機(jī)器到技術(shù)以人為本的轉(zhuǎn)變。

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式來看，可以明確分為兩類：一類是Vision based AR，即基于計(jì)算機(jī)視覺AR，二是LBS basedAR，即基于地理位置信息的信息AR。

01 Vision based AR

基于計(jì)算機(jī)視覺AR利用計(jì)算機(jī)視覺方法在現(xiàn)實(shí)世界和屏幕之間建立映射關(guān)系，使我們想要繪制圖形或3D模型通?？梢燥@示在屏幕上，就像顯示在屏幕上。如何做到這一點(diǎn)？

本質(zhì)上，我們需要在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中找到一個(gè)附著的平面，然后將這個(gè)3D場(chǎng)景中的平面映射到我們的2D屏幕上，然后在這個(gè)平面上繪制你想要顯示的圖形，這可以從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段來看 分為2類 ：

1、 Marker-Based AR

這種實(shí)現(xiàn)方法需要提前制定Marker(例如，繪制一定規(guī)格形狀的模板卡或二維碼)Marker在現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)位置相當(dāng)于在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中確定平面。

然后通過相機(jī)對(duì)Marker識(shí)別和評(píng)估姿勢(shì)（Pose Esti ** tion），確定位置，然后確定位置Marker中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為Marker Coordinates即模板坐標(biāo)系。

事實(shí)上，我們需要做的是改變模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，這樣我們就可以根據(jù)這個(gè)變化在屏幕上繪制的圖形來實(shí)現(xiàn)圖形的附著Marker上的效果。

理解原則需要一點(diǎn)3D從模板坐標(biāo)系到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系，射影幾何知識(shí)需要旋轉(zhuǎn)并平移到相機(jī)坐標(biāo)系（Camera Coordinates）然后從相機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

在實(shí)際編碼中，所有這些變換都是矩陣，矩陣代表在線性代數(shù)中的變換，左乘坐坐標(biāo)的矩陣是線性變換平移等非線性變換，可以使用齊次坐標(biāo)進(jìn)行矩陣操作)。公式如下:

矩陣C的學(xué)名是相機(jī)內(nèi)參矩陣，矩陣CTm被稱為攝像機(jī)外參矩陣，其中內(nèi)參矩陣需要提前進(jìn)行攝像機(jī)校準(zhǔn)，外參矩陣未知，我們需要根據(jù)屏幕坐標(biāo)(xc ,yc)提前定義Marker 估計(jì)坐標(biāo)系和內(nèi)參矩陣Tm，然后根據(jù)圖形繪制圖形Tm繪制(初始估計(jì)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畫畫的時(shí)候就要到了GL_MODELVIEW在模式下加載Tm圖形顯示是矩陣。

2、 Marker-Less AR

基本原理與Marker based AR同樣，但它可以使用任何具有足夠特征點(diǎn)的物體（如書的封面）作為平面基準(zhǔn)，而無需提前制作特殊模板。

擺脫模板對(duì)AR應(yīng)用的束縛。

其原理是通過一系列算法(如:SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)提取模板對(duì)象的特征點(diǎn)，并記錄或?qū)W習(xí)這些特征點(diǎn)。

當(dāng)相機(jī)掃描周圍場(chǎng)景時(shí)，將提取周圍場(chǎng)景的特征點(diǎn)，并與記錄的模板對(duì)象的特征點(diǎn)進(jìn)行比較。如果掃描的特征點(diǎn)與模板特征點(diǎn)匹配的數(shù)量超過閾值，則認(rèn)為掃描模板，然后根據(jù)相應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)Tm然后根據(jù)矩陣Tm繪圖(方法和Marker-Based AR類似)。

02 LBS-Based AR

其基本原理是通過GPS從某些數(shù)據(jù)源(如wiki，google）在這個(gè)位置附近的物體(如周圍的餐館、銀行、學(xué)校等。POI通過移動(dòng)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，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中建立目標(biāo)對(duì)象的平面基準(zhǔn)(相當(dāng)于 ** rker)，坐標(biāo)變換顯示等的原理Marker-Based AR類似。

這種AR設(shè)備的技術(shù)利用GPS實(shí)現(xiàn)功能和傳感器，擺脫應(yīng)用Marker用戶體驗(yàn)的依賴比用戶體驗(yàn)的依賴要好Marker-Based AR更好。

而且因?yàn)椴恍枰獙?shí)時(shí)識(shí)別Marker性能優(yōu)于姿態(tài)和計(jì)算特征Marker-Based AR和Marker-Less AR，因此對(duì)比Marker-Based AR和Marker-Less AR，LBS-Based AR移動(dòng)設(shè)備可以更好地應(yīng)用。

03 AR加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成

1、Monitor-based系統(tǒng)

基于計(jì)算機(jī)顯示器的AR在實(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)生的虛擬場(chǎng)景合成，并輸出到屏幕顯示器中。

用戶可以從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場(chǎng)景圖片。雖然它不能給用戶帶來太多的沉浸感，但它是最簡單的使用AR實(shí)現(xiàn)方案。

由于該方案的硬件要求很低，在實(shí)驗(yàn)室中AR大量的系統(tǒng)研究人員。

2、Video see-through系統(tǒng)

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

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究人員也使用類似的顯示技術(shù)AR穿透式廣泛應(yīng)用HMD。

根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)原理，分為基于視頻合成技術(shù)的穿透性兩類HMD（video see-through HMD）基于光學(xué)原理的穿透性HMD（optical see-through HMD）。

Video see-through加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的實(shí)現(xiàn)

3、Optical see-through系統(tǒng)

在上述兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，計(jì)算機(jī)輸入了兩個(gè)通道信息，一個(gè)是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息通道，另一個(gè)是攝像機(jī)的真實(shí)場(chǎng)景通道。

而在optical see-through HMD在實(shí)現(xiàn)方案中，去除后者。真實(shí)場(chǎng)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)過投影反射后進(jìn)入人眼，兩者通過光學(xué)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)策略在性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在基于monitor-based和video see-through顯示技術(shù)的AR在實(shí)現(xiàn)過程中，真實(shí)場(chǎng)景的圖像通過攝像機(jī)獲取，虛實(shí)圖像的組合和輸出在計(jì)算機(jī)中完成。

整個(gè)過程不可避免地會(huì)有一定的系統(tǒng)延遲，這是動(dòng)態(tài)的AR虛實(shí)注冊(cè)錯(cuò)誤的主要原因之一。

然而，由于用戶的視覺完全由計(jì)算機(jī)控制，該系統(tǒng)延遲可以通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部虛擬和真實(shí)通道的協(xié)調(diào)來補(bǔ)償。

而基于optical see-through顯示技術(shù)的AR在實(shí)現(xiàn)過程中，真實(shí)場(chǎng)景的視頻圖像傳輸是實(shí)時(shí)的，不受計(jì)算機(jī)控制，因此不可能通過控制視頻顯示率來補(bǔ)償系統(tǒng)延遲。

另外，基于monitor-based和video See-through顯示技術(shù)的AR在實(shí)現(xiàn)過程中，可以利用計(jì)算機(jī)分析輸入的視頻圖像，從真實(shí)場(chǎng)景的圖像信息中提取跟蹤信息(參考點(diǎn)或圖像特征)，輔助動(dòng)態(tài)AR注冊(cè)過程中虛實(shí)場(chǎng)景。而基于optical see-through顯示技術(shù)的AR只有頭盔上的位置傳感器可以用來輔助虛實(shí)注冊(cè)。

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