前言
隨着信息技術的高速發展，虛擬現實、增強現實等逐漸火熱。虛擬現實是一種完全建立虛擬環境，讓人類脫離現有環境進入新的世界，它的廣泛應用可能還要經過一段時間的積澱，目前虛擬現實主要在科研仿真、虛擬漫遊、遊戲娛樂、教育培訓等領域發揮作用。而從虛擬現實中發展起來的增強現實，旨在增強人類能力，爲人類提供各種輔助信息，成爲溝通人類個體與信息世界的重要樞紐。目前已經在醫療、交通、教育培訓、航天、通信、工業維修等領域發揮作用。相信增強現實的大規模應用會比虛擬現實更早一些，可能取代智能手機，成爲下一代智能計算與顯示平臺，將物理世界與信息世界聯繫得更加緊密。這裏，我們主要談一下增強現實的相關內容。
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本文是一個概念性介紹，更詳細的關於增強現實研究內容分析請參考：
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1 增強現實的概念
增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術是一種基於計算機實時計算和多傳感器融合，將現實世界與虛擬信息結合起來的技術。該技術通過對人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感受進行模擬和再輸出，並將虛擬信息疊加到真實信息上，給人提供超越真實世界感受的體驗。目前廣泛接受的一種定義是Azume在1997年提出的，他認爲AR應該具有三個特徵：
（1）結合真實與虛擬
（2）實時交互
（3）支持三維註冊
我們所要討論的增強現實，主要是視覺增強現實技術，核心在於虛擬信息和真實世界在物理空間中的匹配以及可視化。一個完整的AR系統至少有三個部分：跟蹤、註冊和顯示。
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曉曉：師兄，你講了這麼半天，我還是沒有太明白啊。這個“結合真實與虛擬”到底是怎麼個結合法？“實時交互”我倒是懂，就是能夠和AR系統進行實時信息交換。“三維註冊”應該就是三維空間中的對齊吧，或者叫配準。是這個樣子嗎？
師兄：看來你基本懂了一些，後兩個說得都對。第一個結合真實與虛擬，就是把真實的信息和虛擬的信息放到一起，只不過要放得有規律罷了。來看一幅圖，或許能幫助你理解這個概念。下圖中這個兄弟，佩戴了一個Hololens增強現實頭盔顯示器，於是他就能看到工具箱和一些簡單的3D模型，這些都是虛擬成像，但是它們被安排在桌面上，無論你怎樣移動頭部，虛擬的工具箱和模型總是穩定地放在桌子上，就好像它們是真實的桌面上的物體一樣。這樣就是一種“真實與虛擬”的結合啦。
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2 增強現實技術起源
Sutherland在1968年完成了第一臺頭盔顯示器，堪稱頭盔顯示器的開山祖師。不過由於當時技術限制，該設備非常笨重，需要懸掛在房頂上使用，於是被戲稱爲“達摩克利斯之劍”。
70年代、80年代也有很多研究者做了相關的研究工作，但是直到90年代初期，“Augmented Reality”這個詞彙才首次誕生。漸漸地，增強現實脫去虛擬現實的外衣，成爲一個獨立的研究領域。
隨着21世紀初期智能手機的興起，增強現實有了天然的開發載體，視頻式的增強現實迅速發展起來。這也得益於ARToolKit和Vuforia等基於圖像的跟蹤定位工具的相繼推出。如下圖，使用智能手機和平板電腦作爲平臺的增強現實應用，目前已經非常普遍。
但是，智能手機和平板電腦畢竟只是視頻式的增強現實，相比於光學式的來說，還是少了一點科技感和刺激感。於是谷歌在2012年發佈了Google Glass，爲增強現實的發展注入了新的活力。它對於AR發展的作用應該就像是Facebook的Oculus Rift之於虛擬現實一般。2014年3月26日，Facebook宣佈將以約20億美元的總價收購沉浸式虛擬現實技術公司Oculus VR。這一事件極大地推動了虛擬現實的發展。類似地，Google等商業巨頭投身AR，也必將對AR起到巨大作用。儘管後來GoogleGlass停產，但是其作用不可忽視。之後，又有更多的公司推出了自己的光學式增強現實眼鏡，最著名的是Microsoft
Hololens和Maigc Leap，前者已經有了開發者版本，後者還在研發週期中，沒有成品面世。
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曉曉：你提到了視頻式和光學式增強現實，這兩者有什麼區別呢？
師兄：你覺得呢？我想以小師妹你靈活的腦袋，一定是已經有了一個答案了吧？
曉曉：哦，我覺得可能是呈現方式有區別吧？視頻式應該是依賴於視頻流實現疊加，光學式的其實還是比較模糊，不知道怎麼描述啊。。。汗。。。
師兄：沒錯的。視頻式的增強現實，是先使用攝像頭獲取場景的圖像，然後根據攝像頭位姿進行虛擬信息的疊加，此時虛擬信息（圖像或文字）是直接渲染到原有視頻流的上層，覆蓋原有的信息，一般使用手機等設備實現，也有使用頭盔顯示器的；光學式的增強現實，一般是利用透射式頭盔或者眼鏡實現的，這類設備有一個半透半反的光學結構，既可以透過外界的真實場景，也可以把微投影圖像反射進人眼，實現虛擬信息與真實環境的直接疊加。
曉曉：有點蒙了啊。。。。。
師兄：好吧。俗話說有圖有真相，讓我們看圖說話——
該圖是手持平板拍攝樓梯，然後樓梯的圖像就顯示在了屏幕上，並且通過計算在其中放了兩個小角色。所有有效的畫面，無論是樓梯地板還是虛擬角色，都是通過平板電腦的視頻畫面來呈現的，我們所觀察的畫面都是經過拍攝加工後的視頻流，這種方式成爲視頻透射式增強現實，其分辨率是受到顯示器件本身屏幕分辨率限制的。
而與視頻透射式不同的是，光學透射式利用特殊的半透半反光學系統，將真實的環境的光線直接透射給人眼，同時虛擬信息圖像通過反射光路進入人眼，這種方式保證了人眼接收到的環境是絕對真實、沒有加工過的，分辨率等於人眼自身分辨率，而虛擬信息直接疊加在上面，分辨率爲投影器件分辨率。這種方式更加真實自然，叫做光學透射式增強現實。它主要依靠半透半反的透射式頭盔顯示器實現。需要注意的是，這種方式除了要實現視頻透射式系統中用到的跟蹤之外，還要考慮系統與人眼之間的標定問題，複雜度提高了。因此有的開發者採取將視頻透射圖像進行加工後，顯示在光學透射式頭盔顯示器上，給人一種類似光學透射的效果，但實際上只是將攝像頭圖像分別顯示給了雙眼，並沒有利用到光學透射式頭盔的透射性能，屬於一種折中的方式。需要注意，Hololens屬於典型的光學透射式設備，特別適合做增強現實類開發，能夠提供比視頻透射更好的體驗。
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3 增強現實與虛擬現實、混合現實的關係
根據一個系統中虛擬與現實的佔比，可以將系統分爲4類：真實現實、增強現實、增強虛擬、虛擬現實。而增強現實和增強虛擬又可以合稱混合現實。
從上圖可以看出，橙色代表虛擬成分，藍色代表真實成分。當只有真實世界信息的時候，屬於純粹的真實現實，典型的就是我們帶攝像功能的手機，以及我們佩戴的普通眼鏡。當系統中既有真實信息又有虛擬信息的時候，叫做混合現實。此時，如果虛擬信息是服務於真實世界的，且數量較少，佔次要地位，則歸爲增強現實，典型系統是手機導航系統；如果虛擬信息是主體，而真實信息是爲虛擬信息服務的，那就叫增強虛擬。最後，如果信息全爲虛擬，則是虛擬現實，典型系統是各類虛擬現實遊戲。
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曉曉：哈哈，我抓住師兄你的一個敘述漏洞哦。你在介紹增強虛擬的時候，忘記介紹典型系統了吧？
師兄：哦，是嘛。。。這個“增強虛擬”確實不太好說啊。舉個例子吧，如果你置身於一個虛擬現實環境中，這時候通過某種手段，把你的手臂乃至整個身體都從你的真實環境背景中摳出來，融合到你所處的虛擬現實環境中，這樣就增加了你的沉浸感。這類系統可以認爲是通過真實信息來增強虛擬場景，姑且稱之爲“增強虛擬”吧。。。
曉曉：哇塞，還能這樣子啊。。。。那師兄剛纔介紹概念的時候，提到的Hololens做桌面級模型設計，算是哪一類呢？
師兄：這個我覺得它不太適合分爲增強虛擬，畢竟它視場角有限。就Hololens本身而言，它可以做增強現實類應用，也可以做真實、虛擬交互類應用，所以我認爲用混合現實來稱呼它更加合適。另外，它的官網上也是這麼說的。
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4 增強現實技術應用領域
增強現實技術的應用領域主要有以下幾個：
（1）工業和建築業
（2）維修和培訓
（3）醫療
（4）信息顯示
（5）導航
（6）電視
（7）廣告和商業
（8）遊戲
（9）教育
總結
增強現實已經有了相當廣泛的應用，目前從事AR研究的人，主要針對兩個大的方面開展研究，一方面研究如何通過技術革新來構建更好的AR系統，另一方面是研究AR系統怎樣更好地服務社會。
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曉曉：聽了介紹之後，我都躍躍欲試啦。增強現實技術可真是有用啊，關鍵它還很有趣。看來我可以將它作爲我的研究課題了吧。。。
師兄：AR是挺有意思的，但是它是一項頂層應用技術，是多項基礎技術的集成產物。比如計算機視覺、圖形學、顯示技術、人機工程學等，與人工智能也有着越來越多的交叉。總之，如果你要研究增強現實，最好是選擇其中一個小的具體的點來做，否則只能是“水過地皮溼”，不能取得實質成果。後面有機會再來給你介紹增強現實技術的具體技術點和研究內容吧。。回去好好做調查、讀論文，看看自己對哪些感興趣，做好筆記哦。。。。
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