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增强现实技术(AR)发展概述

2018-1-27 20:53 901 0
简介
增强现实技术(AugmentedReality,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、视频、3D模型的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。除了看清楚你自己的世界,还可 ...

增强现实技术(AugmentedReality,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、视频、3D模型的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。除了看清楚你自己的世界,还可以亲身体验别人的世界,这就是增强现实(AR)技术带来的冲击效果之一。这种技术1990年提出。随着随身电子产品CPU运算能力的提升,预期增强现实的用途将会越来越广。

  而这一技术可以说是安防行业发展的新机遇。

  通过AR等技术与视频图像算法、视频压缩及传输、云计算、大数据等科学技术的深度融合,视频监控系统作为关键性内容的输入端和图像、数据的处理端,立足VR/AR用户体验,可以有效针对虚拟现实场景,强化其内容拼接、色差消除、景深调整、数据处理、结构化数据提取和分析等技术处理效果,为用户提供浸入式的视频感知体验,助力AR产品实现良好的体感交互,为视频监控行业创造出崭新的行业应用和市场需求,推动视频监控系统在民用、商用等领域得到更为广泛的应用。

  一、技术原理

  AugmentedReality简称AR,也被称为扩增现实(中国台湾地区)。

  增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

  增强现实技术,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。

  增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息。

  二、主要特点

  AR系统具有三个突出的特点:

  真实世界和虚拟的信息集成;

  具有实时交互性;

  是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。AR技术可广泛应用于多等领域。

  三、组成形式

  一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的,常用的有如下三种组成形式。

  (一)Monitor-Based

  在基于计算机显示器的AR实现方案中,摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中,与计算机图形系统产生的虚拟景象合成,并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然简单,但不能带给用户多少沉浸感。Monitor-Based增强现实系统实现方案如下图所示。


Monitor-based增强现实系统

  (二)光学透视式

  头盔式显示器(Head-mounteddisplays,简称HMD)被广泛应用于虚拟现实系统中,用以增强用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术,这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。根据具体实现原理又划分为两大类,分别是基于光学原理的穿透式HMD(OpticalSee-throughHMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(VideoSee-throughHMD)。光学透视式增强现实系统实现方案如下图所示。


光学透视式增强现实系统

  光学透视式增强现实系统具有简单、分辨率高、没有视觉偏差等优点,但它同时也存在着定位精度要求高、延迟匹配难、视野相对较窄和价格高等不足。

  (三)视频透视式

  视频透视式增强现实系统采用的基于视频合成技术的穿透式HMD(VideoSee-throughHMD),实现方案如图5所示。


视频透视式增强现实系统

  四、应用领域

  AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域,诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用,而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性,在医疗研究与解剖训练、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,具有比VR技术更加明显的优势。

  *医疗领域:医生可以利用增强现实技术,轻易地进行手术部位的精确定位。

  *军事领域:部队可以利用增强现实技术,进行方位的识别,获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。

  *古迹复原和数字化文化遗产保护:文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者,用户不仅可以通过HMD看到古迹的文字解说,还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。

  *工业维修领域:通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户,包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。

  *网络视频通讯领域:该系统使用增强现实和人脸跟踪技术,在通话的同时在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体,在很大程度上提高了视频对话的趣味性。

  *电视转播领域:通过增强现实技术可以在转播体育比赛的时候实时的将辅助信息叠加到画面中,使得观众可以得到更多的信息。

  *娱乐、游戏领域:增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家,共同进入一个真实的自然场景,以虚拟替身的形式,进行网络对战。

  *旅游、展览领域:人们在浏览、参观的同时,通过增强现实技术将接收到途经建筑的相关资料,观看展品的相关数据资料。

  *市政建设规划:采用增强现实技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果。

  *水利水电勘察设计:在水利水电勘察设计领域,三维协同设计稳步发展,可能会在不远的将来取代传统的二维设计,AR技术在设计领域的应用为水利水电三维模型的应用提供了更好的展示手段,使得三维模型与二维的设计、施工图纸能更加紧密地结合起来。AR技术在勘察设计领域中可以有效地应用于实时方案比较、设计元素编辑、三维空间综合信息整合、辅助决策和设计方案多方参与等方面。

  *安防领域:增强现实作为一个新型的人机接口和仿真工具,受到了安防行业热切的关注,得到了广泛的应用,显示出增强现实巨大的市场潜力,充分的发挥了创造力,是人类智能的一种扩展,提供了各种各样的应用,对生产生活都产生了很深远的影响。

  随着技术的不断发展,AR也将不断的增强,特别是随着输入和输出设备的价格不断下降,随着视频显示质量的提高,功能强大且易于使用的软件越来越实用化。AR的应用必将日益增长。

  五、发展历史

  增强现实显示器,将计算机生成的图形叠加到真实世界中。自从二十世纪七十年代早期,Pong进入电子游戏厅以来,视频游戏走进我们的生活已经有30多年了,但是一直局限在屏幕中的2D世界中,而增强现实这一新技术的到来,将通过增强我们的见、声、闻、触和听,进一步模糊真实世界与计算机所生成的虚拟世界之间的界线。

  从虚拟现实(创建身临其境的、计算机生成的环境)和真实世界之间的光谱来看,增强现实更接近真实世界。增强现实将图像、声音、触觉和气味按其存在形式添加到自然世界中。由此可以预见视频游戏会推动增强现实的发展,但是这项技术将不仅仅局限于此,而会有无数种应用。从旅行团到军队的每个人都可以通过此技术将计算机生成的图像放在其视野之内,并从中获益。

  增强现实将真正改变我们观察世界的方式。想像您自己行走在或者驱车行驶在路上。通过增强现实显示器(最终看起来像一副普通的眼镜),信息化图像将出现在您的视野之内,并且所播放的声音将与您所看到的景象保持同步。这些增强信息将随时更新,以反映当时大脑的活动。

  微软公司于2015年1月22日发布的HoloLens全息眼镜。

  六、国内外现状

  作为新型的人机接口和仿真工具,AR受到的关注日益广泛,并且已经发挥了重要作用,显示出了巨大的潜力。AR是充分发挥创造力的科学技术,为人类的智能扩展提供了强有力的手段,对生产方式和社会生活产生了巨大的深远的影响。

  随着技术的不断发展,其内容也势必将不断增加。而随着输入和输出设备价格的不断下降、视频显示质量的提高以及功能很强大但易于使用的软件的实用化,AR的应用必将日益增长。AR技术在人工智能、CAD、图形仿真、虚拟通讯、遥感、娱乐、模拟训练等许多领域带来了革命性的变化。

  总体来讲,增强现实在中国处于起步阶段,许多虚拟现实领域的企业已经开始专注于“增强现实”的研发和应用。

  目前国内外一些安防企业已开始在AR领域进行布局:Fortem公司已经成功实施一些3D/AR概念的监控平台,还有大家熟悉的Milestone/AXIS/Avigilon/BOSCH/Genetec等知名安防公司;国内大华在公布年报同时强调强化AR的研究部署;而高新兴去年年底战略入股了蚁视科技(专注于虚拟现实、增强现实、全息现实等穿戴式设备的新兴公司);中视典数字科技研发的VRP12.0就集成了增强现实的功能。


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