AR增强现实技术与应用的探奥索隐
近日,一则关于虚拟现实广泛装备美国陆军的新闻或许轰动了军事领域的关注者们,那就是“美国陆军与微软签署了一份价值4.8亿美元的合同”。据悉,美国陆军为了提高“作战能力,机动性和态势感知能力”,与微软签订了4.8亿美元的HoloLens设备,将用来配备给美国陆军军事人员,旨在为其提供更多更好的信息来做出决策。该合同的签订也预示着微软与美国国防部新领域的合作拉开了序幕。那么,微软的HoloLens设备是什么吗?
HoloLens是2016年微软首次推出的一款一体化增强现实头显设备,它具有强大的跟踪系统不仅可以映射世界实物,而且能将实物的空间数值对象显示在佩戴者的视觉中心区域。看过《七龙珠》的伙伴应该都记得贝吉塔带的那个能够显示对手战斗力眼镜吧,这个HoloLens一体化增强现实头显设备就和那个差不多。据悉,美国国家航空航天局已将该设备应用在国际空间站上用来观察火星车的运行状态。
增强现实技术一点通
增强现实技术,英文为Augmented Reality,简称AR。它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息进行“无缝”集成融合的新技术。他可以把原本在现实世界一定时间和空间范围内很难体现出的实体信息,如视觉信息、声音、味道、触觉、体积等,通过计算机等科学技术进行模拟仿真后再将虚拟的信息叠加应用到真实世界,这样能够被人类的感官所清晰的感知,从而达到超越现实的感官体验。简单的来说,增强现实技术就是把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面中,它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息或隐藏的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加,是我们对现实的环境有更清晰的认知和体验。
从增强现实所具有的功能来看,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。它可以通过虚拟建模、图像处理、多点传感、模式识别、机器学习、场景再现等技术,为人们提供一个沉浸感非常强、自然交互简易化的虚拟空间。因此,它具有虚实结合、实时交互、三维虚拟成像等先进特点。
从结构组成来说,典型的增强现实系统一般是头显设备,如头盔或者眼镜。这些头显设备一般包括显示系统、人机交互界面、虚拟合成系统、跟踪注册系统、虚拟场景发生器、场景采集系统六个部分,其典型结构图如下所示。
从技术构成来说,虽然增强现实系统涉及到很多研究领域的高新技术,但其最为关键的技术主要有跟踪注册技术、显示技术和人机交互技术等。
跟踪注册技术
对于增强现实系统来说,能够实时、准确地获取摄像机拍摄图片时的实时位置和姿态是判断虚拟物体在真实世界中对应位置的关键,只有真实位置判断准确进而才能实现虚拟物体与真实世界的正确融合。也就是说,跟踪注册技术可以将虚拟信息、真实环境进行配准注册,从而实现虚拟信息和真实场景的无缝叠加。AR产业圈将这种能够实时、准确获取摄像机位置和姿态的方法称之为跟踪注册技术。目前,跟踪注册技术主要是基于机器学习来实现跟踪物体特征的预处理和增强处理的。但如果从其图像获取与传输的途径上来分类的话,可以将跟踪注册技术分为如下三类
(1)通过光学传感器、机械传感器、硬件传感器,惯性传感器等硬件传感器对摄像机进行跟踪定位的跟踪注册技术。
(2)通过图像处理与计算机视觉技术对拍摄到的图像数据信息进行分析处理,然后识别和定位出真实环境场景,进而确定出现实场景与虚拟信息之间的对应关系的跟踪注册技术。
(3)在一些比较特殊的应用场景中,由于通过硬件传感器和图像处理与机器视这两种方式无法单独实现实时、准确获取摄像机位置和姿态,为了获取更全面现实场景与虚拟信息之间的对应关系,将硬件传感器和机器视觉进行融合来达到获取摄像机位置和姿态的一种跟踪注册技术。
显示技术
我们知道,增强现实技术最终是将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面中,让我们对现实物体有一个更直观的认识。为了达到虚实融合的逼真效果,使用低响应度、色彩丰富的显示器显得非常必要,而显示技术也就成了增强现实系统中最为关键技术之一。为了提高增强现实应用的便捷性,目前市面上比较常见的AR显示设备有头戴式显示设备、计算机屏幕显示设备、手持式移动显示设备等。头戴式显示设备主要是将用户所在环境中的真实信息与计算机生成的虚拟信息进行融合,从而为用户提供信息显示、环境录入、虚拟融合情景,这类设备系统的操作原理与虚拟现实(VR)领域中的沉浸式头盔基本相同,沉浸感较强深受广大用户的喜爱。而计算机屏幕显示设备较为传统,沉浸感较弱。但其分辨率较高,一般用于室内或大范围场景中。手持式移动显示设备由于高端智能机的普及,为手持式移动增强现实设备提供了较好的发展平台。但与头盔式显示设备相比,其虽然具有体积较小、重量较轻、便于携带的优点,但其计算机屏幕显示设备一样,沉浸感较弱。
人机交互技术
增强现实系统的目标是将虚拟世界的内容叠加到真实世界,为用户构建一个虚实融合的动感模型,从而使用户能够在现实世界中感受到近乎真实的虚拟物体,并提供人与这一增强的世界交互,这样能够显著提高增强现实系统应用效果。在这一过程中,增强现实系统需要通过三维建模技术,将虚拟物体全方位、立体化地展现出一个具有真实感的实时动感模型,以便用户能够通过对相关信息的加工和提取等操作,实现虚拟动感模型的相应更新改变,达到人机交互的完美境界。这个在美国大片《钢铁侠》中应该深有体会。
增强现实技术的应用现状
由于增强现实在一般情况下能够提供不同于人类可以感知的信息,而且更具体、更清晰、更全面、更立体化,目前已广泛应用于军事科研、工业生产、医医疗手术、教育培训、商业贸易、娱乐游戏等多个领域,并取得了显著成效,具体情况如下:
(1)军事领域
由于增强现实技术可以将真实世界与虚拟世界融合起来,而且允许用户实时交互,故被在军事领域的多个方面都有所应用,比如前面提到的航空航天和陆军单兵作战系统等。由于其强大的虚实结合与人机交互功能,使得其在数字化战场上的作用显得越来越突出。举个例子来说吧,如果把增强现实技术引入到战场上,它将能够根据输入的敌我部队位置信息,向作战队员显示战场真实的场景,实现战场信息的可视化。
(2)工业生产领域
在工业领域,产品的生产、制造与维修过程是十分复杂的,一般含有成百甚至上千个步骤。一旦那个步骤在操作过程发生错误,都将会造成较大的损失。增强现实技术通过构造一个虚拟的3D模型,并在增强显示的环境中按照机械装置的装配、研发、生产、制造、维护和修理等过程进行模拟训练,从而减少错误的发生,提高生产与维修效率,同时也尽可能地降低损失。
(3)医疗手术领域
由于很多医学手术具有较高的风险性,任何小误差的操作都可能带来人命关天的大问题。增强现实技术可根据CT或医学磁共振成像的图片构造与病人身体器官一模一样的三维虚拟模型,从而可以使医生能够按照患者的实际情况进行手术预演,从而降低手术风险率。
(4)教育培训领域
前面也提到过,增强现实技术是一种沉浸式的体验模式,将其引入到教育培训领域,能够将相关的教育培训资料及信息整合到师生能够观察到的现实场景中,为师生提供身临其境的学习环境,这将有助于激发学生的学习兴趣和主观积极性。同时,虚拟的三维模型也将有助于学生从不同视角了解与交互虚拟模型,增强学生对实物的理解。
(5)商业贸易领域
由于增强现实技术具有强大的产品展示和人机互动能力,使得商业贸易能够在产品生产出来之前,根据产品的定义进行产品在增强显示的环境中进行演示。这将极大促使购买者根据体验效果而做出适宜的购买决策,同时也将极大地提升客户的满意度,避免了退货和产品挤压的问题。
(6)娱乐游戏领域
增强现实技术在娱乐游戏领域的应用应该大家都不陌生,因为无论是电视的虚拟剧情中,还是现实世界的游乐场中,我们都不难发现增强现实技术的实例。如在影视制作中引入增强现实技术,可以在真实拍摄的场景的基础上加入一些危险的如汽车爆炸、或者不存在的虚拟景象如恐龙等。这将会大大简化影视制作中动画特效制作的工作量,也将大大降低影视制作的成本。
结束语
在计算机视觉、精密传感、人工智能、环境感知等技术的推动下,增强现实技术无论是跟踪注册精度、显示设备性能,还是人机交互自然性上都有很大提高,已引起了各个领域的广泛关注,并在在军事、商业、科研、医疗等领域取得了显著的应用成效,预示着其强劲的发展势头。增强现实系统由于可以将输入的信息经过分析处理后渲染成为一个较为真实的场景空间,同时还可以将根据输入的真实信息以及计算出来的虚拟信息叠加显示在真实的场景空间中,形成一个虚实融合的增强现实环境,并借助人机交互技术使得使用者不仅能够看到展示的结果,而且可以对真实的场景空间中的动态模型进行加工和提取等,已经是公认的二十一世纪最有代表性的技术之一,未来必将向着更真实、更精确、更实用方向发展,也必将推动军事、医疗、教育等领域的有一次变革。
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