1、第25卷第5期2004年j月小型微型计算机系统MINI MICRO SYSTEMSV0125 No5Mav 2004增强现实：特点、关键技术和应用齐 越1，马红妹21(北京航空航天大学计算机系北京100083)2(北京文献服务处，北京lo0029)摘 要：增强现实(Agmented Reaty，AR)技术将计算机生成的虚拟对象与真实世界进行融合，构造出虚实结合的虚拟空间增强现实系统有三个特点：真实和虚拟结合，实时交互，真实和虚拟对象进行定位构造一个AR系统要解决许多关键技术，包括显示技术，跟踪和定位技术，界面技术以及标定技术另外AR系统还要充分考虑人的因素AR技术在许多方面都有潜在酌应用价值如
2、医疗，机械维护和修理，注释，协同，商业以覆军事应用等本文对这些问题进行论述，最后讨论为使AR广泛使用需要解决的一些问题关键词：增强现实虚拟环境；定位；标定中围分类号：TP39l 文献标识码：A 文章编号：10001220(2004)05一0900一04Augmented Reality：Characteristics，Key Technology and ApplicationsQI Yuel，MA Hongmei21(co棚户“Pr坤dr优P“巧f”g U“l“ers吣o，m埘姬“fs 8L A5r。M“i，BP0抽g l00083，cI”n)2(m02咄D0c“mPnz 5Pru坛e，且P
3、玎抽占1 00036，c)Abstract：Augmented Reality integrates vlrtual(compute卜geerated)objects with real world to construct a vinual envjronmentAn AR system has three characteristics：combining the real and virtual objects in a real environment，running interactivcly and real time，registeri“g real and Vinual obj
4、ects e8ch otherWe must s01Ve some key techn0109y，lncIuding displays，tracking，registration，interfaces and calibration In addition，human fact。rs are Ve。y importantAR tecllnology can be used in many flelds，such as medical，manufactu“ng，visualization，collaboratloncommerceand military，et a1This paper disc
5、usses幽ese problems，and directions and areas requiri“g further res曲rchKey words：augmented reallty；virtual enVir。nment；r。gistration；calibrationl 引 言增强现实(Atgmented Reality，简称AR)就是将计算机生成的虚拟对象与真实世界结合起来，构造出具有虚实结合的虚拟空间虽然目前AR的研究都集中在视觉上，但是AR并不仅限于此，还包括听觉、触觉和味觉的所有感官AR起始于：十世纪六十年代，sutherland发明了头盔显示器显示3D图形但是直到近些年
6、，AR才成为一个研究领域Milgram”定义了一个从真实到虚拟环境的连续统一体(如图1)真实环境(Real Environment)和虚拟环境(Virtual Environment)在两端，中间是混合现实(Mixed Reality)AR靠近真实世界的一端，用计算机生成的数据可以增强真实环境加强用户对环境的理解Augmented virtuality是Milgram创造的术语，意指在虚拟环境中增加真实世界的图像，比如在虚拟物体上加上纹理映射的视频这种技术可以增加虚拟物体的真实程度，减少虚拟和真实物体的区别而虚拟环境是指环境是完全虚拟的AR中真实物体和虚拟物体与用户环境必须无缝地结合在一起，而
7、且真实物体和虚拟物体之间还要能够进行交互，这样才能实现真正的虚实融合AR中物体交互的方式有两类：视觉上的和物理上的视觉上的交互指内部反射、吸收以及从环境 现实 虚拟 环境图1真实到虚拟的统一体Fig1 Realty_virtuality contintlllm这些物体发出光的重新定向，在AR中产生的效果包括阴影、遮挡、漫射、镜面反射以及内部反射、折射和颜色渗透物理上的交互包括物体问运动学上的约束、碰撞检测和响应，以及对于外力完全基于物理的响应运动交互还包括物体运动约束或在某一连接点直接影响其他物体的位置和方向碰撞检测收稿日期，20。2一07一04基金项目：国家“863”高技术研究发展计划基金(
8、2002AAll7020)资助 作者简介：齐越，博士，主要研究方向为虚拟现实和多媒体技术qyvrlabbuaaeducn马红妹，博士，研究方向为机器翻译、人机交百万方数据5期 齐越等：增强现实：特点、关键技术和应用 901是运用计算判断物体问是否发生碰撞，并防止多个物体占据同一个空间基于物理的最复杂的交互是真实物体和虚拟物体问的力量和动力的交换用真实行为影响虚拟物体十分重要的是。目前实现的交互只是单向的：真实物体可以影响虚拟物体但是虚拟物体不能影响真实物体，这需要计算机控制的视觉上和物理上的操作，这已经超出了当前的技术范围2增强现实的关键技术。构造一个AR系统需要解决很多的关键技术问题，这主要
9、有显示技术，跟踪和定位(registration)技术，界面和可视化技术以及标定(calibration)技术21 显示技术用于AR的显示器有头箍显示器(Head-Mounted DisplaysHMD)手持显示器(HandHeld“splays)和投影显示器(Projection Displays)211头盏显示器这种显示器戴在头上，在眼腈前方星现图像，分两种，光学透视(0ptical seethrough)和视频透视(video seethrough)光学透视HMD在用户眼睛前面放置光学合成器舍成器是部分透明的，用户透过它可以直接看到真实世界合成器又是部(a)光学透视HMD概念图真实世界(
10、b)视频透视HMD概念图图2 HMD概念图Fig2 HMD conc印tual diagram分反射的用户可以看到从头上戴的显示器反射到合成器上产生的虚拟图像，如图2(a)视频透视HMD封闭了视线，带有一个或两个摄像机，拍摄真实世界的场景场景合成器负责把摄像机视频和图形进行合成，并将结果送到用户眼睛前面的显示器上，如图2(b)212手持显示嚣这是一种平面LCD显示器，使用捆绑的摄像机提供基于视频透视的增强手持显示器充当一个窗口或放大镜，显示用AR覆盖的真实对象213投影显示器所需的虚拟信息直接投影到真实对象上进行增强最简单的情况是，将增强信息直接投影到对象表面上，这样无需戴特殊的眼镜03另一种
11、是头戴投影仪，按照观察者视线的方向，把图像投影到真实世界中的对象上目标对象上涂有向后反射的物质，沿着入射角度把光线反射回来这样，通过使用各自的HMD系统，多个用户能够同时在同一投影目标上看到不同的图像但是这种投影显示器比较重93目前使用较多的还是透视显示器但是透视显示器的缺点是没有足够的亮度、分辨率和视域以及对比度，因而无法支持广泛的虚实结合，而且大小、重量和价格也是重要的因素另外还有两个问题：一是，大多数视频透视显示器存在视差错误，这是由于捆绑摄像机的位置偏离了真实的跟睛位置“”二是，大多数显示器需要固定眼睛的位置22 躁踪和定位技术为了交互，AR需要进行定位，因而准确地跟踪用户的位置和视域
12、方向是十分重要的对于室内环境，通常预先在已知的位置上放置基准的标记，通过跟踪这些标记跟踪真实对象，从而扩大跟踪范围o”目前在准备好的室内环境中，能够实现鲁棒性定位对于室外、移动的AR应用，一般使用GPS或Dead Reckoning技术跟踪计算对象在户外的实时位置但这也有很大的局限性，如GPS需要天空能见度很高另外，还可以跟踪可见的自然特征(如环境中已有的、不变对象)=22如果有环境数据库，那么就可以根据跟踪可见的水平轮廓或已绘制的周围建筑物的预知视图与视频进行匹配“”另外，给定有限的一组已知特征点，跟踪系统能够自动地选择和测量环境中新的特征点。“但是，目前这些方法还不支持实时运行而更适于特殊
13、效果和后期制作的应用完全控制定位错误比较困难因为应用需要的精确度越高，引起错误的源就越多我们把这种源分成两类：静态的和动态的静态源是指当用户的视点和环境中的物体保持静止时引发的错误，主要有：光学的变形，跟踪系统误差，机械误差和视觉参数误差动态源是指错误由用户的视点或环境中的物体移动引起的，主要是延迟错误和预测位置错误23 界面和可视化目前许多研究人员在考虑用户如何与AR应用进行交互，以及如何有效地在AR显示器上表现信息与虚拟信息进行交互是很困难的AR交互手段研究有两个趋势：第一，使用不同的设备，取各家之长第二，通过切实可行的界面使虚拟对象与自然界成为一个整体对于AR显示中的显示信息，要解决以下
14、问题，231错误估计的可视化AR系统定位错误很难避免，解决的方法有两个：一是根据预测的跟踪和测量错误在屏幕中可视化地显示一块区域，以绘制对象二是当绘制被真实对象遮挡的虚拟对象时，沿着遮挡区域的边缘，逐渐地淡出隐藏的虚拟对象，使定位错误减少232数据密度万方数据902 小型微型计算机系统 2004年如果用大量的虚拟信息增强真实世界，那么显示就会变得混乱和不易凄Julier”。使用基于空间交互模型，把所显示的信息量减少到最小，只在视图中保留重要的信息233真实感绘制在AR应用中，改善虚拟对象绘制质量的关键是能够自动获取环境的光照和反射信息目前有三个方法：使用模型估计光照参数，基于图像的绘制。：，以
15、及动态范围的光照获取234 调节现实(Mediated Real；ty)为了删除真实对象系统必须能够分割场景中的单独对象Lepetlt。3论述了一个半自动的方法，通过轮廓区分对象和它们在场景中的位置，在某些情况下，无需对环境进行3D重构就能够插入虚拟对象以及删除真实对象24标定技术为了生成准确的定位，AR系统需要进行大量的标定测量的值包括：摄像机参数视域范围，传感器的偏移，对象定位以及变形等目前AR标定使用摄像机标定原理，以及许多手动AR标定技术避免进行标定的一个方法是开发标定自由的绘制器Kutulakos和Vallino“”提出基于弱透视投影模型的标定自由AR方法，Seo和Hong“”把这个
16、方法扩展剜覆盖弱透视投影，支持传统的光照技术另外，为了减少标定需要，必须自动标定这需要使用冗余的传感器信息，自动地测量和补偿变化的标定参数“”33人的因素及感知人的因素、感知研究以及认知科学的研究成果对高效AR系统的设计是很有帮助的Drascls“”讨论了影响AR显示的18种不同的设计问题包括：实现错误(如定标错误)技术问题(如立体显示的图像帧中垂直的错误匹配)，以及目前HMD设计中的基本限制(适应性调节)对于医学应用，Rollandn”详细分析了不同人的因素与光学和透视HMD之闻的关系我们需要更好地理解人的因素对长期使用AR系统的影响这些重要的因素包括：反应时间与所有能够引起错误的源相比，延
17、迟引起的定位误差最大有研究表明，一毫秒的延迟会引起一毫米的误差“”更重要的是，延迟会降低系统的性能深度感知准确的深度感知是很困难的定位问题立体显示可以帮助深度感知，但目前的显示技术会带来新的问蹶，包括适应性调节，低分辨率和模糊显示引起对象出现的距离比实际的要远。3”使用正确的遮挡关系能改进一些深度感知问题”“适应性用户对AR设备的适应能力从负面影响AR系统的性能疲劳和眼睛紧张不舒服的AR显示器不适合长期使用一项研究表明与单目或立体显示器相比，两个眼睛看相同图像的双且显示器会引起眼睛紧张和疲劳4增强现实技术的应用41 医 学AR可用于医疗数据可视化以及外科医生的手术培训例如，为医生提供病人体内动
18、态的3D图像；对需要准确性的任务进行指导，虚拟指令提醒新的外科医生手术步骤+虚拟对象还能识别器官并指定位置42机械维护和修理AR可以用于复杂机械的装配、维护和修理机械说明书是文本和图形形式，而AR可以直接在实际设备中添加3D画面，一步一步地提示技术员应该做什么以及如何做43注释利用AR技术，可以用公共或私有的信息对物体和环境进行注解例如，当用户在图书馆中走动时，手持显示器可以显示身边书架上图书的信息建筑师戴上透视HMD就可以看到窗外竖起一座摩天大楼的情景如果数据库中有这座建筑物的结构信息。AR就可以给出建筑物内部的“x光显示”，显示出管遭、电线以及墙体中的结构支柱44协同许多AR应用允许多个用
19、户同时观看、讨论以及与虚拟的3D模型交互，这要解决两个问题。2“：一是，存在的工具和实践之间要无缝整合，二是，通过支持远端和协同活动(在真实环境中不可能的)增强实践协同AR系统中重要的问题是，确保用户能够建立一个共享的、可理解的虚拟空间，类似于他们所理解的自然空间许多系统的设计者建议根据每个用户的兴趣设计适当的界面这样，就可以对每个用户进行个性化的信息表示，有助于AR系统为单独用户表现私有信息，而不必害怕这些信息会被其他用户会看到另一种协同AR是AR游戏：AR airhockey。，以及协同作战对付虚拟敌人“”45商业AR在商业方面应用广泛，如；虚拟演播室，把演员和虚拟场景实时地以3D方式融合
20、起来；虚拟广告，在播放的电视图像中的指定区域插入广告对历史的场景和事件进行重现f室内设计，先拍摄室内环境，然后用AR技术对室内进行布置，预览布置的效果46军事在军事训练方面，AR也有广泛的用途对于飞行训练，运用AR技术，在真实环境中融合3D虚拟物体，可以更加逼真地合成场景在战场上，AR眼镜可以给士兵提供战场的辅助信息比如，士兵身上带有计算机系统和GPs，当他走到一座山边时，身上的GPs可以准确地给出他的具体位置，并与计算机中存储的数字地图相匹配，然后调用数据库，检索出此山的名称、高度和3D地图等，最后把这些信息显示到他的眼前5未来的工作从上面的讨论知道AR今天的状况就好像是早些年的VR，有许多
21、能够演示的研究系统，但是达到实用的系统却还很少限制AR广泛使用的主要障碍有三个方面：技术限制，用户界面限制以及社会接受问题51技术限制万方数据5期 齐越等：增强现实：特点、关键技术和应用 903显示器、跟踪器以及AR系统必须更准确、更轻便、更便宜以及更少的能源消耗目前的AR设备不便于携带尤其对室外环境还要懈决准确跟踪问题在AR研究中，可以通过改进室外环境中的跟踪技术，以及自由标定或自动标定方法，最大限度地减少所需配置52用户界面限制我们需要更好地理解如何给用户显示数据，以及用户如何与数据进行交互目前，大多数研究集中在低层次的感知问题。如适当的感知深度等AR还需要确定许多高层任务，如要确定提供什
22、么信息什么是数据的恰当表示，用户如何查询数据例如，用户在街上漫步时要查看商店的橱窗，查询商店的库存目前这类问题还很少研究53社会接受程度最大的挑战是社会接受程度问题如果具备了理想的硬件和直观的界面，AR系统如何能够像移动电话或个人数字助手(PDA)一样，成为人们每天生活的一部分?通过电影和电视，许多人熟悉了模拟的AR图像但是，劝说用户戴上显示系统还要解决从时尚(用户戴上系统是否会感到时髦?)到隐私(能否使用所需的跟踪系统显示所监视和记录的信息?)的许多问题到目前为止，对这些基本问题的研究还未涉及但是在AR被广泛接受以前，我们相信这些问题必须得到懈决Keference：1 Mllgram P a
23、nd Kishino FA taxonomy of mixed reality visualdisplaysJIEICE Tr8nsInformatlon Systems，1994，E77-D(1 2)：132113292 Ronald Azuma，Yohan Bailot et a1Recent advances in a“gmented realityj1EEE Computer Graphlc8 and AppIlcatjons，2001，2l(6)I 34473 ohshlma丁et a1AR2 Hockeyj a case study of collaborative augment
24、ed feaIity(C： Proc IEEE VinuaI Reality Ann IntlSymp1998：2682754 Pryor H LFurness T AThe virtual retlnal display：a new djspla?technoIogy usi“g scanned 1aser Iight(CProc42nd HumanFacLors E。碍ono“cs S0c1998，157015745 Julier S et a1 Information filte“g for m。b“e a“gmented MalltyCProcInt1 SympAugment“ReaI
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31、nted Reality 2000，2000：15916418 Cho Y et aL A muhi-ri“g矗duc试system and an intenshy邶var；ant detection method for scalable augmented reality【C ProcInt1 Work3hop Augmented Reality 1 998，1 998：l 471651 9 Hollow8y R L_Registration error amlysis for augmented realityJPresence：Teleoperators and V；tual Envl
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33、 997，1997：13814522 Neumann U and You S Natural feature tracki“g for a“gmPntedrealityJIEEE Tran8MuItlme dia，1999，l(1)l 536423 Coors VHuch T and Kretschmer UMatchi“g buildi“gs：poseestimation in an urban environmentCPrDcIntl Symp，Augmented Reality 2000，2000：899224 Jia“g BYou S and Neumann UCamera track
34、ing for augmentedreality media(cProc1EEE Int1 ConfMummedla E。po 2000，20001 637】640万方数据增强现实:特点、关键技术和应用作者： 齐越， 马红妹作者单位： 齐越(北京航空航天大学,计算机系,北京,100083)， 马红妹(北京文献服务处，北京，100029)刊名： 小型微型计算机系统英文刊名： MINI-MICRO SYSTEMS年，卷(期)： 2004，25(5)引用次数： 9次参考文献(24条)1.Milgram P.Kishino F A taxonomy of mixed reality visual di
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42、024.Jiang B.You S.Neumann U Camera tracking for augmented reality media 2000相似文献(10条)1.会议论文 翁冬冬.王涌天.刘越 一种基于增强现实的室内漫游系统 2006提出了一种基于增强现实的室内漫游系统,在这个系统中用户通过HMD观察增强的视景。在这个视景中不但包含真实布景的图像,还包含有计算机生成的虚拟物体的图像.为了实现虚实场景之间的注册,在HMD上安装有两个摄像机:场景摄像机与跟踪摄像机.并且在用户所在房间的顶部安装了一系列的红外标志点,这些标志点的图像由跟踪摄像机获取,并通过位置估计算法计算用户头部的位置和
43、姿态.另外,通过一对安装有ARtoolKit标志点的手套,实现用户与虚拟环境之间的交瓦.最后,一套海底漫系统被开发出来,以验证整个漫游系统的可用性。2.学位论文 施如意 基于AR的数控加工仿真中目标识别与定位方法研究 2008数控加工仿真技术作为数控技术的核心，一直处于研究的最前沿。以虚拟现实为基础的数控加工仿真强调用户沉浸在计算机生产虚拟环境中，这样就把用户与真实加工环境完全隔离开，把增强现实技术运用在数控加工仿真领域便能很好地解决这一问题。增强现实技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围真实世界融为一体，增强用户对真实世界感知能力。本文对面向数控加工的增强现实中目标识别和定位技术进入了深入地探
44、讨。首先介绍了增强现实技术，在此基础上引出了基于增强现实的数控加工仿真，并进一步提出基于增强现实的数控加工仿真系统体系结构，重点对其中的目标识别定位技术作了详尽地描述，根据数控加工系统的特殊性，提出基于目标自然特征的识别与定位方法。在基于自然特征的目标识别与定位中，针对具体的环境，本文详细描述了本系统的图像处理环节：图像采集、图像预处理、特征检测，总结并分析现有各种算法的优缺点，同时对部分算法进行了改进，从而得到适合本系统的最优越算法。接下来本文重点探讨基于自然特征的目标识别定位方法的实现原理和过程。对于识别，先由训练图像来建立散列表，然后采用目标的高级特征查询散列表的方式对目标模型进行投票累
45、加。定位主要依据目标模型到实际实时图像投影变换矩阵来实现的，投影矩阵是通过寻找目标模型和实际实时图像之间的匹配点对来得到的，在论文中我们以训练图像作为中介，把目标模型和实际实时图像联系起来。最后，通过一个实例，以机床夹具为目标进行识别和跟踪定位，来验证基于自然特征的目标识别与定位方法在数控加工仿真中运用的可行性。3.期刊论文 郭天太.王引童 虚拟现实技术与增强现实技术 -机械制造2003,41(6)介绍虚拟现实技术和由虚拟现实技术发展而来的增强现实技术,并分析它们的工作原理、应用特点和范围、新型的人机接口技术的优越性以及存在的问题,最后对其发展趋势作了展望.4.会议论文 Matthias Da
46、ngelmaier.ThorSten Kuhien 虚拟环境下物理与技术过程仿真技术 2006本文首先对亚琛大学虚拟现实中心进行简短介绍，随后讨论虚拟环境F物理和技术过程的仿真探索问题，该问题被认为是产品开发过程提高产品质量降低成本的关键技术之一。亚琛人学已经开发了一个可对复杂仿真结果进行直观分析的先进工具包，它在功能上已经远远超越了目前常规的vR工具包。随后给出具体实例，实例包括钢铁和迫料的加工工艺以及机床开发。未来的目标将是构成包含全部工艺链与产品开发过程的集成分析系统。5.期刊论文 丑武胜.孟偲.王田苗 基于多通道增强现实的机器人遥操作技术研究 -高技术通讯2004,14(10)在传统的
47、预测仿真控制方法的基础上,提出了多通道增强现实遥操作控制策略,以克服通讯时延的影响.通过实际视频图像和预测仿真图形的叠加来消除模型的误差,同时基于TIN(Triangulated Irregular Network)表达的虚拟环境中物体模型,对虚拟环境中的虚拟接触力进行实时再现,提高操作者的临场感,辅助操作者完成精细的远程操作.实验结果验证了本文所提方法有效性和实用性.6.期刊论文 易俊.李自力.YI JUN.LI ZILI 基于ARToolkit立体视觉成像增强现实系统的研究 -微计算机信息2007,23(28)沉浸性是虚拟现实系统最为吸引人的特点,也是研究的重点和热点.而增强现实技术是将计
48、算机生成的虚拟环境的图像和真实环境的景象叠加显示到用户所佩带的辅助显示设备来获得真实的沉浸感.ARToolkit为增强现实技术的应用提供了一种方便快捷的开发工具,本文介绍了一个使用ARToolkit实现具有立体视觉成像的人机交互系统.7.学位论文 倪晓赟 增强现实装配系统的设计与研究 2009虚拟设计制造已成为现代产品设计和先进制造技术发展的必然趋势，然而虚拟环境有时无法提供直觉的操作感来帮助判断某些特定装配操作的可行性和容易程度，增强现实技术可以有效地解决这一问题。本文针对增强现实装配系统的设计与实现展开研究，构建了增强现实装配系统的基本框架，阐述了增强现实装配系统的组成，包括三维环境注册定位、虚实零件模型建立、装配约束关系判断、虚实场景融合显示等主要功能模块。分别对这些模块进行分析研究并提出解决方案。首先建立了真实摄像机模型与虚拟摄像机模型，对真实摄像机进行了标定，求出了其相关参数，分析了这些参数在虚实注册中的作用，同时根据所求得的参数对三维环境进行注册定位。然后对摄像机所采集的真实装配场景视频进行了标
