虚拟现实增强技术综述_周忠
增强现实综述
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《2024年虚拟现实增强技术综述》范文
《虚拟现实增强技术综述》篇一一、引言随着科技的不断发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）和增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术已经成为现代社会的一种重要趋势。
它们不仅为我们的生活带来了丰富的娱乐体验，也在医疗、教育、军事等多个领域展现出强大的应用潜力。
其中，虚拟现实增强技术更是集成了VR和AR的优点，使得用户能够在虚拟世界与现实世界之间自由切换，获得更加真实、自然的体验。
本文将对虚拟现实增强技术进行综述，分析其发展历程、技术原理、应用领域以及未来发展趋势。
二、虚拟现实增强技术的发展历程虚拟现实增强技术的发展可以追溯到20世纪中叶。
早期，人们主要通过模拟环境来提供一种沉浸式的体验，这可以看作是虚拟现实技术的雏形。
随着计算机技术和传感器技术的不断发展，VR和AR技术逐渐成熟，并在不同领域得到广泛应用。
近年来，随着技术的不断进步和融合，虚拟现实增强技术逐渐成为了一种新兴的技术趋势。
三、虚拟现实增强技术的技术原理虚拟现实增强技术主要涉及VR和AR两种技术。
VR技术主要通过头戴式显示器、立体声耳机等设备，为用户提供一个完全沉浸式的虚拟环境。
而AR技术则是在真实环境中叠加虚拟信息，使用户能够在现实世界与虚拟世界之间进行互动。
虚拟现实增强技术则是在这两种技术的基础上，通过传感器、图像识别等技术，实现用户在虚拟世界与现实世界之间的自由切换。
四、虚拟现实增强技术的应用领域1. 娱乐领域：虚拟现实增强技术为人们提供了丰富的娱乐体验，如游戏、电影等。
用户可以在虚拟环境中进行互动，获得更加真实、自然的体验。
2. 教育领域：虚拟现实增强技术可以为学生提供更加生动、形象的教学内容，帮助学生更好地理解和掌握知识。
同时，它还可以模拟实际场景，让学生在虚拟环境中进行实践操作，提高学习效果。
3. 医疗领域：虚拟现实增强技术在医疗领域的应用也十分广泛。
例如，医生可以通过VR技术进行手术模拟和训练，提高手术技能；患者则可以通过AR技术进行康复训练和辅助治疗。
2023娱乐产业年的虚拟现实与增强现实技术
2023娱乐产业年的虚拟现实与增强现实技术2023娱乐产业年的虚拟现实与增强现实技术工作总结一、引言随着科技的不断进步，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）与增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术在娱乐产业中的应用越来越广泛。
作为一名从事娱乐产业的工作人员，在过去的一年中，我积极跟进这一行业的发展，并参与了虚拟现实与增强现实技术在娱乐领域的应用和推广工作。
在这篇工作总结中，我将回顾过去一年的工作，并分析技术的应用效果以及面临的挑战，提出未来的发展方向和解决方案。
二、工作内容1. 技术研究和应用在过去的一年中，我深入学习了虚拟现实和增强现实技术的原理和应用。
我参与了多个AR和VR技术产品的开发和测试。
通过对于相关资料的调研和技术研究，我对AR和VR技术的软硬件设备有了更深入的了解，掌握了技术应用的基本流程，并且能够熟练操作VR和AR设备。
2. 娱乐领域的AR和VR应用在娱乐产业中，AR和VR技术的应用已经逐渐融入各个领域。
我负责参与了虚拟现实主题公园和增强现实游戏的开发。
通过多次试验与改进，我通过应用VR技术有效地提升了主题公园的游客体验，并成功刺激了游客的消费意愿。
同时，在增强现实游戏应用方面，我与团队合作开发了一款基于AR技术的手机游戏，通过将虚拟元素和现实场景相结合，成功吸引了大量的用户。
3. 虚拟现实与增强现实技术的推广和宣传在过去一年中，我参与了多项推广活动和展览会，并运用AR和VR技术进行示范和宣传。
通过对技术的解释和现场演示，我向媒体、产业界和用户普及了AR和VR技术的基本概念和应用场景，并提供了相关产品的试用机会。
这些宣传活动有效提升了用户对于AR和VR技术及其应用的认知度和兴趣，为进一步开拓市场打下了基础。
三、技术应用效果与面临挑战1. 技术应用效果通过推广和应用虚拟现实与增强现实技术，我所参与的项目在提升用户体验和吸引用户方面取得了显著成果。
虚拟现实技术的英文文献综述
Virtual Reality and its prospectNo matter you are a video game player, a movie lover or an industrial designer, you must have learned a lot about the VR (virtual reality). Many media reports 2016 as the first year of VR. At present, the Steam VR platform has been able to experience the virtual reality game through Vive HTC. Google has invested $0.54 billion in the virtual reality company Magic Leap. It is said that Apple and Facebook also formed a large team composed of virtual reality and augmented reality experts to compete with the other companies in this new, high tech field[2]. Even famous director Spielberg declared that he would produce a film about family cooperating with VRC company.VR (virtual reality) technology can be widely used in urban planning, interior design, industrial simulation, monuments restoration, road and bridge design, real estate sales, tourism, education, water conservancy and electric power, geological disasters, education and training and many other fields, to provide feasible solutions[2]. And the video game is the most eagerly awaited application now. Not long ago, a video game company, Valve, released a promotional video of its VR: Steam VR. In this footage, players are invited to wear VR equipment and experience all kinds of games, and other people can see their experience in "another world" in a variety of events on the screen. Everyone no matter player or viewer say it’s really awesome.So what is VR? How does it work? Virtual reality, multi-media and network technology are known as the three computer technology with best major prospects. This technology is the use of computer simulation to generate a three-dimensional virtual world, to provide users with visual, auditory, tactile and other simulation, so that users can be in an immersive unlimited observation of things within three dimensional space[3]. When the user moves the position, the computer carries on the complex computation, maintaining the spot feeling. In a word, VR technology can bring the user's perception into the virtual world it creates, and let users believe that it is true.In general, a normal VR equipment consists of one helmet which have a micro processer and a special optic system to produce parallax and make the stereoscopic there dimensional pictures, two handles for operating and getting sensation like touching and two speakers to produce the three dimensional sounds. And it also needs to connect to a computer which deals with the information, runs program and help the CPU and special optic system produce scene.It’s really obvious that the most important thing for VR equipment is to make the virtuality like reality. The following are several key technologies to achieve that[4].First is the real time computer picture simulation. In a virtual simulation system, image refresh is very important.While the image quality requirements are very high, coupled with a very complex virtual environment, the problem becomes quite difficult. Second the images are generated respectively differently in the user’s two eyes, displayed on different monitors.Parallax will bring a sense of three-dimensional then. Third, tracking. When we play computers the mouse and keyboard record our track, but the helmet and handles are in charge of it. Last is two important steps of the user feedback. One is interaction. In the scene of VR, not only the player and player, player and environment but environment and environment all have interaction. It makes the world more real. Another is muti-sensation. Not only the sound and the sight is three- dimensional ,but you can get touching even smelling by the handles. They both make the scene more real.However Virtual reality experience refers to still exist many defects now. Some analysts pointed out that the VR technology is not yet mature, experience still exists many blemishes, and equipment costs are too high. It will take time that VR technology comes into public view from “niche toys”. The main problems are significant discomfort, a sense of vertigo when wearing, obvious hardware content and so on. For instance, the requirements of the VR equipment image is relatively high. The movie is a second and 24 frames, but 100 frames a second of VR device in order to achieve high quality[5]. That will greatly increase the computational burden of the hardware, which is difficult to achieve a comprehensive in the industry. Besides the helmet and the handles are a little heavy and the price is still high for ordinary people now.But there is one word, one flaw cannot obscure the splendor of the jade. Most specialists and forecasters think the prospect of virtual reality is optimistic beyond a doubt. For example, the GIC (Government of Singapore Investment Corp) forecasts that in 2018, global VR equipment shipments will grow 173% and increase to 0.388 billion from 0.027 in 2015. Another forecaster Enfodesk even predicts that the virtual reality revenues in China will reach to 2160.0 million of Chinese yuan although the increment speed in 2017 is slower than before.Although VR technology is not mature now and still has much room for improvement, we should keep confidence in it. There is a good news that the HTC Vive began to sale a few days ago and more than one hundred thousand people have reserved it even it costs $9999. According to the Google Trends, VR will enter the era of large outbreak in the near future. So I believe in the not far future, the virtual reality will play the role of the smartphone now and change our life, our social and our planet greatly.[1]安卓资讯网.VR产业布局剧透[DB]. ,2016-5-26[2]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学(F辑:信息科学),2009,(01):2-46.[3]周忠,周颐,肖江剑. 虚拟现实增强技术综述[J]. 中国科学:信息科学,2015,(02):157-180.[4]陈浩磊,邹湘军,陈燕,陈燕,刘天湖. 虚拟现实技术的最新发展与展望[J]. 中国科技论文在线,2011,(01):1-5+14.[5]搜狐证券.虚拟现实消费端难放异彩[DB]. .shtml写作感悟：在为了写这篇作文查找资料时，我发现文献很多很杂，并大多都更加注重某一方面的具体应用，而综合介绍和解释的不多；并且用我需要的关键词查找文献也很费劲。
了解虚拟现实与增强现实技术初中上册信息技术工作总结
了解虚拟现实与增强现实技术初中上册信息技术工作总结【工作总结】一、引言近年来，随着科技的飞速发展，虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）技术逐渐走进了人们的生活。
作为初中上册信息技术工作的总结，本文旨在整理和总结个人对虚拟现实和增强现实技术的了解，并对其应用前景进行分析。
二、虚拟现实技术的了解虚拟现实技术是一种通过计算机生成的虚拟世界，让用户能够身临其境地与虚拟环境进行互动。
在虚拟现实技术中，用户通常需要佩戴特定的设备，如头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD）和手柄等，以获得更加真实的体验。
虚拟现实技术在游戏、教育、医疗等领域有着广泛的应用。
三、增强现实技术的了解增强现实技术是一种将虚拟信息与真实世界进行融合的技术，通过摄像头和计算机图像处理等技术手段，将虚拟图像叠加到真实场景中。
与虚拟现实技术不同，增强现实技术不需要佩戴特定的设备，用户只需要通过智能手机等普通设备即可体验。
增强现实技术在游戏、广告、建筑设计等领域有着广泛的应用。
四、虚拟现实与增强现实技术在教育领域的应用前景1.1 虚拟现实技术在教育领域的应用前景虚拟现实技术在教育领域的应用非常广泛，它可以将学生带入到远离现实的环境中，提供更加丰富的学习资源和模拟实验的机会。
例如，在生物学课堂上，学生可以通过虚拟现实技术亲身体验动物的生活习性，加深对知识的理解。
此外，虚拟现实还可以创造各种场景，如历史场景、艺术作品等，通过身临其境的体验，激发学生的学习兴趣和主动性。
1.2 增强现实技术在教育领域的应用前景增强现实技术在教育领域同样有着广阔的应用前景。
它可以通过虚拟图像的叠加，为学生呈现更加生动鲜活的学习内容。
例如，在语言学习中，通过增强现实技术可以在学生身边呈现各种语言环境，提供真实的语言运用场景，帮助学生更好地掌握语言技能。
此外，增强现实还可以结合实物教具，让学生在操纵实物的同时获取相关的虚拟信息，提高学习效果。
《2024年虚拟现实综述》范文
《虚拟现实综述》篇一一、引言随着科技的飞速发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术逐渐成为当今科技领域的一大热点。
虚拟现实技术以其独特的沉浸式体验、交互性以及多感知性，为人们提供了全新的感知和认知方式。
本文将对虚拟现实技术的发展历程、关键技术、应用领域以及未来发展趋势进行综述。
二、虚拟现实技术的发展历程虚拟现实技术的发展可追溯到20世纪50年代。
随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术逐渐从概念走向现实。
从最初的简单模拟到现在的沉浸式体验，虚拟现实技术经历了以下几个发展阶段：1. 概念提出阶段：20世纪50年代，人们开始提出虚拟现实的概念，并尝试通过计算机技术进行模拟。
2. 技术萌芽阶段：20世纪80年代，随着计算机图形学、人机交互等技术的发展，为虚拟现实技术的实现提供了可能。
3. 初步应用阶段：20世纪90年代，虚拟现实技术在军事、航空、医疗等领域得到初步应用。
4. 快速发展阶段：进入21世纪后，随着计算机硬件性能的提升以及网络技术的发展，虚拟现实技术得到了快速发展。
三、虚拟现实的关键技术虚拟现实技术的实现涉及多个领域的技术，主要包括以下几个方面：1. 渲染技术：通过高性能的图形处理器和算法，实现高质量的图像渲染和实时交互。
2. 交互技术：通过传感器、控制器等设备，实现用户与虚拟世界的自然交互。
3. 感知技术：通过模拟视觉、听觉、触觉等感知信息，为用户提供沉浸式体验。
4. 人工智能技术：利用人工智能技术，实现虚拟世界中物体的智能行为和响应。
四、虚拟现实的应用领域虚拟现实技术的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 娱乐游戏：虚拟现实技术为游戏玩家提供了沉浸式的游戏体验，使游戏更加逼真和有趣。
2. 教育培训：通过虚拟现实技术，可以实现远程教育、模拟实验等应用，提高教育效率和学习效果。
3. 医疗健康：在手术模拟、康复训练等领域应用广泛，帮助医生提高技能水平以及帮助患者进行康复训练。
虚拟现实增强技术综述
虚拟现实增强技术综述一、本文概述随着科技的飞速发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术已经成为当今科技领域的一颗璀璨明星，而虚拟现实增强技术（Augmented Reality，简称AR）作为其重要的分支，更是受到了广泛的关注。
AR技术通过计算机生成的元素来增强用户对真实世界的感知，使得虚拟世界与现实世界相互融合，从而为用户带来更加丰富、生动的体验。
本文旨在全面综述虚拟现实增强技术的发展历程、基本原理、应用领域以及未来发展趋势。
我们将回顾AR技术的发展历程，从早期的概念提出到现在的前沿应用，展现其不断演进的过程。
我们将深入探讨AR技术的基本原理，包括其核心技术、实现方式以及与传统VR技术的区别。
然后，我们将重点介绍AR技术在各个领域的应用，如教育、医疗、娱乐等，并分析其在实际应用中的优势和挑战。
我们将展望AR技术的未来发展趋势，探讨其在未来可能带来的变革以及面临的挑战。
通过本文的综述，我们希望能够为读者提供一个全面、深入的AR技术知识框架，同时激发更多研究者对AR技术的兴趣和热情，共同推动AR技术的发展和应用。
二、虚拟现实增强技术基础虚拟现实增强技术，也被称为增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种将虚拟信息融入真实世界的技术。
它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。
AR技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。
在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把下面的真实世界与上面的虚拟世界同时摄入眼帘，并产生融合。
AR技术的出现，打破了虚拟世界和真实世界的界限，使得用户可以在真实环境中与虚拟对象进行自然的交互。
AR技术的实现需要依赖多种技术，包括计算机视觉、图像处理、传感器技术、空间定位以及人机交互等。
计算机视觉和图像处理技术使得设备能够识别并理解真实世界中的图像和物体，这是实现AR效果的基础。
虚拟现实与增强现实工作总结
虚拟现实与增强现实工作总结近年来，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）和增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术快速发展，为各个领域带来了新的变革和机遇。
本工作总结将回顾过去一年以来我在虚拟现实与增强现实领域从事的工作，并对取得的成果进行汇总和总结。
一、项目介绍与背景在本年度，我所参与的虚拟现实与增强现实项目主要集中在教育、医疗和工业领域。
这些项目旨在利用VR和AR技术提升用户体验、提供更高效的解决方案，并推动相关行业的数字化转型。
二、项目成果1. 教育领域针对传统教育方式的不足，我们开发了一套基于虚拟现实技术的教学平台。
通过无缝融合VR和AR技术，学生可以直观地了解抽象概念，提升学习效果。
教师可以根据学生的反馈和学习数据，进行精准教学，定制个性化教育方案。
2. 医疗领域在医疗领域，我们研发了基于AR技术的手术辅助系统。
通过AR眼镜，医生可以实时观察患者的内部结构，快速定位手术目标，同时手术过程中的实时数据反馈也可减少手术风险。
此外，我们还开发了一款VR虚拟康复系统，患者可以在现实环境之外进行沉浸式康复训练，提高恢复效果。
3. 工业领域在工业领域，我们致力于利用AR技术提升生产效率和安全性。
我们推出了一种AR维修指导系统，工人通过AR眼镜可以直接获得相关设备的维修指导，节省了查阅手册和寻找专家的时间，提高了工作效率。
此外，我们还开发了一套虚拟仿真系统，让工人可以在虚拟环境中进行危险操作的模拟，提前排除潜在的安全隐患。
三、团队合作与创新在项目开展过程中，我所在的团队积极探索新的技术和方法，不断追求创新。
我们与多家高校和企业合作，充分利用各方资源，实现了跨学科交叉融合的效果。
同时，通过举办技术研讨会和开放日活动，我们与行业内的专家、学者和企业家进行交流，提升了团队的影响力和创新能力。
四、存在的问题与展望在项目开展过程中，我们也遇到了一些问题和挑战。
一方面，虚拟现实与增强现实相关硬件的成本仍然较高，限制了技术的普及和应用范围。
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中国科学:信息科学2015年第45卷第2期:157–180虚拟现实增强技术综述周忠x*,周颐x,肖江剑yx北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室,北京100191y中国科学院宁波工业技术研究院,宁波315201*通信作者.E-mail:zz@收稿日期:2014–04–08;接受日期:2014–07–07;网络出版日期:2014–12–16国家自然科学基金(批准号:61170188,61273276)和国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号:2012AA011801,2012AA01 1803)资助项目摘要随着近年来计算机三维处理能力的增长和低成本传感显示元件的出现,虚拟现实得到了快速发展,特别是与现实世界产生了越来越多的结合技术,从虚拟和现实的两个角度对虚拟现实进行增强.论文重点围绕近几年的发展趋势,论述了增强现实与增强虚拟环境的技术特点,介绍了虚拟现实增强技术的相关硬件设备发展;然后分别介绍了增强现实和增强虚拟环境技术的发展现状,讨论了移动互联网上的虚实增强技术与应用,并结合作者参与ISO/IEC的工作,介绍了相关国际标准制定最新情况;最后进行总结并提出需要解决的问题.关键词增强虚拟环境增强现实虚实增强混合现实1引言虚拟现实技术建立人工构造的三维虚拟环境,用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响,极大扩展了人类认识世界,模拟和适应世界的能力.虚拟现实技术从20世纪60∼70年代开始兴起,90年代开始形成和发展,在仿真训练、工业设计、交互体验等多个应用领域解决了一些重大或普遍性需求,目前在理论技术与应用开展等方面都取得了很大的进展.虚拟现实的主要科学问题包括建模方法、表现技术、人机交互及设备这三大类,但目前普遍存在建模工作量大,模拟成本高,与现实世界匹配程度不够以及可信度等方面的问题[1].针对这些问题,已经出现了多种虚拟现实增强技术,将虚拟环境与现实环境进行匹配合成以实现增强,其中将三维虚拟对象叠加到真实世界显示的技术称为增强现实,将真实对象的信息叠加到虚拟环境绘制的技术称为增强虚拟环境.这两类技术可以形象化地分别描述为“实中有虚”和“虚中有实”.虚拟现实增强技术通过真实世界和虚拟环境的合成降低了三维建模的工作量,借助真实场景及实物提高了用户体验感和可信度,促进了虚拟现实技术的进一步发展.搜索热度代表了大众对于该词的关注程度,一般来说,新技术会引起搜索高潮,然后慢慢下降,在技术取得突破或出现某热点事件时激增,最终趋于稳定.我们使用Google trends对比了虚拟现实,增强现实,增强虚拟环境和混合现实等词的全球搜索热度,为了有所参照,以人机交互(HCI)作为参考,搜索结果对比如图1所示.可以看出,和人机交互一样,虚拟现实的搜索热度逐渐下降并趋于稳定,这说周忠等:虚拟现实增强技术综述Virtual realityAugmented realityHCl as reference topicMixed realityAverage searches20052007200920112013图1虚拟现实、增强现实和混合现实搜索量统计对比(来源:Google trends,2004.01∼2014.06)Figure1The search comparison of virtual reality,augmented reality,and mixed reality(from Google trends, 2004.01∼2014.06)明虚拟现实技术正在成熟中,逐渐被大众所接受,其中最近的峰值是Facebook收购虚拟现实眼镜企业Oculus.与之相反,增强现实的关注度在2008年开始迅速上升,并连续出现多个热度高峰,通过查看其关联新闻可以发现,其热度主要是2007年Apple公司发布iPhone,移动互联网兴起所推动,特别是在摄像头加上陀螺仪成为智能手机的标配,为增强现实技术提供了充分的发展空间.这其中Google眼镜和网上虚拟试衣吸引了很多关注度.而增强虚拟现实,增强虚拟环境,增强虚拟(augmented virtuality)等词的搜索量远小于以上热词的量级,反映了增强虚拟环境技术还有待于突破,尚未出现重要事件.可以看出,对虚拟现实技术进行增强正发展成为重要的方向,具有很大的发展潜力.本文重点围绕近几年虚拟现实增强技术的发展趋势,首先论述了技术特点,介绍了相关的硬件设备发展,然后分别介绍了增强现实和增强虚拟环境技术的发展现状,考虑到移动互联网是信息技术发展的又一次革命,简介并讨论了移动互联网上的虚实增强技术与应用,接下来结合作者参与ISO/IEC JTC1SC24分技术委员会的工作,介绍了相关国际标准制定的最新情况,最后进行总结并给出了几个需要解决的问题.2技术特点现在业内普遍认可:从真实世界到虚拟环境中间经过了增强现实与增强虚拟环境这两类虚拟现实增强技术[2].国际上一般把真实世界(计算机视觉)、增强现实、增强虚拟环境、虚拟现实这4类相关技术统称为虚拟现实连续统一体(VR continuum).与早期相比,增强现实或增强虚拟环境的概念已经发生了很大的变化,技术领域大为拓宽,但它们的技术特征都离不开如下3点:(1)将虚拟和现实环境进行混合;(2)实时交互;(3)三维注册.下面分别对增强现实与增强虚拟环境进行技术分析.需要说明的是,此处的“相机”是指广义上的视觉采集设备,不单包括摄像头,也包括红外深度相机、激光扫描仪等.增强现实技术通过运动相机或可穿戴显示装置的实时连续标定,将三维虚拟对象稳定一致地投影到用户视口中,达到“实中有虚”的表现效果.如图2所示,真实世界是我们所处的物理空间或其图像空间,其中的人和竖立的VR牌是虚拟对象,随着视点的变化,虚拟对象也进行对应的投影变换,使得虚拟对象看起来像是位于真实世界的三维空间中.图2和3中的虚线对象代表虚拟环境对象,实线对象代表真实对象或其图像.增强现实还有一个特殊的分支,称为空间增强现实(spatially augmented reality)[3],或投影增强模型(projection augmented model)[4],将计算机生成的图像信息直接投影到预先标定好的物理环境表面,如曲面、穹顶、建筑物、精细控制运动的一组真实物体等.本质上来说,空间增强现实是将标定生成的158中国科学:信息科学第45卷第2期图2增强现实技术“实中有虚”Figure 2Augmented reality mixed the virtual object into real world图3增强虚拟环境技术“虚中有实”Figure3Augmented virtual environment mixed the real object into virtual environment图4TED 2010上叠加真实影像的地图Figure 4Augmented-reality maps in TED 2010虚拟对象投影到预设真实世界的完整区域,作为真实环境对象的表面纹理.与传统的增强现实由用户佩戴相机或显示装置不同,这种方式不需要用户携带硬件设备,而且可以支持多人同时参与,但其表现受限于给定的物体表面,而且由于投影纹理是视点无关的,在交互性上稍显不足.实际上,我国现在已经很流行的柱面、球面、各种操控模拟器显示以及多屏拼接也可以归为这一类.最著名的投影增强模型的是早期的“shader lamps”[4].增强虚拟环境技术预先建立了虚拟环境的三维模型,通过相机或投影装置的事先或实时标定,提取真实对象的二维动态图像或三维表面信息,实时将对象图像区域或三维表面融合到虚拟环境中,达到“虚中有实”的表现效果.如图3所示,在虚拟环境中出现了来自于真实世界的实时图像,其中VR 牌上的纹理和人体都来自于相机采集的图像,人体甚至可以是实时的三维对象及其表面纹理图像.与增强现实中存在的投影增强模型技术正好相反,增强虚拟环境技术中也有一类对应的技术,用相机采集的图像覆盖整个虚拟环境,即作为虚拟环境模型的纹理,用户可以进行高真实感的交互式三维浏览.当这种三维模型是球面、柱面、立方体等通用形状的内表面时,这种技术也就是现在已经很普及的全景(panorama)图片或视频.全景视频将真实世界的一幅鱼眼或多幅常规图像投影到三维模型上,构造出单点的全方位融合效果,多幅图像之间的拼接可以是图像特征点匹配或相机预先标定等方式.微软Bing 地图架构师Arcas 在TED 2010的演讲中演示了一种新颖地图应用研究,在全景图片增加实时视频内容的叠加1),如图4所示.这种增强方式可以反映同一地点各种影像的空间几何关系,用户可以自由浏览全景,就像在现场一样,产生了更加真实的虚拟环境效果.1)Arcas B A y.Augmented-reality maps.TED Talks,2010.159周忠等:虚拟现实增强技术综述表1ISMAR(2008∼2012)发表S&T论文分方向统计Table1AR research categories in the literature set of ISMAR(2008∼2012) Category20082009201020112012Total Percentage(%) Tracking448863023.4Interaction167031713.3AR App.333521612.5Mobile AR440341511.7Evaluation42220107.8Display4220197.0Rendering110046 4.7Calibration200114 3.1Visualization110114 3.1Modeling010113 2.3 Multimodal AR1000010.8 Others102551310.2Summary2624242628128100.0IEEE ISMAR(International Symposium on Mixed and Augmented Reality)是专门讨论虚拟现实增强技术的国际会议,发表的论文包括两类:科技(Science&Technology,S&T)论文和艺术人文(Arts, Media&Humanities,AMH)论文.其微软学术搜索计算的H因子为41,从1999年到2011年间共发表论文753篇,引用总计7514次(其中自引992次),特别是从2004年开始引用频次明显提高2).Zhou 等[5]在2008年综述了ISMAR及其前身会议的10年间发表S&T论文情况,相机跟踪、交互、标定、应用、显示和移动AR是最主要的6个方向,而高引用论文分布的前几个方向主要是相机跟踪、交互、标定、应用、编著和移动AR.可以看出,当前相机跟踪、交互和标定是虚拟现实增强技术研究关注的热点,另外,应用模式也是业内正在积极探索的内容,应用(含移动应用)及其引用比例均能够占整个会议的1/5.本文还对ISMAR2008年至2012的论文(regular paper)进行了统计,同样按照前述的几个方向进行分类.从表1和表2可以看出,在近几年的发展中,热门方向大致分布不变,相机跟踪和交互依然占主导地位,尤其是近5年来的最佳论文奖有3篇研究相机追踪.而AR应用和移动AR的探索明显增多,验证了移动互联网的影响与推动.IEEE VR(IEEE Virtual Reality Conference)是IEEE关于虚拟现实技术的专业国际会议,虚拟现实增强技术也是其接受的论文主题之一.该会议源于1993年的会议Virtual Reality Annual Inter-national Symposium.根据微软学术搜索,20多年间共发表论文461篇,引用总计6511次(其中自引144次).该会议一般包括长文(Long Paper)和短文(Short Paper),近年来部分长文会被推荐至IEEE put.Graph发表.本文统计了IEEE VR近5年发表论文情况,如表3所示,相机跟踪与标定、交互、AR应用依然是最主要的研究方向,但相比于ISMAR,多出了重点研究方向——感知. IEEE VR的文章以系统级应用为主,覆盖面广于ISMAR,AR应用、交互、感知、跟踪和图形是前5个研究方向,其论文数量约占论文总数的78.5%.2)/.160中国科学:信息科学第45卷第2期表2ISMAR(2008∼2012)不同方向的高引用论文比例Table2Proportion of highly cited papers in ISMAR(2008∼2012)Category Papers(%)Citations(%)Tracking23.422.6Interaction13.38.8AR App.12.510.3Mobile AR11.732.9Evaluation7.89.9Display7.0 3.3Rendering 4.7 2.3Calibration 3.1 1.0Visualization 3.10.8Modeling 2.3 1.1MultimodalAR0.80.8Others10.2 6.1表3IEEE VR(2009∼2013)发表论文分方向统计Table3Research categories in IEEE VR(2009∼2013)Category20092010201120122013Total Percentage(%)AR App.8127453620.3Interaction31110463419.2Perception983542916.4 Tracking calibration239622212.4 Graphics333541810.2 Collaboration&Avatars44015147.9 Display6000511 6.2Evaluations004116 3.4 Others000347 4.0Summary3541362936177100.03相关硬件设备发展虚拟现实增强技术需要与真实世界相结合,不可避免需要相机等传感装置及显示设备,因此相关硬件设备的发展对该技术有着重要的影响.近年来,摄像头质量的提高和普及,红外安全激光技术的成熟和消费级产品出现都大大促进了虚拟现实增强技术的进步和应用.本节简介增强现实与增强虚拟环境常用硬件设备的最新发展情况.3.1相机摄像头是增强现实技术最重要的硬件设备,大量的相机跟踪和标定技术都是以简单摄像头为基本配置.摄像头作为一种廉价、标准、易于获取和集成的采集设备,有着巨大的市场需求,业内竞争极其激烈.特别是随着智能手机的出现,一直处于高速发展中.前后双摄像头已经成为了智能手机的标161周忠等:虚拟现实增强技术综述准配置.现代的摄像头成本越来越低,尺寸越来越小,分辨率越来越高,成像质量也越来越好.据报道, iPhone元件供应商之一,Lead-mall出售的800万像素摄像头模块价格仅为9美元.2013年7月30日,Apple公司的一项面向移动设备的摄像头专利获得授权引起大量关注,这项技术具有3传感器, 3镜头的设计,据称能大幅度提高成像质量[6].Nokia公司在2012年2月27日发布了第一款高达4100万像素的手机,基于塞班系统的Nokia808,接着在2013年7月11日发布了基于Windows Phone 平台的Lumia1020手机.Lumia1020也配置了4100万像素摄像头,可以捕捉分辨率为3800万像素、采样500万像素的图像.上述硬件设备的发展不但使智能手机拍照功能竞争加剧,而且对数码相机产业甚至高端的单反相机前景都形成了新的挑战.全景包含了全方位的图像信息,在可视角度和交互性上具有优势.目前,全景图像的合成主要来源于3种:普通相机拍摄、软件后期合成和全景相机拍摄.其中普通相机拍摄是让同一相机进行连续微小运动,拼接得到的多帧图像,从而合成出全景图像.软件后期合成则是完全依靠图像特征点匹配等方法对重叠的图像进行拼接.上述两种方法缺点都是不能做到连续实时地合成全景视频,如果要得到高质量的全景图像还需要手工图像处理,工作量较大.全景摄像机通过事先标定方式,可在采集或回放时实时拼接合成,得到连续实时的全景视频,后续工作量小,适合实现大范围无死角的全景监控.全景摄像机大致可以分为单成像传感器型和多成像传感器型两大类.在单成像传感器全景摄像机中又可以分为球面折反式和鱼眼式.球面折反式是在常规单镜头摄像机前面安装一个球面反射镜,通过对入射光线的折反来实现对周边区域的360◦环视.由于在摄像机的正前方安装了一个反射镜,会挡住摄像机的正前方入射光,在图像的中心部位形成盲区,因而只能用于水平方向的360◦环视.典型厂商有美国的Bellissimo公司、中国的普维光电等.Kogeto Dot是一个小巧的摄影附件,以三点式固定在iPhone4上,在镜头前套上一个全景拍摄用反射镜,下载免费配套APP即可实现全景视频拍摄.鱼眼摄像机设计相对简单,通常是在普通的成像传感器前加装一个超短焦距的鱼眼镜头,实现大视场的观测.典型厂商有德国的Mobotix、中国的海康威视等.然而,这种鱼眼相机由于镜头需要接受大角度的光线,会产生较强的图像畸变,特别是从镜头边缘获取的图像模糊不清.此外,单成像传感器相机整体曝光不能适应所有区域,高像素密度芯片价格更贵,虽然存在上述缺点,但单成像传感器尺寸可以做到很小,除镜头外的其他部分容易开发和加工.多成像传感器拼接型全景摄像机使用多个相机拼接的方式扩大了图像分辨率,缓解成像过程动态响应不足,解决图像严重扭曲分辨率不均等问题.最为有名的是Google公司街景采集车上的全景相机,典型产品有美国Immersive Media的Dodeca2360、加拿大PointGray的LadyBug、美国Elphel 公司的360全景相机等.其中,PointGray公司的LadyBug5全景系统采用6个5百万像素的CCD 传感器,可以获得近3千万像素的全景合成图像3).Elphel公司的Eyesis4Pi全景系统采用26个5百万像素CMOS传感器,可以获得近亿像素的全景合成图像4),其价格高达10万美元一台.这些产品目前尺寸较大,价格昂贵.国内中科院宁波所研发了8镜头拼接的360◦全景摄像机,并已进入产品化5).腾讯等公司的街景由5个单反相机的照片后期拼接而成,随着技术和工艺的成熟,全景相机的价格有望大幅度降低.在新的多相机拼接设备的支持下,大范围监控从“看得更多更清楚”向“找到和表现出最需要的信息”发展.美国军方支持大范围监控的拼接型摄像机最近开始正式服役,公布的测试数据在40km2范围可保持15cm清晰度,掀起了新一轮摄像技术的变革.从2007年开始,美国国防部先进设计计划3)/products/ladybug5/.4)/eyesis-4pi/.5)/.162中国科学:信息科学第45卷第2期局(DARPA)资助BAE系统公司研发了自动实时地面持续监控影像系统(ARGUS-IS),投资1850万美元,耗时30个月制造完成.2010年,在UH-60黑鹰直升机上测试通过,现已在美军新一代无人直升机——波音A160T“蜂雀”上装备[7].ARGUS-IS实现了18亿像素的宽视场航空影像连续拍摄,该系统由4组相机构成,每组相机由92个500万像素镜头组成,拍摄速度每秒5帧[8].从5km的高空进行拍摄可以监控约合4×105km2区域,并可以有效地分辨出地面上最小15cm的物体.利用ARGUS-IS从高空监测整个军事港口的情况,借助这一先进的监视系统,指挥官能够对整个战场的一举一动进行实时监控.在2012年6月21日,Nature杂志网络版报道了Duke大学研发出的一种“超级照相机”原型.超级照相机能将98台独立相机(每台拥有1400万像素)的传感器获得的画面拼接起来,从而创造出一张9.6亿像素的图像[9].该照相机的分辨率非常高,可以看见1km外3.8cm宽的物体.当用近乎鱼眼镜头的120◦视角来拍摄西雅图时,这台93kg重的相机可以捕捉到足够多的细节,甚至能够读到两个街区之外交通标识牌上的“罚款”字样.其中,光学器件仅占了这台相机体积的3%,而75cm×75cm×50cm的相机尺寸则既能保证容纳下相机的电路板,又可使其免于过热.但是,这台相机不具备连续拍摄能力,只能对一个特定时刻进行拍摄.3.2位置与角度传感器GPS和加速度计已经成为了智能手机的标配,位置和角度传感器可以对相机跟踪起到重要的辅助作用.GPS主要根据空间卫星和地面GPS传感器之间的往返时间进行三角测量得到数据,除卫星数量和通信因素外,容易受高楼遮挡、气候等条件影响,目前我国的普通廉价GPS大致只能实现精度5∼10m的位置定位.差分GPS可以接入差分网,以地面基站作为准确“地标”进行高精度位置测量.加速度计(accelerometer)可以测量设备的加速度方向,以iPhone为例,可以安装“Sensor Data”采集传感数据.加速度计的测量值从−1到1变化,当手机轴为完全水平时,测量值为0,当轴为竖直时,测量值为−1或1,利用简单的三角函数可以大致计算出手机的倾斜角.手机用的廉价加速度计测量精度低,大多只能测量一个倾斜角,所以一般只是用来监测设备的竖直状态,控制图片或电子书阅读方向等.iPhone3GS在移动设备上集成加速度计、陀螺仪(gyroscope)和磁力计(magnetometer)等设备进行结合计算,率先推出了“电子罗盘”APP,可以测量设备的三个旋转角度,可用于人机交互,并促进了增强现实APP的出现,例如街景图像的全景控制等.3.3可穿戴增强显示设备Bimber和Raskar[10]按应用场景不同,对增强现实显示设备进行了分类,如图S1所示,有头戴式、手持式和空间投影式.头戴式数字头盔(head-mounted display,HMD)一直是增强现实的传统研究内容,一般被分为光学透射式(optical see-through,OST)头盔和视频透视式(video see-through,VST)头盔.光学透射式是指用户透过透明镜片看到真实世界,并通过反射或投影方式看到虚拟环境或对象;视频透视式是指将头盔上集成摄像头采集的外部图像与虚拟场景相合成,然后输出到用户眼前的小屏幕上,其原理和技术进展可参考[5,10].2012年,初创公司Oculus推出了大视场低延迟的消费级HMD Oculus Rift,取得了重要突破.但到目前为止,绝大多数HMD仍然价格昂贵、标定复杂、精度和分辨率不够理想,突破性的进展不大.精确的三维空间位置跟踪是HMD的一个难点,限制了其应用范围和成本.但实际上,近年来, HMD的其他部件,如摄像头、陀螺仪、微型投影机、微型显示屏等均在尺寸、成本和技术指标上有了很大突破,因此类似Google glass增强现实眼镜、Oculus虚拟现实头盔的消费级产品出现也就可以理163周忠等:虚拟现实增强技术综述解了.不考虑三维位置定位后,Google glass在光学设计,骨传导和器件集成等方面取得了突破,成功将智能手机的功能集成到超轻薄的可穿戴眼镜上.Google glass已于2014年上市,受此影响,多家公司开始加入这一类产品的研发行列中,Vuzix,GlassUp,Sony,Olympus等公司在2013年发布了多款增强现实眼镜.2014年3月20日,著名的Facebook公司宣布以20亿美元收购虚拟现实头盔显示器公司Oculus——一家成立仅有2年的硅谷创业公司.Oculus公司率先研发了一种消费级的高性能头盔显示设备——Oculus RIFT,售价仅为300美元.之后,sony、三星等公司纷纷跟进.随着业内大公司的积极推动,可穿戴式三维显示似乎进入了一个新的高速发展时期,也大大增加了增强现实和虚拟现实技术的影响力.3.4体感交互设备近年来国际上三维体感交互设备的突破性产品连续出现.体感交互设备可以采集人体的三维运动数据,提供了将真实世界传感数据合成到虚拟环境的重要方式,是增强虚拟环境技术的重要设备.体感交互设备的突破主要来自于飞行时间(time-of-flight,TOF)技术,它随着低成本红外半导体传感器的成熟而提出,测量原理与三维激光扫描仪大致相同,都是测量光的往返时间.所不同的是激光扫描仪是逐点扫描,而TOF是对光脉冲进行调制并连续发送和捕获整个场景的深度.因此与激光扫描相比,TOF相机的优点是捕获速度非常快,缺点是分辨率低、测量精度低.最早出现的是TOF深度相机,知名的有ZCam,Mesa,PMD,Canesta等公司的产品,它们的光发射频率约几千万Hz,捕获速度最高可达到每秒100帧,但分辨率最高不超过320×240,价格昂贵,一般需要几万元人民币.微软在2010年推出了Kinect,它的红外LED向外投射光斑阵列,通过一种基于采样深度数据比较估计的光编码算法,大幅度降低了光的发射频率,提高了深度图计算的速度和分辨率(320×240),成本也大幅度降低到一千多元,掀起了研究和娱乐等应用热潮.2012年微软又推出了Kinect for Windows,进一步提高了深度图的分辨率,达到640×480,并在适用距离和精度上有了较大提高.其SDK提供了更稳定的人体骨骼、面部跟踪以及三维重建API[11].2012年5月,Leap Motion公司推出了小型运动控制系统Leap3D,可以追踪多个物体并识别手势,其识别精度为0.01mm,再次掀起了整个互联网领域对体感交互设备的惊奇与研究热潮.2013年7月Leap3D正式发售,其定价仅为79.99美元.Leap3D控制器只有8cm长,集成了2个130像素的网络摄像头传感器和3个红外LED,采用的是将光编码技术和双目立体视觉相结合的算法6).2013年加拿大Thalmic Labs公司研发的手势控制腕带MYO则独辟蹊径,更显神奇.它通过检测用户运动时胳膊上肌肉产生的生物电变化,不止实时,甚至提前在物理运动之前进行手势识别,其售价仅为149美元,再次成为业内焦点7).这些体感交互设备能够将真实世界的人体运动在虚拟环境中实时精确表示,增强了虚拟现实的交互能力.随着相关设备的发售和解密,我国也有一些公司和研究机构跟踪和研究.3.5三维立体显示设备现在市面上可以购买的立体显示设备已经有很多了,最常见的是基于偏振片或奇偶快门切换的立体电影电视、显示器、立体投影等,这类设备需要佩戴对应的3D眼镜,每帧包括对应左右眼的两幅图像.基于偏振片的立体显示是在空间上进行了偏振过滤,因此在亮度上有所损失;基于快门切换的立体显示是在时间上进行了左右眼图像交替显示,因此在帧速上有所损失.这些双目立体显示方式只能6)/motion-sensors/leap-motion-the-leap-p15766/test.html.7)https:///myo/.164。