AR系統結構與核心技術 AR增強現實系統技術核心

一個典型的AR系統由虛擬場景生成單元、圖像輸入設備、頭盔顯示器、跟蹤和交互設備構成。其中虛擬場景生成單元負責虛擬場景的建模、管理、繪制和其它外設的管理;圖像輸入設備負責現實信息的捕獲;頭盔顯示器負責顯示虛擬和現實融合后的信號;頭部跟蹤設備跟蹤用戶位置和視線的變化;交互設備實現感官信號及環境控制操作信號的輸入輸出。

AR系統的工作過程體現了硬件設備與軟件技術的高度協同:從真實世界出發， 圖像輸入設備捕獲空間場景，輔以傳感器(如陀螺儀、磁力計等慣性傳感器)采集 的數據對三維空間和拍攝視角進行感知理解。同時，虛擬場景生成單元從虛擬對象 數據庫構建“增強”的對象，通過跟蹤定位技術確定虛擬對象疊加的準確位置。例如， 教師希望在講臺前構建一個三維立體的地球，那么AR系統首先需要構建地球這樣一 個“虛擬信息”，從視覺及慣性傳感器中獲取教室的空間信息以及教師的觀察視角(跟 蹤定位技術)，進而將虛擬地球的每個點與真實的空間位置一一對應(虛實融合技 術)，并通過顯示技術將虛擬與現實信息完美的疊加到一起。同時，教師也可以用 自然的身體語言與虛擬信息交互，如撥動地球在空間旋轉或平移等(用戶交互技術)。

增強現實(包括混合現實，以下不作區分)系統具有三個主要特征:虛實結合、 實時交互、注冊跟蹤。虛實結合要求AR系統對虛擬與現實信息準確融合并完美呈現; 實時交互指借助交互接口設備，人以自然的方式對AR環境進行實時影響，其與VR 系統中的交互設備可以互通使用;而注冊跟蹤是AR技術的靈魂，注冊指AR系統需 要建立虛擬空間坐標系與真實空間坐標系的轉換關系，使得虛擬物體能夠合并到真 實世界的正確位置上，伴隨著觀察者位置的變化，系統要實時捕捉觀察者的視角重 建坐標系關系，也就是跟蹤的過程。

從硬件與技術的角度看，VR是對虛擬世界的完全呈現，畫面渲染中涉及到海量 數據重建與復雜運算，顯示設備的低延遲和高清晰度是重要的技術指標，這對內容 制作和硬件設備提出了較高要求。相比之下，AR發展的阻力來源于技術，當下前端 的數據采集(包括影像和傳感器)已經比較成熟，后臺圖像渲染端的技術也有了長 足的進步，而對環境的精準理解以及虛實信息的呈現是主要技術瓶頸。