增强现实(AR)系统组成及实用领域综合分析.doc

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增强现实(AR)系统组成及实用领域综合分析
一、相关定义解析
（一）虚拟现实定义
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，用户借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。
即虚拟现实是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。
图表　虚拟现实技术基本原理

资料来源：产研智库
（二）增强现实定义
增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种利用计算机系统产生三维信息来增强用户对现实世界感知的新技术。一般认为，AR技术的出现源于虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）的发展，但二者存在明显的差别。传统VR技术给予用户一种在虚拟世界中完全沉浸的效果，是另外创造一个世界；而AR技术则把计算机带入到用户的真实世界中，通过听、看、摸、闻虚拟信息，来增强对现实世界的感知，实现了从“人去适应机器”到技术“以人为本”的转变。
图表　增强现实技术原理

资料来源：产研智库
（三）混合现实定义
混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。
图表　VR、AR及MR关系图

资料来源：产研智库
二、增强现实系统组成分析
（一）Monitor-based系统
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。它虽然不能带给用户多少沉浸感，但却是一套最简单使用的AR实现方案。由于这套方案的硬件要求很低，因此被实验室中的AR系统研究者们大量采用。
图表　Monitor-based增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库
（二）Video see-through系统
头盔式显示器（Head-mounted displays-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，分别是基于视频合成技术的穿透式HMD（video see-through HMD）和基于光学原理的穿透式HMD（optical see-through HMD）。
图表　Video see-through增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库
（三）Optical see-through系统
在上述的两套系统实现方案中，输入计算机中的有两个通道的信息，一个是计算机产生的虚拟信息通道，一个是来自于摄像机的真实场景通道。而在optical see-through HMD实现方案中去处了后者，真实场景的图像经过一定的减光处理后，直接进入人眼，虚拟通道的信息经投影反射后再进入人眼，两者以光学的方法进行合成。
图表　Optical See-through增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库
（四）三种系统结构的性能比较
三种AR显示技术实现策略在性能上各有利弊。在基于monitor-based和video see-through显示技术的AR实现中，都通过摄像机来获取真实场景的图像，在计算机中完成虚实图像的结合并输出。整个过程不可避免的存在一定的系统延迟，这是动态AR应用中虚实注册错误的一个主要产生原因。但这时由于用户的视觉完全在计算机的控制之下，这种系统延迟可以通过计算机内部虚实两个通道的协调配合来进行补偿。而基于optical see-through显示技术的AR实现中，真实场景的视频图像传送是实时的，不受计算机控制，因此不可能用控制视频显示速率的办法来补偿系统延迟。
图表　三种AR显示技术实现原理示意图

资料来源：产研智库
另外，在基于monitor-based和video See-through显示技术的AR实现中，可以利用计算机分析输入的视频图像，从真实场景的图像信息中抽取跟踪信息（基准点或图像特征），从而辅助动态AR中虚实景象的注册过程。而基于optical see-through显示技术的AR实现中，可以用来辅助虚实注册的信息只有头盔上位置传感器。
三、增强现实产业链全景
中国增强现实产业主要参与者由生态级增强现实公司、增强现实软件公司、增强现实硬件公司、增强现实衍生品公司构成。增强现实产业链是研发主导型产业链，谁掌握核心底层技术及其标准，谁就能成为产业链的主角。因此，拥有核心底层技术的增强现实软件公司占据产业链的主导地位，是行业发展的制约因素。这些公司融合跟踪定位技术、用户交互技术、虚拟融合技术等；增强现实核心底层技术，推出增强现实软件应用开发软件工具，以帮助增强现实硬件公司和衍生品公司的发展便捷地进行应用开发或创意内容开发。
图表　中国增强现实产业链地图

资料来源：产研智库
四、虚拟现实与增强现实对比分析
（一）侧重点不同
VR强调用户在虚拟环境中视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没，强调将用户的感官与现实世界绝缘而沉浸在一个完全由计算机所控制的信息空间之中。
AR不仅不隔离周围的现实环境，而且强调用户在现实世界的存在性并努力维持其感官效果的不变性。AR系统致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体，从而增强用户对真实环境的理解。
（二）技术不同
VR侧重于创作出一个虚拟场景供人体验。AR强调复原人类的视觉的功能，比如自动识别跟踪物体，而不是手动指出；自动跟踪并且对周围真实场景进行3D建模，而不是照着场景做一个极为相似的。
（三）设备不同
VR通常需要借助能够将用户视觉与现实环境隔离的显示设备，一般采用浸没式头盔显示器。
AR需要借助能够将虚拟环境与真实环境融合的显示设备。
（四）交互区别
因为VR是纯虚拟场景，所以VR装备更多的是用于用户与虚拟场景的互动交互，更多的使用是：位置跟踪器、数据手套、动捕系统、数据头盔等等。
由于AR是现实场景和虚拟场景的结合，所以基本都需要摄像头，在摄像头拍摄的画面基础上，结合虚拟画面进行展示和互动，比如Google Glass。
（五）应用区别
虚拟现实强调用户在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没，对于人的感官来说，它是真实存在的，而对于所构造的物体来说，它又是不存在的。因此，利用这一技术能模仿许多高成本的、危险的真实环境。因而其主要应用在虚拟教育、数据和模型的可视化、军事仿真训练、工程设计、城市规划、娱乐和艺术等方面。
增强现实并非以虚拟世界代替真实世界，而是利用附加信息去增强使用者对真实世界的感官认识。因而其应用侧重于辅助教学与培训、医疗研究与解剖训练、军事侦察及作战指挥、精密仪器制造和维修、远程机器人控制、娱乐等领域。
五、增强现实国内外市场比较
（一）硬件配置
国外AR头戴显示器配置全息处理器、景深摄像头、高精度传感器等超越Google Glass的硬件。中国大部分AR头戴显示器是在Google Glass基础上，改进交互方式、佩戴方式、电池容量、分辨率等。
（二）特色功能
国外AR头戴显示器可实现实时环境扫描、实时三维建模、与全息图像交互等超越手机的功能。中国AR头戴显示器功能基本是：拍照、摄像、发短信、通话、导航、上网，仅Baidu Eye具备基于深度学习的推送、识别功能。
（三）应用场景
国外AR头戴显示器可应用于三维设计、三维游戏、辅助医疗教学等领域。中国大部分AR头戴显示器由于功能与Google Glass相似，应用场景基本相同。
总体来看，中国AR头戴显示器市场处于行业初期，相比国外市场，价格具有优势，但自主创新能力不足。
目前国内增强现实头戴显示器市场盈利模式主要以硬件销售为主，行业定制化软件开发盈利处于探索期；按照产品定位，行业用户分别针对商业市场、消费级市场用户；市场主要参与者中国市场AR头戴显示器参与者较少，除百度、联想以外，以初创公司为主。
六、增强现实应用领域分析
（一）工业制造
通过头戴显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、设备的内部结构、设备零件图等。
（二）医疗领域
医生可以利用增强现实技术，在患者需要进行手术的部位创造虚拟坐标，进行手术部位的精确定位。
医生们如今可以使用AR技术作为外科手术的可视化和培训设备。使用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）、计算机断层扫描（Computed Tomography scans）、超声波图像诊断（ultrasound imaging）等非侵入式传感器，可以实时的收集到一个病人的三维影像数据集。这些数据集可以实时得到渲染，并和病人实体进行结合。在效果上来看，这会让医生得到病人体内的“体内X射线视图”。在最低创伤外科手术（小刀口或者不需要刀口的手术，从而减小创伤）中，这将变得尤其有用。因为在一般的最低创伤外科手术中，医生很难看到病人体内的状况，这使得手术变得尤其困难。AR技术却能在这时提供体内视图，而完全不需要刀口。
AR当然也可以在外科病房中的日常的可视化任务上发挥作用。外科医生可以使用裸眼，发现一些他们单独在MRI或者CT中无法看到的病人生理特征。AR可以让外科医生们同时得到这两种视图。这样的视图还能用于执行一些精准操作，例如，在外科头部手术中显示在头盖骨的哪里钻孔，或者对一个小肿瘤执行穿刺活检。从非侵入式传感器得到的信息，将和病人实体结合并显示出来，精准的告诉医生从哪里开始他的手术。
（三）军事领域
军队可以利用增强现实技术，创造出虚拟坐标以及所在地点的地理数据，帮助士兵进行方位的识别，获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。
（四）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（比如球员数据）叠加到转播画面中，使得观众可以得到更多的信息。
（五）娱乐游戏领域
增强现实游戏可以让位于不同地点的玩家，结合GPS和陀螺仪，以真实世界为游戏背景，加入虚拟元素，使游戏虚实结合。
（六）教育领域
增强现实技术可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性。
（七）文化古迹
文化古迹的信息以增强现实的方式提供给参观者，用户不仅能获取古迹的文字解说，还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。
（八）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。
（九）市政建设规划
采用增强现实技术将规划效果叠加到真实场景中，可直接获得规划的效果。