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增强现实技术及其在汽车和汽车维修服务上的应用(一)
来源:汽车维护与修理  作者:佚名  2018-04-28 07:50:36



    1 增强现实技术简介
    增强现实(Augmented Reality,简称AR)最早于1990年提出,是在虚拟现实的基础上发展起来的新兴技术,是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术,通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界的感知,并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的“增强”。这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动,是一种能将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是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),通过计算机等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验,让真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间同时存在,它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。AR是虚拟与现实的连接入口,注重虚拟与现实的连接,是为了达到更震撼的现实增强体验。其定义很广泛,技术种类众多,目前主流的AR是指通过设备识别判断(二维、三维、GPS、体感、面部等识别物),并将虚拟信息叠加在以识别物为基准的某个位置,并显示在设备屏幕上,可实时交互虚拟信息,总结起来即识别、虚实结合、实时交互。AR技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段,提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息,通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知,并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的“增强”。它将计算机生成的虚拟物体或关于真实物体的非几何信息叠加到真实世界的场景之上,实现了对真实世界的增强,同时由于用于与真实世界的联系并未被切断,交互方式也就显得更加自然。
    1.1 AR技术的主要特点
    AR技术可广泛应用到军事、医疗交通、汽车、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域,它具有以下3个突出特点。
      (1)虚实结合。它可以将显示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人的行动;通过虚拟窗口调看室外景象,使墙壁仿佛变得透明,使真实世界和虚拟世界的信息集成为一体。
      (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;交互性系统不再是具备明确的位置,而是扩展到整个环境。
    (3)在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。
    1.2增强现实系统的组成形式
    一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的,常用的有如下3种组成形式。
    (1)Monitor-Based增强现实系统(图1)。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,并输出到计算机显示器,用户从计算机显示器上可看到最终的增强场景图片。它虽然简单,但不能带给用户多少沉浸感。

    (2)光学透视式增强现实系统(图2)。头盔式显示器(Head-mounted displays,简称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2大类,分别是基于光学原理的穿透式HMD (Optical See-throughHMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD (VideoSee-through HMD)。光学透视式增强现实系统具有简单、分辨率高、没有视觉偏差等优点,但它同时也存在着定位精度要求高、延迟匹配难、视野相对较窄和价格高等不足。

    (3)视频透视式增强现实系统(图3)。视频透视式增强现实系统采用基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)。视频透视式头盔显示器通过一对安装在用户头部的摄像机,摄取外部真实环境的景象,计算机通过计算处理,将所要添加的信息或图像信号叠加在摄像机的视频信号上。用视频透视式头盔显示器的增强现实系统中,使用者看到的周围真实世界的场景是由摄像机摄取的。因此,图像经过计算机的处理,不产生虚拟物体在真实场景中的游移现象。但由于处理速度等原因,图像显示会有迟滞现象,而且在处理过程中可能会丢失一些细节。

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