增强现实技术

增强现实技术（Augmented Reality Technique，简称AR技术），也被称为扩增现实。定义：把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等），通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

增强现实是一种同时包括虚拟世界和真实世界之要素的环境。它的出现与下述科技进步密切相关。

（1）计算机图形图像技术。增强现实的用户可以戴上透明的护目镜，透过它看到整个世界，连同计算机生成而投射到这一世界表面的图像，从而使物理世界的景象超出用户的日常经验之外。这种增强的信息可以是在真实环境中与之共存的虚拟物体，也可以是实际存在的物体的非几何信息。

（2）空间定位技术。为了改善效果，增强现实所投射的图像必须在空间定位上与用户相关。当用户转动或移动头部时，视野变动，计算机产生的增强信息随之做相应的变化。这是依靠三维环境注册系统实现的。这种系统实时检测用户头部位置和视线方向，为计算机提供添加虚拟信息在投影平面中映射位置的依据，并将这些信息实时显示在荧光屏的正确位置。

（3）人文智能（Humanistic Intelligence）。人文智能以将处理设备和人的身心能力结合起来为特点。它并非仿真人的智能，而是试图发挥传感器、可穿戴计算机等技术的优势，使人们能够捕获自己的日常经历，记忆所见所闻，并与他人进行更有效的交流。在这一意义上，它是人的身心的扩展。作为智能，它基于用户在计算过程中的反馈，并不要求有意识的思考与努力。

目前，国外从事增强现实研究的高校有美国的哥伦比亚大学、麻省理工学院、北卡罗来纳大学、华盛顿大学，英国的剑桥大学，日本的东京大学、庆应大学，澳大利亚的南澳大学等；企业有德国的西门子公司、美国的施乐公司、日本的索尼公司等。国内的北京理工大学、国防科技大学、西安石油学院、电子科技大学、华中科技大学、上海大学等亦已开展这方面的研究。

增强现实具有以下特点。

（1）虚实结合。它可以将显示器屏幕扩展到真实环境，使计算机窗口与图标叠映于现实对象，由眼睛凝视或手势指点进行操作；让三维物体在用户的全景视野中根据当前任务或需要交互地改变其形状和外观；对于现实目标通过叠加虚拟景象产生类似于X光透视的增强效果；将地图信息直接插入现实景观以引导驾驶员的行为；通过虚拟窗口调看室外景象，使墙壁仿佛变得透明。

（2）实时交互。它使交互从精确的位置扩展到整个环境，从简单的人面对屏幕交流发展到将自己融合于周围的空间与对象中。运用信息系统不再是自觉而有意的独立行动，而是和人们的当前活动自然而然地成为一体。交互性系统不再具备明确的位置，而是扩展到整个环境。

（3）三维注册。即根据用户在三维空间的运动调整计算机产生的增强信息。

增强现实可根据所应用的范围分为户内型与户外型。

户内型增强现实从广义上说，包括各种将数据层覆盖于建筑物内部物理空间的实践，为建筑师、壁画师、展览设计师和新媒体艺术家所关心。如德国建筑师丹尼尔·里伯斯金（Daniel Liberskind）在设计柏林犹太博物馆时，将显示二次大战前该馆现址附近犹太人居住点的地图投射到建筑表面上，使数据空间物质化，变成重新塑造物理空间的力量。又如，加拿大艺术家加迪夫（Janet Cardiff）引导观众在物理空间中遵循她由便携式CD播放器或摄像机所传达的指令（如“下楼梯”“看窗口”等）而行动，变成她所设计的故事的参与者。在这一过程中，观众所处的物理空间被信息空间所增强，具备了平常所没有、为故事所赋予的含义。这一作品以“音响散步”（Audio Walk）著称。

相对而言，狭义的户内型增强现实是在计算机技术支持下发展起来的。它允许用户在现实环境中与虚拟物体交互，如韩国开发的增强现实游戏ARPush Push运用追踪器检测用户的运动，并通过头盔显示器为用户提供包含了虚拟景观的视野。北京理工大学开发的增强现实海底漫游系统让用户得以使用交互体验设备和虚拟场景中的海洋生物互动、嬉戏。

户外型增强现实运用GPS与定位传感器，以穿戴式或者背包式计算机系统将增强现实带到户外。如目前已知的谷歌眼镜传感器包括MPL陀螺仪、MPL加速计、MPL磁场感应、MPL定向、MPL旋转矢量、MPL线性加速、MPL重力、LTR-506ALS光感应器、旋转矢量感应器、重力感应器、线性加速计、定向感应器与陀螺仪等。目前的谷歌眼镜具有以下功能：①获得通知及提醒；②查看天气；③语音输入；④交通信息；⑤地图服务；⑥导航时自动转向；⑦查看兴趣点；⑧拍照；⑨视频通话；⑩玩游戏等。

哥伦比亚大学开发的移动增强现实系统（Mobile Augmented Reality Systems，MARS， 1996）是早期例证。它运用了三维显示系统、移动计算、无线网络等技术。其后出现的系统有南澳大学可穿戴计算机实验室开发的Id Software公司《地震》游戏的增强现实版ARQuake （2000）等。ARQuake提供了第一人称射手，允许用户在现实世界中四处走动，同时在计算机生成的世界中玩游戏。它使用了GPS、定向传感器、肩背电脑等设备。奥地利格拉兹技术大学、维也纳技术大学等也在开发户外型增强现实系统。

正如巴黎大学麦凯（Wendy E Mackay，1993）《增强现实：连接现实世界与虚拟世界。与计算机交互的新模式》一文所指出的，增强现实让人们能以普通方式运用自己所熟悉的日常对象，而不是键盘输入、凝神屏幕。区别是这些对象也提供通向计算机网络的链接。医生可以观察添加的医药图像，儿童可以为乐高（LEGO）玩具编程，建筑工程师可以运用普通的纸面工程画和远方同事交流。不是让人们沉浸在人工创造的虚拟世界中，而是通过丰富的数码信息与交流能力来增强物理世界中的对象。在艺术与娱乐领域，增强现实大有用武之地。如它可以用来建造主题公园，开发准全息虚拟屏幕、虚拟环绕电影和各种虚实结合的娱乐项目，让计算机生成的全息形象与实况娱乐者及观众互动；为人们的生活空间添加虚拟挂钟、虚拟装饰之类的新产品；开发作为参与性新媒体平台的地面互动投影、让玩家犹如置身于游戏世界的新型娱乐手柄；为各种人文景观添加相应的标签或作为注解的文本，丰富旅游观光的知识性、趣味性，等等。如哥伦比亚大学开发的移动增强现实系统（MARS）为校园景观提供附加的多媒体信息，以便人们了解它们的历史。西班牙马德里Interactivos工作室开发的增强现实魔术系统（AR Magic System）可让用户与其身边的人交换头部影像，让自己的脑袋仿佛长在另一个人的肩膀上，同时也获得了新的面孔。Sony公司PS3游戏《审判之眼》（Eye of Judgement）利用增强现实技术在玩家身边的真实环境中逼真地渲染出3D怪兽等游戏角色。北京理工大学王涌天教授致力于通过增强现实技术完成对圆明园的虚拟重建，让在园中散步时戴上特殊三维眼镜的用户可以观览当年皇家园林原貌。在该校光电信息技术与颜色工程研究所等科研单位的协作下，中国军事博物馆利用增强现实技术以红四方面军一个真实故事为原型再现《雪山忠魂》这一感人场面，让观众感受长征的震撼。它的艺术价值是不可低估的。此外，增强现实技术已经被用于医疗、军事、工业、通信等多种领域。它可以通过图像传导使原先不可见的对象视觉化，让医生用图像引导手术（美国麻省理工学院、新加坡南洋理工大学都致力于开发帮助外科医生观察病人体内情况的增强现实系统）；可以研发和物理环境良好匹配、能由用户合作修改的交互性三维地图，供军队使用；可以为施工现场提供与特定地点相联系、包含了工程信息与指令的虚拟图景，供工人参考，等等。如图2-43所示，通过与增强现实技术的结合，传统的平面出版物将进入全新的互动多媒体时代，想象一下，读者们面对的不再是枯燥的文字与图片，一个个逼真、生动的三维立体形象，在光影、音效的衬托下活灵活现地展示在眼前，我们将能够真正体验到交互阅读的乐趣。

图2-43 将增强现实技术应用到平面阅读中

思考题

1．为什么要展开地学可视化的理论研究？

2．如何展开地学可视化的理论探讨与研究？目前可以借鉴哪些方面的理论研究成果？

3．知识发现与数据挖掘的联系和区别？

4．虚拟现实系统的分类有哪些？各有什么侧重点？