简述增强现实的工作原理、技术需求以及解决方案

文章相关引用及参考：arvrjourney

AR一定能够在未来的日常生活中找到一席之地。

（映维网 2017年12月29日）增强现实的工作原理是什么呢？通过将数字信息叠加在周围环境，AR能够将现实世界与数字世界融为一体。从图像到视频，再到3D模型，这可以是任何种类的数据。与虚拟现实的完全沉浸相比，AR用户仍然可以感受由计算力视觉增强的现实世界。

增强用户周围的现实是AR的主要的和唯一的目标。要实现这一点，解决方案有很多。但遗憾的是，不存在将计算机视觉带到真实世界的理想方法。相关的技术可以分为几种类型，而每种类型的增强现实都存在自己的要求，优点和缺点。下面，映维网将向大家介绍这一系列的方法：

1. 不同的AR解决方案

1.1 SLAM

即时定位与地图构建（SLAM）是增强现实技术中最先进的技术之一。通过处理一系列复杂的算法和管理传感器数据，SLAM可以映射未知的环境，并且同时确定自己的定位。

SLAM的概念诞生于上世纪80年代，但我们在近几年才真正开始实现这种技术。两个主要的原因是：

1. 仍然需要预先存在的环境映射来正确定位。
2. 对设备硬件的要求相当高，所以在以往十分难以实现。

大多数开发商都认为，SLAM将成为自动驾驶的关键驱动力，无人驾驶飞机、自动驾驶汽车、甚至机器人都将使用SLAM技术。

1.2 基于标记的AR

基于标记的解决方案（也被称为“图像识别”）是全世界最流行的方法之一。基于标记的追踪需要摄像头和特殊的触发标记，而AR标记可以是从二维码到印刷图像的任何一切。另外，触发标记可以集成至任何真实世界的对象中。由于设备与用户可以轻松识别二维码，所以这成为了流行的解决方案。

当应用程序识别标记后，系统将恢复与之相关的特殊数字内容。在这种情况下，系统将计算AR内容和标记的位置。所以，标记的位置变化同样会影响AR内容的位置。另外，一些AR模型是专门设计成完全覆盖它们的标记。

基于叠加的方法是某种升级版技术。对于这种场景，一个增强版本的对象将取代真实的对象。这意味着杂志中的图像可能会变成3D模型或AR视频。另外，设备的识别能力将发挥主导作用。

1.3 基于地理位置的AR

这种技术主要使用GPS数据，集成指南针，陀螺仪和加速度计来提供有关对象当前位置的信息，而这些数据将决定你在身边所找到和体验的AR内容。

在这种情况下，增强现实内容应该包含附加的数据（如GPS数据），因此大部分内容都与真实场所相关联。基于无标记方法的应用包括：

• 线下事件和信息。
• 商业和广告弹出窗口。
• 导航支持。

1.4 基于投影的AR

这种方法主要是基于投射人造光，并且感知其变化。它允许用户与投影灯进行交互，从而与应用程序进行交互。由于可以感测真实表面上已知的（或预期的）光反射差异，基于投影的方法是一种行得通的解决方案。因此，特殊的变化可以触发应用程序对其作出反应。

基于投影的逆向方法就是科幻作品中常见的全息图。对于全息图，其主要是通过等离子体激光功能将三维交互模型直接投影至现实世界之中。

1.5 增强现实设备

大部分现代设备都能支持增强现实。这可以包括普通的智能手机，平板电脑，以及专用设备。谷歌眼镜和平视显示器等工具可以增强用户眼前的现实。另外，手持设备则可以通过摄像头来增强我们的现实，然后通过显示屏向用户展示结果。

随着时间的推移，AR技术将会不断发展。这些进步会对AR技术的不同方面产生影响，特别是它们的功能和硬件要求。这将能带来更灵活的实现载体，比如隐形眼镜，甚至是视网膜显示器。

2. 硬件要求

与其他任何技术一样，增强现实对硬件或设备也提出了自己的要求。其中一些是：

2.1 传感器与摄像头

传感器主要用于采集有关用户在现实世界中的行为信息，并将其解读为数据。另一方面，摄像头则用于采集有关用户周围的数据。通过处理和解读这两个数据流，系统能够为用户提供自然的增强现实体验。

2.2 处理器

无论是什么设备，它都应该包含足够的资源来处理和解读信息。而且，它应该可以访问来自以下方面的数据：

• 加速度计
• 陀螺仪
• 指南针
• GPS
• Wi-Fi连网（可选）

为了管理每一个数据位，设备应该有足够的CPU，GPU，RAM和闪存。

2.3 显示

为了向用户提供最好的增强现实，设备应该拥有足够的显示能力。 首先，它需要向用户呈现AR内容。

• 显示：提供真实世界和数字模型的融合影像。
• 投影：提供呈现在任何真实世界表面上的AR内容，无需呈现在显示器中。
• 反射：反射镜是投影系统中的关键，其可以从人造光束中产生全息图。

3. 适用于增强现实的移动设备

智能手机和平板电脑等现代移动设备都需要使用硬件，传感器，显示器和处理器。与此同时，今天大多数人已经拥有了这样的日常设备。对于移动AR，其发展的主要优势在于：拥有广阔的潜在用户群。

另外，用户已经十分熟悉通过移动应用来实现不同的目的。我们用移动设备来消磨时间，用移动设备辅助业务分析，日常活动，兴趣爱好，甚至是体育运动。所以，移动AR开发者的主要任务就是开发出可以满足受众需求的AR产品。

最后，为移动设备开发AR应用的成本通常比为特定AR设备开发应用更低。

4. 特殊的增强现实设备

这个类别包括所有专门为用户提供增强现实的设备。当然，它们彼此之间不尽相同，有着各种宽泛的功能选项，但所有这一切都只是用于支持AR技术的额外功能，或者只是为了简化用户体验。

4.1 平视显示器

平视显示器（HUD）可以直接在用户视场中提供视觉数据。平视显示器最初是为军队飞行员而设计和制造，但随着时间的推移，民用领域发现了平视显示器的应用。除传统军事领域外，这种设备还用于民用航空，汽车，以及工业和体育领域。

从过去到现在，标准的平视显示器技术堆叠主要包括三个主要部分：

• 投影仪单元：负责在显示器上投影图像。
• 合成器：这是用于捕捉投影仪单元的光线，并允许用户看到AR图像的玻璃。
• 视频生成计算机：包括处理和生成数据所需的全部硬件。

4.2 增强现实眼镜（或者说智能眼镜）

自著名的谷歌眼镜亮相以来，市场上出现了一系列旨在实现眼镜式AR头显的项目和初创公司。

• Meta专注于谷歌眼镜所不能实现的方面。他们的设备能够将AR内容叠加在用户周围的环境中。另外，其允许用户通过双手操作AR内容。
• SeeThru是第一批真正实现无线AR的眼戴设备。然而，它们不采集用户周围环境的信息，它们的内容依赖于GPS数据，以及自己对相关位置所采集的数据。
• Icis的增强现实眼镜看起来像是传统的眼镜产品，而且它们包含支持AR功能所需的一切。

4.3 增强现实隐形眼镜（或者说智能隐形眼镜）

我们正朝着科幻作品所描述的未来前进。三星和索尼都宣布他们正在研发支持AR的隐形眼镜。

• 三星将这种隐形眼镜作为智能手机的配件。它可以通过大量的摄像头，传感器和发射器来将额外的数字信息叠加在真实环境之中。
• 索尼很少讨论增强现实，但他们将隐形眼镜设计成独立设备，并为其配备了自己的功能套件。不仅只是支持AR，索尼的设备同时能够拍照，捕捉视频，甚至是存储数据。

4.4 虚拟视网膜显示器

虚拟视网膜显示器（VRD）主要是通过将低功率激光直接投射到用户的视网膜上来创建图像。这可以创建出明亮，高对比度和高分辨率的图像。与其他增强现实设备不同，虚拟视网膜显示器不需要任何透明元素或显示器。

5. 总结

尽管增强现实技术在早已出现，但直到现在才得以大力发展。任何科技巨头都不会忽视AR的发展趋势，他们希望能够成为这场革命的一部分。谷歌，Facebook，苹果，索尼和三星至今已向AR领域投入了数十亿美元。

但对于大多数AR开发者来说，除了专用AR设备之外，移动AR是一个不容忽视的市场。这主要是因为如下优势：

• 世界上大部分地区已经出现了兼容移动AR的智能手机和平板电脑。
• 在短期内，大多数人都不会购买智能眼镜和智能隐形眼镜等AR设备。
• 为移动AR开发应用的成本比专用AR设备要低，而且更快，更简单。
• 在日常应用中，人们更倾向于使用移动设备而非智能眼镜，因为这种设备尚未准备好进入主流市场。

但随着时间的流逝，一切都可能发生改变。但可以肯定的是，AR一定能够在未来的日常生活中找到一席之地。