究竟什么是AR

經(jīng)常和小伙伴調(diào)侃說，任性地拋開工作去度假回來，完全不知道這個世界又發(fā)生了什么事，又有了哪些聽都沒聽說過的新技術(shù)誕生，仿佛我們剛剛從山頂洞下來。

我相信你們感同身受，可能你才剛剛熟悉智能手表或者智能手環(huán)的概念，打算購買Apple Watch或者Pebble Time來追追潮流。可是，不知道什么時候，各類VR、AR等名詞大舉強奸你的視線，這些R究竟都是一些什么鬼?

首先我們先來了解VR，虛擬現(xiàn)實，是利用計算設(shè)備模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺等感官的模擬，有十足的「沉浸感」與「臨場感」。你所看到的一切都是虛擬出來的世界，只是它試圖欺騙你的大腦，讓你認(rèn)為它是真的。

VR相當(dāng)于你做了一個相當(dāng)真實的白日夢。

當(dāng)前的VR設(shè)備很多，比較典型的有三星Gear VR、HTC Vive、Oculus Rift以及暴風(fēng)魔鏡等。

那AR是什么?AR指的是增強現(xiàn)實，現(xiàn)實被增強了，被虛擬信息增強了。它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，你在可以看到現(xiàn)實世界的同時，還能夠看到虛擬信息疊加在現(xiàn)實世界之上，并且雙方還能夠無縫結(jié)合、互動。

調(diào)個侃，AR就像你在白天見鬼了。

AR設(shè)備比較典型的代表是微軟Hololens、Meta 2等等。

AR背后那些技術(shù)原理

值得一提的是，添加到現(xiàn)實的這些虛擬信息、虛擬物件并非靜態(tài)圖片，它們會根據(jù)攝像頭的移動，地理信息，以及各種現(xiàn)實的因素來不斷的改變形態(tài)位置，你甚至可以和他們進(jìn)行觸摸、語音等交互。

聽起來，AR好像更厲害的樣子，因為它簡直就算從科幻片里走出來的技術(shù)，它背后的技術(shù)原理是什么?下面我們像拆魔術(shù)一樣，把AR背后的技術(shù)拿到臺面上分析。(前方高能!前方高能!前方高能!大家請系好安全帶，開始上課啦，不想聽的同學(xué)，請直接跳到下一個部分)

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基于計算機(jī)視覺的AR，二是LBS based AR，即基于地理位置信息的AR。

基于計算機(jī)視覺的AR

它是利用計算機(jī)視覺方法建立現(xiàn)實世界與屏幕之間的映射關(guān)系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現(xiàn)實物體上一般展現(xiàn)在屏幕上。

想要實現(xiàn)這一點，我們就要找到現(xiàn)實場景中的一個依附平面，然后再將這個3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個平面上繪制你想要展現(xiàn)的圖形，從技術(shù)實現(xiàn)手段上可以分為2類。

第一種，Marker-Based AR。事先制作好的Marker(例如：繪制著一定規(guī)格形狀的二維碼或模板卡片)，然后把Marker放到現(xiàn)實中的一個位置上，相當(dāng)于確定了一個現(xiàn)實場景中的平面，然后通過攝像頭對Marker進(jìn)行識別和形態(tài)評估，并確定其位置，然后將該Marker中心為原點的坐標(biāo)系稱為模板坐標(biāo)系，我們要做的事情實際上是要得到一個變換從而使模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，這樣我們根據(jù)這個變換在屏幕上畫出的圖形就可以達(dá)到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點3D射影幾何的知識，從模板坐標(biāo)系變換到真實的屏幕坐標(biāo)系需要先旋轉(zhuǎn)平移到攝像機(jī)坐標(biāo)系，然后再從攝像機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

第二種，Marker-Less AR?；驹砼c上面的Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點的物體(例如：書的封面，你的桌子)作為平面基準(zhǔn)，而不需要事先制作特殊的模板，擺脫了模板對AR應(yīng)用的束縛。它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)對模板物體提取特征點，并記錄或者學(xué)習(xí)這些特征點。當(dāng)攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特征點并與記錄的模板物體的特征點進(jìn)行比對，如果掃描到的特征點和模板特征點匹配數(shù)量超過閾值，則認(rèn)為掃描到該模板，然后根據(jù)對應(yīng)的特征點坐標(biāo)估計Tm矩陣，之后再根據(jù)Tm進(jìn)行圖形繪制。

基于地理位置信息的AR

LBS based AR，即基于地理位置信息的AR。其原理是，通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數(shù)據(jù)源(比如google)等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學(xué)校等)的POI信息(導(dǎo)航地圖信息，每個POI包含四方面信息，名稱、類別、經(jīng)度緯度、附近的酒店飯店商鋪等信息)，再通過移動設(shè)備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設(shè)備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標(biāo)物體在現(xiàn)實場景中的平面基準(zhǔn)上。

這種AR技術(shù)利用設(shè)備的GPS功能及傳感器來實現(xiàn)，擺脫了應(yīng)用對二維碼或者模板卡片Marker的依賴，用戶體驗和性能都比基于計算機(jī)視覺的AR更好，也可以更好的應(yīng)用到移動設(shè)備上。

一個典型的AR設(shè)備系統(tǒng)是怎樣的?

大家先看下面這張圖：

一個典型的AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由虛擬場景生成單元、透射式頭盔顯示器、頭部跟蹤設(shè)備和交互設(shè)備構(gòu)成。其中虛擬場景生成單元負(fù)責(zé)虛擬場景的建模、管理、繪制和其它外設(shè)的管理;透射式頭盔顯示器負(fù)責(zé)顯示虛擬和現(xiàn)實融合后的信號;頭部跟蹤設(shè)備跟蹤用戶視線變化;交互設(shè)備用于實現(xiàn)感官信號及環(huán)境控制操作信號的輸入輸出。

透射式頭盔顯示器采集真實場景的視頻或者圖像，傳入后臺的處理單元對其進(jìn)行分析和重構(gòu)，并結(jié)合頭部跟蹤設(shè)備的數(shù)據(jù)來分析虛擬場景和真實場景的相對位置，實現(xiàn)坐標(biāo)系的對齊并進(jìn)行虛擬場景的融合計算;交互設(shè)備采集外部控制信號，實現(xiàn)對虛實結(jié)合場景的交互操作。系統(tǒng)融合后的信息會實時地顯示在頭盔顯示器中，展現(xiàn)在人的視野中。

還有一種AR叫做Magic Leap，它不依賴屏幕，它的到來將會殺死屏幕。Magic Leap搭載了一組非常特殊的光場芯片，它可以讓用戶看見虛擬物品存在在現(xiàn)實世界當(dāng)中。

光場(Lightfield)用于描述空間中任意點在任意時間的光線強度、方向、波長。當(dāng)鯨魚在我面前游過的一瞬間，它皮膚上每一個細(xì)胞向四面八方發(fā)出的光，疊加起來形成了一個光場。理論上， 只要完整記錄下一條鯨魚的光場，技術(shù)上就可以完全還原這條鯨魚發(fā)出的所有光線。

Magic Leap就是利用這種技術(shù)。

AR的應(yīng)用場景

歷史告訴我們，一項再牛X閃閃的黑技術(shù)，如果它不能走出實驗室，它就是廢的。

幸運的是，AR技術(shù)不僅已經(jīng)走出實驗室，它還將邁向更廣闊的世界，應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、消費領(lǐng)域。

對于AR，你看不懂它背后的技術(shù)原理不要緊，但是你得知道它能用來做什么，給你提供怎樣的服務(wù)，對吧?

工業(yè)維修?，F(xiàn)在的工業(yè)設(shè)備愈加復(fù)雜，無論是安裝，還是維修都成為了難題。但AR技術(shù)能給工業(yè)領(lǐng)域帶來了很多驚喜。戴上AR智能設(shè)備，可通過AR技術(shù)來為你顯示設(shè)備故障維修教程，甚至能準(zhǔn)確地教會你如何拆卸零部件。即使是沒有任何經(jīng)驗的新手，也能利用AR完成維修。而對于研發(fā)人員來說，這種AR技術(shù)能大大降低成本。

醫(yī)療模擬和培訓(xùn)。AR可能革命性的顛覆醫(yī)療行業(yè)。醫(yī)生新手學(xué)習(xí)手術(shù)，也許再也不用擔(dān)心沒有足夠的實操機(jī)會，他們可以隨時用AR技術(shù)模擬手術(shù)。未來的外科醫(yī)生只需要戴上AR設(shè)備，就能在面前展現(xiàn)一個現(xiàn)實與信息實時顯示的畫面，病人的每項生理數(shù)據(jù)都會展示在醫(yī)生的視線里，先切除哪個部位，再切除哪個部位，一目了然，增加了安全的保障。這樣，醫(yī)鬧會不會少一點兒?

汽車駕駛。汽車駕駛是AR的一個天然應(yīng)用場景，因為駕駛員面前那塊巨大的擋風(fēng)玻璃就是一塊絕佳的透明顯示屏。

在目前的開車過程中，我們眼光游動在前擋風(fēng)玻璃外、左右中后視鏡、中控儀表盤和車機(jī)屏幕上。我們還要忙著看手機(jī)屏幕，有多少司機(jī)在使用手機(jī)做導(dǎo)航。眼睛非常忙，如果了AR，我們你駕駛過程中所有需要注意的信息，需要規(guī)避的障礙物都會出現(xiàn)在AR屏幕上，你只需要專注于前面一塊屏就可以處理各種事情時，開車輕松愉快。

教育。將AR技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域，那就是開啟了學(xué)習(xí)新世界的大門。AR新奇式的體驗，對于學(xué)生來說，有足夠大的吸引力，而這個學(xué)習(xí)的過程，也并非灌輸式，而是游戲化，立體化的，很容易激發(fā)學(xué)生無意識的記憶，比書本記憶更為持久。

學(xué)習(xí)地理，我們可以之前前往亞馬遜熱帶雨林里去感受一下。

室內(nèi)設(shè)計與家庭裝修

如果你要設(shè)計一個房子的內(nèi)部裝飾，或者裝修房子，你不需設(shè)計、裝修完畢之后才能看到效果。通過AR，你可以提前看到沙發(fā)放在哪個位置比較好，書架怎么擺放更好，此外，你還可以直接在AR屏幕上了解到這些家居的價格、材料細(xì)節(jié)。

旅游更加省心。通過VR設(shè)備，我們到某個國家或者城市的時候，就能獲取當(dāng)?shù)爻鞘械木包c和商場等地方的詳細(xì)介紹，自動翻譯，了解附近購物和餐飲信息只是最基本的功能。如果是在國外，你看到一疊貨幣時，眼鏡也會同步的顯示出它的匯率。