增强现实（AR）技术的研究进展及应用

摘 要：增强现实技术是近年来的一个研究热点，有着广泛的应用前景增强。现实是把计算机产生的虚拟物体或其他信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术。它是对真实世界的补充，而不是完全替代真实世界。显示技术和跟踪注册技术是增强现实系统关键技术，也是研究的重点本文简要介绍了头盔显示器、显示投影式显示、手持式显示器显示和普通显示器显示等显示技术以及跟踪注册技术。最后提到了目前增强现实技术应用和将来的发展方向。

引 言

增强现实(Augmented Reality 简称AR) 技术是近年来的一个研究热点，有着广泛的应用前景。它是对现实世界的补充，使得虚拟物体从感官上成为周围真实环境的组成部分。与传统的虚拟现实(Virtual Reality 简称VR)不同，增强现实只是实现对现实环境的增强，加深了对现实环境的感受。

增强现实增强了用户对现实世界的感知能力和与现实世界的交互能力如图。

Milgram根据用户界面中计算机生成信息的比例的大小定义了一个真实环境到虚拟环境连续体，他认为增强现实是混合现实环境中的一部分。

1 增强现实的显示技术

增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和现实世界的融合。显示技术是增强现实系统的基本技术之一。一般而言，可以把增强现实的显示技术分为以下几类：头盔显示器、显示投影式显示、手持式显示器显示和普通显示器显示。

1.1 头盔显示器(Head-mounted display, 简称HMD)显示

现有的虚拟现实技术的人机界面中大多采用头盔显示真实世界器。主要原因是头盔显示器较其他几种显示技术而言沉浸感最强。因为用于增强显示系统的头盔显示器能够看到周围的真实环境，所以叫做透视式(see-through)头盔显示器。

透视式头盔显示器一般分为视频透视式(Vedio seethrough)和光学透视式(Optical see-through )。前者是利用摄像机对真实世界进行同步拍摄，将信号送入虚拟现实工作站在虚拟工作站中将虚拟场景生成器生成的虚拟物体同真实世界中采集的信息融合，然后输出到头盔显示器。而后者则是利用光学组合仪器直接将虚拟物体同真实世界在人眼中融合，实现增强(如 图2).

还有一种更为奇特的方法是虚拟视网膜显示技术(Virtual Retinal Display 简称VRD )。华盛顿大学的人机界面实验室(HIT Lab) 研究出的VRD 是通过将低功率的激光直接投射到人眼的视网膜上，从而将虚拟物体添加到现实世界中来。

1.2 投影式显示projection display

投影式显示是将虚拟的信息直接投影到要增强的物体上，从而实现增强。日本Chuo 大学研究出的PARTNER 增强现实系统可以用于人员训练，并且使一个没有受过训练的试验人员通过系统的提示，成功地拆卸了一台便携式OHP(Over Head Projector)。

另外一种投影式显示方式是采用放在头上的投影机(Head-Mounted Projective Display 简称HMPD)来进行投影。美国伊利诺斯洲立大学和密歇根洲立大学的一些研究人员研究出一种HMPD 的原型系统。该系统由一个微型投影镜头一个戴在头上的显示器和一个双面自反射屏幕组成。

由计算机生成的虚拟物体显示在HMPD 的微型显示器上，虚拟物体通过投影镜头折射后再由与视线成45 的分光器反射到自反射的屏幕上面。自反射的屏幕将入射光线沿入射角反射回去进入人眼中从而实现了虚拟物体与真实环境的重叠(如图3 所示)。

1.3 手持式显示器(Hand Held Display 简称HHD)显示

通过采用摄像机等其他辅助部件，一些增强现实系统采用了手持式显示器。美国华盛顿大学人机界面技术实验室设计出了一个便携式的MagicBook 增强现实系统 。该系统采用一种基于视觉的跟踪方法把虚拟的模型重叠在真实的书籍上，产生一个增强现实的场景同时该界面也支持多用户的协同工作。日本的SONY计算机科学实验室也研究出一种手持式显示器，利用这种显示器，构建了TransVision 协同式工作环境。

1.4 普通显示器显示Monitor-based Display

增强现实系统也可以采用普通显示器显示。在这种系统中，通过摄像机获得的真实世界的图像与计算机生成的虚拟物体合成之后在显示器输出。在需要时也可以输出为立体图像这时需要用户戴上立体眼镜。

2 增强现实的注册技术

注册技术是增强现实系统最为关键的技术之一，注册实际上就是将计算机生成的虚拟物体和真实环境中景象“对齐”的过程。注册必须先确定虚拟物体与观察者之间的关系，然后通过正确的几何投影将虚拟物体投影到观察者的视野中。注册一般分为动态注册和静态注册。动态注册是摄像机与真实物体相对运动的情况下，确定二者的相对位置静态注册是摄像机与真实物体相对静止的情况下确定