【51CTO.com原創稿件】近些年來，AR一直是資本追逐的焦點。在經歷了2016的“爆紅”和2017年的“養精蓄銳”后，到了2018年，AR的市場環境已趨于穩定，無論是技術研發、產品應用還是投資方面都變得更加平穩，沒有大波動。同時，巨頭的框架布局已經全部完成。國外的谷歌、蘋果、微軟等巨頭對于AR的布局已經成型，國內BAT等大公司也已經完成了AR SDK的發布，有的已經被開發者應用。

那么，AR這么“紅”，到底是憑什么呢？就讓小編來告訴你吧！

 

 

什么是AR？

 

AR是增強現實（Augmented Reality）的簡稱，指通過計算機系統提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術，將虛擬的信息應用到真實世界，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的增強。

或許很多人對它的“近親”VR（虛擬現實）更為熟悉，甚至常常將兩者混淆。不過，雖然AR技術的出現源于虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）的發展，但二者還是存在明顯差別的。

 

 

AR與VR的區別

 

虛擬現實（VR）是利用PC模擬出三維空間的虛擬世界，可以提供給用戶關于視覺、聽覺等感官的模擬，并且能夠及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物，從而達到以假亂真的沉浸感。

增強現實（AR）則是通過攝像機影像的位置及角度精算并加上圖像分析技術，讓屏幕上虛擬世界可以和現實世界場景進行結合與互動。

簡單來說，VR技術給予用戶一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創造一個世界；而AR技術則把計算機帶入到用戶的真實世界中，通過聽、看、摸、聞虛擬信息，來增強對現實世界的感知，實現了從“人去適應機器”到技術“以人為本”的轉變。

什么？還要再簡單點？沒問題，上圖：

這是VR:

[[244904]]

而這才是AR:

[[244905]]

現在你應該理解二者的不同，并可以成功將它們區分開了吧。很好！那讓我們趁熱打鐵，了解一下AR的技術原理。 

 

 

 

 

AR的技術原理

 

 

 

AR從其技術手段和表現形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基于計算機視覺的AR，二是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR。

 

 

 1.Vision based AR

 

 

 

基于計算機視覺的AR是利用計算機視覺方法建立現實世界與屏幕之間的映射關系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現實物體上一般展現在屏幕上，如何做到這一點呢？本質上來講就是要找到現實場景中的一個依附平面，然后再將這個3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個平面上繪制你想要展現的圖形，從技術實現手段上可以分為2類：

 

(1) Marker-Based AR

這種實現方法需要一個事先制作好的Marker(例如:繪制著一定規格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker放到現實中的一個位置上，相當于確定了一個現實場景中的平面，然后通過攝像頭對Marker進行識別和姿態評估（Pose Estimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點的坐標系稱為Marker Coordinates即模板坐標系，我們要做的事情實際上是要得到一個變換從而使模板坐標系和屏幕坐標系建立映射關系，這樣我們根據這個變換在屏幕上畫出的圖形就可以達到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點3D射影幾何的知識，從模板坐標系變換到真實的屏幕坐標系需要先旋轉平移到攝像機坐標系（Camera Coordinates）然后再從攝像機坐標系映射到屏幕坐標系。

在實際的編碼中，所有這些變換都是一個矩陣，在線性代數中矩陣代表一個變換，對坐標進行矩陣左乘便是一個線性變換（對于平移這種非線性變換，可以采用齊次坐標來進行矩陣運算）。公式如下：

矩陣C的學名叫攝像機內參矩陣，矩陣Tm叫攝像機外參矩陣，其中內參矩陣是需要事先進行攝像機標定得到的，而外參矩陣是未知的，需要我們根據屏幕坐標(xc ,yc)和事先定義好的Marker 坐標系以及內參矩陣來估計Tm，然后繪制圖形的時候根據Tm來繪制（初始估計的Tm不夠精確，還需要使用非線性最小二乘進行迭代尋優），比如使用OpenGL繪制的時候就要在GL_MODELVIEW的模式下加載Tm矩陣來進行圖形顯示。

(2) Marker-Less AR

基本原理與Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點的物體(例如：書的封面)作為平面基準，而不需要事先制作特殊的模板，擺脫了模板對AR應用的束縛。它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，FERN等)對模板物體提取特征點，并記錄或者學習這些特征點。當攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特征點并與記錄的模板物體的特征點進行比對，如果掃描到的特征點和模板特征點匹配數量超過閾值，則認為掃描到該模板，然后根據對應的特征點坐標估計Tm矩陣，之后再根據Tm進行圖形繪制(方法與Marker-Based AR類似)。

 

 

2.LBS-Based AR

 

 

 

其基本原理是通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數據源（比如wiki，google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學校等)的POI信息，再通過移動設備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標物體在現實場景中的平面基準(相當于marker)，之后坐標變換顯示等的原理與Marker-Based AR類似。

 

這種AR技術利用設備的GPS功能及傳感器來實現，擺脫了應用對Marker的依賴，用戶體驗方面要比Marker-Based AR更好，而且由于不用實時識別Marker姿態和計算特征點，性能方面也好于Marker-Based AR和Marker-Less AR，因此對比Marker-Based AR和Marker-Less AR，LBS-Based AR可以更好的應用到移動設備上。 

 

 

AR系統組成形式

 

一個完整的增強現實系統是由一組緊密聯結、實時工作的硬件部件與相關的軟件系統協同實現的，常用的有如下三種組成形式：

 

 

1.Monitor-Based

 

 

 

在基于計算機顯示器的AR實現方案中，攝像機攝取的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖形系統產生的虛擬景象合成，并輸出到屏幕顯示器。用戶從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然簡單，但不能帶給用戶多少沉浸感。Monitor-Based增強現實系統實現方案如下圖所示。

 

 

 

由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR系統研究者們大量采用。

 

 

2.視頻透視式

 

 

 

頭盔式顯示器(Head-mounted displays,簡稱HMD)被廣泛應用于虛擬現實系統中，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現實技術的研究者們也采用了類似的顯示技術，這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。根據具體實現原理又劃分為兩大類，分別是基于光學原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于視頻合成技術的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學透視式增強現實系統實現方案如下圖所示。

 

 

 

 

 

3.光學透視式

在上述的兩套系統實現方案中，輸入計算機中的有兩個通道的信息，一個是計算機產生的虛擬信息通道，一個是來自于攝像機的真實場景通道。而在optical see-through HMD實現方案中去處了后者，真實場景的圖像經過一定的減光處理后，直接進入人眼，虛擬通道的信息經投影反射后再進入人眼，兩者以光學的方法進行合成。

 

光學透視式增強現實系統具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優點，但它同時也存在著定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價格高等不足。

 

 

AR的現實應用

AR游戲玩到嗨

AR技術在游戲方式方面帶來了巨大的革新。像大家比較熟悉的《Pokemon Go》、《小龍斯派羅》等，都是非常不錯的AR游戲。想象一下，往后的游戲不再需要復雜的場景建模，而是在真實的世界里游戲，同時在真實的世界里又能出現許多虛擬疊加進去的事物，這是一種多么棒的體驗!游戲也能擺脫場地與空間的束縛，可以隨時隨地開始。

“透視眼”逛博物館

在底特律藝術學院，參觀者可以借助一部搭載Tango技術的手機查看到展出的埃及木乃伊內部結構以及其他展品細節。簡單來說，Tango會將掃描獲得的木乃伊石棺內部圖像疊加到手機拍攝畫面上，于是，隱藏在紗布最里面的古埃及骷髏骨架和其他隱藏藝術文物就展現在我們面前。這就相當于你擁有了一雙透視眼。

足不出戶選家具

有一款叫做iStaging的Tango應用，可以讓你足不出戶選購家具，并且可以通過3D模擬繪圖，將家具虛擬地擺放到家中合適的位置，讓你預覽整體效果。這些家具的AR呈現效果在空間感和大小比例上都非常出色，幾乎和在宜家逛樣板間沒什么區別。

總結

盡管目前就AR技術而言，國內技術略遜色于國外，但就應用來說，我國還是占據明顯優勢的。有專家預測，到2020年，AR將開始在B端爆發，預計到2025年，AR會真正迎來全面的爆發。是否真會如此，還讓我們拭目以待。

 

 

 

 

【責任編輯：關崇 TEL：（010）68476606】