基于移动终端的增强现实技术.doc

基于移动终端的增强现实技术摘要：本文首先探讨了增强现实技术的含义，在此基础上探讨了国内外对此技术的研究进程，通过了解其实现过程和现实应用，最终得出其中存在的问题并对前景进行了展望显示了移动增强现实系统不仅具有较强的实用性和可行性, 并且还显示该移动增强现实技术具有广泛的应用前景和巨大的商业价值关键词：虚拟现实 增强现实 移动终端1.概念1.1虚拟现实 虚拟现实（VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的，它是指综合利用计算机图形系统和各种显示及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术, 其中计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境（VE）虚拟现实的基本特征是沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和构想（Imagination）和其他的计算机系统相比，虚拟现实系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道（目前主要限于视觉和听觉，但触觉和嗅觉方面的研究也正在不断取得进展）的人机界面作为一种新型的人机接口，虚拟现实不仅使参与者沉浸于计算机所产生的虚拟世界，而且还提供用户与虚拟世界之间的直接通讯手段。

利用VR系统，可以对真实世界进行动态模拟，产生的动态环境能对用户的姿势、语言命令等做出实时响应，也就是说计算机能够跟踪用户的输人，并及时按照输人修改模拟获得的虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一种实时交互性关系，进而使用户产生一种身临其境的感觉由此可见，VR技术将会改变人类获取信息的方式，提高人机之间的和谐程度，使人机界面更加直观1.2增强现实 增强现实（AR）是虚拟现实技术的一个重要分支，也是近年来的一个研究热点虚拟现实技术综合了计算机仿真技术、计算机图形学和多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器等电子技术模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，使得用户从感官效果上沉浸在由计算机创造的虚拟环境中而新兴的增强现实技术则是要借助显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分概括地说，增强现实技术是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给用户一个感官效果真实的新环境。

因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点1.3 基于移动终端的增强现实移动增强现实简单的说就是增强现实技术在移动终端的应用，离开了实验室特定的实验条件和特殊用途的增强现实系统随着当今手持设备的发展，越来越多的传统技术和应用正在向手持设备转移，增强现实技术也不例外移动增强现实技术除了要具备传统增强现实的虚实结合、实时交互和三维注册的特点外，还需要具备较高的自由移动性，不会因为环境因素而只能固定在一个较小范围内活动第一个移动增强现实系统是于 1997 年由哥伦比亚大学 Steven Feiner等人开发的名为Mobile Augmented Reality Systems的系统，用于导航在2000年，一款将增强现实技术应用于 PC 平台经典游戏 Quake 的游戏，ARQuake由南澳大利亚大学Wearable Computer Lab开发出来，用户可以在在真实环境中参与Quake游戏的竞技2003 年，新加坡国立大学Mixed Reality Lab开发的 HumanPacman游戏同样是利用增强现实技术来实现经典游戏 Pacman不过这些系统都需要穿戴笔记本电脑、头戴式显示器等设备，携带不方便，不易推广。

目前，特别是智能，其硬件处理性能飞速发展，并集成了越来越多的传感器，成为一个增强现实技术应用很好的硬件平台诺基亚研究院的 MobileAugmented Reality Applications项目便是在配备了传感器和摄像机的上实现增强现实技术，并于2006年在ISMAR06上展示移动增强现实涉及的技术有：全球跟踪定位、无线通信、基于位置的计算和服务、可穿戴式计算等2.国内外研究现状2.1 国外现状 国外对该领域的研究大多采用计算机识别的方法进行三维注册维也纳大学的Daniel Wagner博士及其领导的团队进行了手持设备增强现实技术的研究，采用了基于计算机视觉识别的方法实现了增强现实的三维注册，并在i-mate SP5 上显示增强动画的功能，并利用该技术开发了室内游戏等2009年发明的maplers是将放大镜方式与纸质地图配套使用的移动增强现实地图，尝试了增强现实地图作为协作工具的潜力2.2 国内现状 增强现实技术作为一个新兴的研究领域,虽然在国内的于升究起步较晚，但因为增强现实技术具有很大的应用和发展潜力，因此正越来越引起国内学者的关注目前国内的不少研究机构都在致力于该领域的研究北京理工大学己经发表了多篇基于光流、投影、跟踪注册技术的论文，井且在头盔显示器的研究上具有相当研究水平。

其研制开发的基于PDA的圆明园现场重建项目，是我国第一个基于通用手持设备的AR系统，该系统采用客户端/服务器架构，由远程服务器完成AR的跟踪注册任务"华中科技大学的明德烈等在注册技术上提出了全局放射变换的方法，能够简单而快速的实现注册中的坐标转换上海交通大学的研究PDA上的彩色可视标志码的设计和跟踪注册算法，取得了一定的成果清华大学正在国家自然科学基金的支持下进行“用于内窥镜手术模拟及操作的增强现实系统”的研究总的来说，国内在该领域的研究工作比较单一，不够系统化3.移动增强现实的实现过程移动增强现实系统由硬件和软件两部分构成硬件部分主要包括可以把用户当前所处的真实环境和计算机所生成的虚拟物体以及文字同时进行显示的显示载体，这既可以是单兵作战系统中的头盔显示器，也可以是用户手持的智能或者是平板电脑除了融合显示装置外，还需要了解用户意图的人机交互设备，因为系统需要知道用户现在的需求是什么，采用传统的键盘鼠标无法实现这样的人机交互，需要采用包括语音识别、眼动跟踪、身体动作跟踪等一系列的自然交互手段此外还需要硬件计算平台来完成融合显示、虚拟物体的绘制以及人机交互等一系列的复杂运算除了上述硬件平台之外还需要一系列软件的支撑，包括识别当前用户所看到的场景中的物体种类以及物体具体位置的识别和跟踪软件，把虚拟的三维物体进行实时的绘制和融合显示的三维图形渲染绘制软件，这些硬件和软件平台一起构成了移动增强现实系统。

目前有三种方式可以实现移动增强现实系统，包括基于头盔式显示器的移动增强现实系统、基于手持投影仪的移动增强现实系统以及基于智能、平板电脑等便携智能终端的移动增强现实系统移动终端增强现实程序的工作流程：（1）手持设备的摄像头捕获真实世界的视频流；（2）软件监控视频流中的图像帧，通过算法捕捉到特征点（二维码标记或自然图像特征标记）；（3）通过运算检测出特征点所在的平面和摄像头的姿态在检测出的平面上建立虚拟的三维坐标；（4）在虚拟的三维坐标上合成虚拟目标随着摄像头姿态变化，摄像头拍摄视角也发生变化程序通过摄像头姿态变化计算，实时更新虚拟目标定位所需的三维坐标，使虚拟目标与真实世界的三维空间中的变化一致，而达到融合叠加的效果4.现实应用4.1 旅游方面World Surfer、Wikitude世界浏览器和Yelp的iPhone 3GS应用是目前典型的移动AR应用这些应用让人们能够使用智能搜索所在位置附近的饭店、企业和地标等信息，用户也可以发表关于该场所的评价这些评价将提供给其他人一般情况下，移动AR应用首先列出最接近你所指方向的感兴趣的地方，随后是其他更远一点的地方通过提取数据库中的地图信息，此类应用还可向你提供更远处物体的方位。

例如当我们参观博物馆时，博物馆提供了非常多的展品，但目前所有展品的标签所提供的信息都是有限的，用户到博物馆参观时希望知道展品背后的故事借助移动增强现实技术，用户进入到博物馆时可以在上下载一个软件，当用户在博物馆内进行游览时当用户看到感兴趣的展品，通过屏幕呈现和这个展品有关的文字、图片以及视频等信息可以增强用户对展品的认识4.2 导航移动增强现实除了户外定向应用外，另一个重要的应用是和可穿戴式系统相结合为用户提供导航服务通过音频和触觉反馈，可穿戴式计算机可很大程度上帮助盲人用户如果通过立体音频空间化将与听觉信息相关的真实世界的航点和环境特征呈现给位置跟踪系统，这与增强现实的定义完全吻合虚拟增强现实通过在用户的视域范围内显示提示信息，如箭头或路径跟随或文字注记信息等4.3 游戏方面 MozziesGame(MosquitoHunt)游戏获得2003年最佳游戏奖，通过移动来瞄准射击蚊子该游戏采用简单的像素流检测算法代替基于标记的跟踪注册方法内置摄像头捕获现实世界视频流作为游戏背景,生成的虚拟蚊子注册叠加于背景之上"该游戏只测定旋转的角度,与位置远近无关2010年7月，在iPhone上出现了一款简单的AR颠球游戏ARSoccer。

当用户开启此款软件进入游戏状态时，在屏幕上会自动渲染生成一个虚拟的足球之后，用户仅需将保持腰间高度，把摄像头对准脚步就可以颠球了为了产生更真实的效果，此软件在运行时需要有较高的实时性，因此对跟踪定位算法的运行速度有较高的要求4.4 教学领域 移动增强现实在教学培训上也有广泛的应用，国外开发了一款在IPhone上的运行的软件，可以在实际的电路上通过三维显示的方式来叠加学生需要搭建的电子元器件来指导学生进行电路的搭建在化学、地理等等一些教学中，通过对三维的分子结构以及三维的空间星系进行增强显示可以加深对这些知识的理解5.存在的问题尽管基于移动终端的增强现实已经显示出了在诸多领域中广泛的应用前景，但是由于技术条件和成本的限制，移动增强显示技术还有很多需要解决的问题首先，是移动终端的局限性，当前移动增强现实依托的移动终端主要是智能和个人数字助理但是，任何使用大量图片、GPS 技术和网络组件的应用都要消耗大量电力，因智能和个人数字助理的使用时间都不够长，由此大大限制了移动增强现实的使用其次是户外场景复杂多变的因素，由于户外存在光照的变化以及遮挡等问题，同时用户在户外的场景中需要不停的移动，用户的移动轨迹是无法预测的，而环境又会有阴晴雨雪变化，这些不可控的因素都制约着移动增强显示技术。

还有就是、真实、高效的3D 渲染为了实现移动增强现实系统，还需要把生成的三维物体准确的绘制到当前的场景中，然而当前的移动终端的计算能力无法跟计算机相比，需要绘制算法能够尽可能简化，从而减少传输数据的冗余性，这样就大大降低了显示的逼真程度，因此手持设备的性能还需要提高6.展望尽管目前移动终端上的增强现实还有这许多技术难题，例如自然图像识别的准确性、三维标定的精确度和稳定性、3D图像成像性能以及应用界面人机交互性能等等都影响着用户体验但随着移动终端硬件性能的不断提升，各种微电子传感器的加入，计算机图形学技术的不断深入，必将对这一领域带来深远的影响在室内环境的应用中，可以先在特定的位置存放标志点，然后通过移动设备的摄像头摄入图像，最后将基于视频分析的注册定位方法，用来实现诸如增强装配、增强维修等复杂的室内作业在结合目前日益发展的通讯技术如移动增值业务、GPS技术等之后，还可以更好地发挥移动增强现实的特点，开发出形式多样的各种娱乐性产品在进一步发展移动设备硬件的性能和完善注册定位技术的基础上，移动增强现实还可以在医学、精密工业等限制条件更加严格的行业中应用在室外环境中，移动增强现实最重要的应用就是地理信息系统(GIS)，其借助于GPS信息和远距离通讯，就可以完成重。