增强现实(AR)系统组成及实用领域综合分析

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增强现实(AR)系统组成及实用领域综合分析

一、相关定义解析

（一）虚拟现实定义

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，用户借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。

即虚拟现实是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，综合利用了计算机图形学、仿真技术、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技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。

图表 虚拟现实技术基本原理

资料来源：产研智库

（二）增强现实定义

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种利用计算机系统产生三维信息来增强用户对现实世界感知的新技术。一般认为，AR技术的出现源于虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）的发展，但二者存在明显的差别。传统VR技术给予用户一种在虚拟世界中完全沉浸的效果，是另外创造一个世界；而AR技术则把计算机带入到用户的真实世界中，通过听、看、摸、闻虚拟信息，来增强对现实世界的感知，实现了从“人去适应机器”到技术“以

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人为本”的转变。

图表 增强现实技术原理

资料来源：产研智库

（三）混合现实定义

混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

图表 VR、AR及MR关系图

资料来源：产研智库

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二、增强现实系统组成分析

（一）Monitor-based系统

在基于计算机显示器的AR实现方案中，摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器，用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然不能带给用户多少沉浸感，但却是一套最简单使用的AR实现方案。由于这套方案的硬件要求很低，因此被实验室中的AR系统研究者们大量采用。

图表 Monitor-based增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库

（二）Video see-through系统

头盔式显示器（Head-mounted displays-HMD）被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术，这就是在AR中广泛应用的穿透式HMD。根据具体实现原理又划分为两大类，分别是基于视频合成技术的穿透式HMD（video see-through HMD）和基于光学原理的穿透式HMD（optical see-through HMD）。

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图表 Video see-through增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库

（三）Optical see-through系统

在上述的两套系统实现方案中，输入计算机中的有两个通道的信息，一个是计算机产生的虚拟信息通道，一个是来自于摄像机的真实场景通道。而在optical see-through HMD实现方案中去处了后者，真实场景的图像经过一定的减光处理后，直接进入人眼，虚拟通道的信息经投影反射后再进入人眼，两者以光学的方法进行合成。

图表 Optical See-through增强现实系统实现方案

资料来源：产研智库

（四）三种系统结构的性能比较

三种AR显示技术实现策略在性能上各有利弊。在基于monitor-based和video see-through显示技术的AR实现中，都通过摄像机来获取真实场景的图像，在计算机中完成虚实图像的结合并输出。整个过程不可避免的存在一定的系统延迟，这是动态AR应用中虚实注册错误

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的一个主要产生原因。但这时由于用户的视觉完全在计算机的控制之下，这种系统延迟可以通过计算机内部虚实两个通道的协调配合来进行补偿。而基于optical see-through显示技术的AR实现中，真实场景的视频图像传送是实时的，不受计算机控制，因此不可能用控制视频显示速率的办法来补偿系统延迟。

图表 三种AR显示技术实现原理示意图

资料来源：产研智库

另外，在基于monitor-based和video See-through显示技术的AR实现中，可以利用计算机分析输入的视频图像，从真实场景的图像信息中抽取跟踪信息（基准点或图像特征），从而辅助动态AR中虚实景象的注册过程。而基于optical see-through显示技术的AR实现中，可以用来辅助虚实注册的信息只有头盔上位置传感器。

三、增强现实产业链全景

中国增强现实产业主要参与者由生态级增强现实公司、增强现实软件公司、增强现实硬件公司、增强现实衍生品公司构成。增强现实产业链是研发主导型产业链，谁掌握核心底层技术及其标准，谁就能成为产业链的主角。因此，拥有核心底层技术的增强现实软件公司占据产业链的主导地位，是行业发展的制约因素。这些公司融合跟踪定位技术、用户交互技术、虚拟融合技术等；增强现实核心底层技术，推出增强现实软件应用开发软件工具，以帮助增强现实硬件公司和衍生品公司的发展便捷地进行应用开发或创意内容开发。

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