增强现实技术发展趋势研究

吴雪薇　王利双　张盈盈

【摘 要】近几年来增强现实技术迅猛发展，本文将基于在华专利申请分析，对现有的增强现实技术进行综述性的介绍。本文的研究重点是在全球增强现实技术快速发展的背景下，着重研究中国境内增强现实核心技术的发展，通过分析近几年来增强现实技术的相关专利申请，对增强现实的关键技术进行了梳理，为国内相关学者提供参考。

【关键词】增强现实;智能交互;虚拟显示

中图分类号： TP18;TU984 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）30-0223-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.114

0 引言

随着虚拟现实技术发展，计算机硬件设备的升级，人们不满足于能够呈现虚拟场景，越来越期待能够与虚拟世界进行交互，因而增强现实技术应运而生。增强现实Augment Reality（AR）能够将虚拟场景和真实世界中的场景无缝融合，并将融合后的场景呈現给用户，使得用户能够通过自然的操作与虚拟世界进行实时交互，从而产生身临其境感觉的交互式视镜仿真和信息交流。随着跟踪注册技术的进步，计算机性能的飞速发展，深度摄像机的普及等技术的发展，增强现实成为近年来的技术研究热点，在娱乐、游戏等多个领域得到了应用。

AR技术的原理主要是通过追踪虚拟物体在真实环境中的三维坐标，以实现虚拟信息与真实环境的实时融合，由此增强现实主要表现出三个特点：（1）真实环境与虚拟世界的融合;（2）具备实时交互性;（3）在三维空间中定位展现虚拟物体。

2 增强现实核心技术

2.1 三维跟踪注册技术

三维跟踪注册技术是指系统实时精确计算摄像机相对于真是世界的位置和姿态，以便将虚拟场景正确的安置到它所应处的位置，以便于按照观察者的视场重建坐标系。常用的三维跟踪注册技术主要有三类：一种是基于硬件设备的跟踪注册技术，即基于位置的跟踪技术，一种是基于机器视觉的跟踪注册技术，还有一种是基于混合的跟踪注册技术。

近年来的国内相关专利申请情况如图1所示。

图1 三维跟踪注册技术发展趋势

2.1.1 基于位置的跟踪注册技术

基于位置的三维跟踪注册技术类方案主要特点在于根据信号的发射器和感知器获取的数据求出物体的相对空间位置和方向以及移动信息，进而计算出摄像机或者智能设备相对于正式世界的姿态。基于位置的三维跟踪注册技术主要涉及全球定位系统（GPS），超声波定位仪，惯性导航系统，陀螺仪，磁跟踪器，加速度传感器，3维电子罗盘，机械跟踪器等等硬件传感器，通过搭载上述传感器的便携设备进行数据获取。

2.1.2 基于视觉的跟踪注册技术

基于视觉的跟踪注册技术即是从真实环境中获取一幅或者多幅图像，然后标定摄像机与目标间的相对位置和方向。

2.2 虚实融合显示技术

将虚拟目标添加到真实视频场景中并显示给用户，给用户以良好的视觉感观是虚实融合显示需要解决的问题。将计算机生成的虚拟信息与用户所处真实环境融合在一起，是增强现实的第二核心技术。目前，显示常常依托的技术有手持式显示器，空间投影显示以及可穿戴式显示器例如头盔等。

近年来的国内相关专利申请情况如图2所示。

图2 虚拟融合显示技术发展趋势

2.2.1 移动手持式显示

手持式增强现实显示设备借用手持式移动终端如手机、平板电脑等的显示屏幕作为增强现实图像的显示设备。手持式显示设备所生成的图像可以在手臂伸展的范围内自由移动，然而显然需要至少占用一只手，将会对使用者的操作与控制带来不便，同时使用移动终端显示屏幕作为增强现实显示设备时，还对移动终端自身的性能和能耗都提出了较高的要求。

2.2.2 空间式显示

空间式显示设备通过多种技术使得用户可以直接参与到三维空间的增强现实交互中，具体包括基于屏幕的视频穿透显示、空间光学穿透显示和基于投影的空间显示灯。投影设备能够将图像投影到大范围的环境中，更适合室内应用环境。然而空间式显示设备由于其体积庞大，只能应用于固定的显示领域，缺乏沉浸式体验，但对于演示三维模型等应用具有突出的优势。

2.2.3 可穿戴式显示

可穿戴显示设备一般都集成有双摄像头，以及双目显示器，实现现实与虚拟场景融合的立体显示效果。除了这种基于摄像机视频捕捉到双目显示器的视频透视穿戴显示设备，透过将叠加的虚拟物体和数字信息直接投影到光学眼镜片的光学透视可穿戴显示设备也是未来增强现实穿戴显示设备便携化的发展趋势。

2.3 智能交互技术

交互技术是增强现实系统中与显示技术和跟踪注册技术密切相关的技术，满足了人们在虚拟和现实世界自然交互的愿望。增强现实技术本身作为一种新型的人机交互接口，存在多种方式实现人机交互，可分为四类：鼠标、键盘及手柄交互技术、触敏显示屏交互技术、三维手势交互技术、投影交互技术，人机交互技术为增强现实系统带来了广泛的应用。

近年来的国内相关专利申请情况如图3所示。

图3 智能交互技术发展趋势

2.3.1 鼠标、键盘及手柄交互技术

传统的人机交互手段，如鼠标，键盘及手柄，其操作方式并不能很好的适应增强现实这种需要在现实三维空间进行人机互动的全新应用场景。

2.3.2 触敏显示屏交互技术

触摸屏虽然在一定程度上方便了人的输入操作，提高了一些用户体验，只能将人手固定于物理存在的二维屏幕平面上进行操作，这也不符合人最自然的操作习惯，会受设备物理尺寸的限制，需要占据一定的物理空间，且屏幕易受环境光线影响，操控起来并不方便，用户体验也受到很大的限制。

2.3.3 三维手势交互技术

使用电子设备捕获用户手势、动作作为输入，降低了用户对操作设备的学习成本，符合人体自然地交互操控与便携信息处理硬件设备的分体设计，使人能够更集中精力于其所关注的信息而不是硬件设备本身，无需物理存在的键盘或触摸屏，人体动作捕捉或手势识别这种全新的三维空间交互技术，能够以更准确的方式让使用者在现实场景中实现与虚拟物体的互动，同时辅助逐渐成熟的语音识别、3D虚拟环绕声、虚拟触感反馈等多模态交互技术，实现了更自然的虚实融合的人机交互方式，从而极大地增强了用户体验。

2.3.4 投影交互技术

投影互动触摸技术，将操作菜单等可交互操作的画面投影到一平面内，区别于将图像生成与固定的设备表面，投影交互技术能够将图像投影到大范围的环境之中，更适合室内增强现实应用环境。

3 结语

本文通过对中文专利库中与增强现实技术相关的专利进行统计分析，得出以下结论：现有技术中，增强现实技术的核心技术主要在于三块：三维跟踪注册、虚实融合显示以及智能交互技术。其中，这三类技术的申请量差距并不太大，主要原因在于，一个完整的能给用户实现良好体验的增强现实系统，给目标物体定位并进行虚实场景融合显示给用户，并进行交互，这三个关键技术点无法绕开。

增强现实这个领域目前比较活跃，将虚拟环境与真实场景无缝结合，使用户能不仅能够与真实场景交互，同时也能与虚拟物体交互，扩大了用户对世界的认知，其重点在于增加用户的沉浸感。增强现实技术从2010年开始猛增，随后一直保持着增长趋势，VR技术有着广泛的应用前景。但是目前，AR技术也存在一些问题，技术核心难点在于，图像识别技术结合观察者的相对位置以及三维坐标等信息进行定位来判断物体所处的位置，如何做到对应的精确性和实时性;虚实融合的可穿戴式设备如何做到小而精致，且能够提供良好的融合沉浸感。