增强现实（AR）技术的研究进展及应用

二者的相对位置。 在目前的增强现实系统中，绝大多数是采用的动态注册。动态注册技术一般可以分为两种，基于跟踪器的注册技术和基于视觉的注册技术。

2.1 基于跟踪器的注册技术

跟踪的主要目的是记录真实世界里的观察者的方向和位置，以便保持虚拟空间和真实空间的连续性，实现精确的注册一般主要有以下几种：跟踪技术飞行时间定位跟踪、机构联接、跟踪相差跟踪、场跟踪、复合跟踪系统。

1) 飞行时间(Time of Flight,简称TOF)定位跟踪系统

这种方法就是利用一些手段测量运动目标和参照物之间的距离，然后推导出运动目标在虚拟环境中的坐标。前提是假定脉冲信号的传播速度为常数，通过测定接收装置接收相临两次脉冲信号之间的时间来确定运动目标相对于参照物的距离。

2) 机构联接跟踪系统

最为典型的机构联接跟踪方式是直接用机构联接参照物和运动目标。机械式的跟踪一般可以分为两类:一种各种机构的组合,另外一种就是采用弹簧来联接.当弹簧处于张紧状态时,就可以通过弹簧的参数计算出距离.

3) 相差(phase difference )跟踪系统

相差跟踪系统是通过测量参照物和运动目标上的同频率信号的相位差来进行跟踪的.采用的信号大多数是超声波信号,它的缺点就是会有误差积累,同时超声波信号易受环境的温度湿度和超声波噪声的影响.其优点就是能够有比较高的数据采集速度比TOF 超声波跟踪系统有更高的精度.

4) 场跟踪系统

用来跟踪的场包括电磁场和重力场,用得比较普遍的是电磁场.电磁场跟踪采用的是线圈作为信号发生器,通过测量通过接收器的磁通量就可以确定接收器和信号源之间的相对距离.

电磁场跟踪系统价格便宜结构紧凑而且重量轻广泛应用于各种增强现实系统中.另外一种场跟踪系统是基于重力场的,采用的测量仪器一般是倾角计和加速度计.

5) 复合跟踪系统

复合跟踪系统指的是在同一增强现实系统中采用两种以上的跟踪方式,以实现各种跟踪方式的优势互补.但是复合跟踪系统往往会提高系统的复杂性和成本.

2.2 基于视觉的注册技术

基于视觉的注册是通过给定的一幅或者多幅图像来确定摄像机和真实世界中目标的相对位置和方向.就目前的研究情况来看基于视觉的注册主要有两种情况,一种是事先对相机定标,对获取的图像进行分析.计算相机的位置;另外一种是通过仿射变换来实现注册。

1) 通过对相机定标注册

相机定标就是获取相机的内部参数然后根据这些参数和获取的图像来计算相机的位置和方向。这实际上是一个从三维场景到二维成像平面的转换过程。通常关心的相机参数包括镜头的焦距以及传感器像元的高度、宽度、高宽比等。

国内也有研究人员从事动态注册的研究[3]。文献[3]介绍了相机定标以及跟踪的算法，并且以PC 为平台，实现了这个算法。

2) 通过仿射变换注册

通过仿射变换注册实际上是计算机图形学和计算机视觉技术在增强现实系统设计中的一个运用。Konenderink 等人曾提出，给定三维空间中任何至少四个不共面的点空间中任何一个点的投影变换都可以用这四个点的变换结果的线性组合来表示。

通过引入全局仿射坐标系的定义，将虚拟物体和真实世界置于同一个统一的坐标系下面，从而很方便地实现了注册。不仅如此该注册方法也实现了深度的估计。国

外Kiriakos等人也讨论过类似的系统，并且通过该方法设计出了具体的增强现实系统 。通过仿射变换实现注册是增强现实注册技术的一个突破它绕开了传统的跟踪、定标等一些繁琐而且容易出现较大误差的注册方法，实现了通过计算机视觉的分析进行注册。

3 增强现实系统的运用

由于增强现实系统既有虚拟的成分，同时也有现实世界的真实环境使得增强现实系统成为除了现实世界之外的最有沉浸感的环境。增强现实系统将成为一种新型的媒介，逐渐深入到从医学到军事等各个领域。

3.1 医学

增强现实运用到医疗中，可以使外科医生在给病人动手术的过程中，看到注册到病人身体上的CT 或者MRI 图像。不仅如此，增强现实系统还可以用于医疗教育培训中。另外，增强现实还可用于虚拟人体解剖图、虚拟人体功能、虚拟手术模拟、远程手术等并且可以用于康复医疗。

3.2 娱乐

增强现实系统广泛应用于各种娱乐活动中。虚拟演播室技术是增强现实在传统视频合成技术的基础上发展的结果。 同时增强现实技术还可用于各种游戏体育比赛的转播等。

3.3 机器人技术

增强现实技术可以用于机器人视觉、遥控机器人等方面。采用增强现实技术可以给空间机器人的操作员一个具有沉浸感的环境，使得操作起来更容易。除了空间机器人以外在许多诸如采矿深海潜水等许多危险的工作环境中，也可以采用增强现实技术。

3.4