巨頭們都關(guān)注的AR關(guān)鍵技術(shù)有哪些？它們目前的發(fā)展?fàn)顩r又是如何呢？

最近又有爆料稱(chēng)，蘋(píng)果要在明年發(fā)布iPhone 8的時(shí)候推出支持AR技術(shù)的設(shè)備。雖然蘋(píng)果對(duì)于AR的關(guān)注度一直很高，但是現(xiàn)在并沒(méi)有明確的證據(jù)表明蘋(píng)果正在研發(fā)AR硬件設(shè)備，很多消息都是科技圈內(nèi)爆料大神們各種捕風(fēng)捉影的猜測(cè)。

除了蘋(píng)果之外，國(guó)內(nèi)外很多巨頭都非常關(guān)注AR的發(fā)展。此前易觀智庫(kù)發(fā)布的《中國(guó)AR行業(yè)應(yīng)用專(zhuān)題研究報(bào)告》中顯示，這些巨頭正在基于自身的業(yè)務(wù)生態(tài)，以實(shí)驗(yàn)室或者收購(gòu)的形式搶先布局AR的底層技術(shù)。那么AR關(guān)鍵技術(shù)有哪些？它們目前的發(fā)展?fàn)顩r又是如何呢？

根據(jù)AR科研帶頭人Ronald Azuma提出的定義，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三大關(guān)鍵技術(shù)可總結(jié)為三維注冊(cè)技術(shù)、虛實(shí)融合顯示技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)。

系統(tǒng)顯示技術(shù)

AR的簡(jiǎn)單定義就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實(shí)的生活場(chǎng)景中。這個(gè)“疊加”是需要通過(guò)顯示設(shè)備作為中介來(lái)實(shí)現(xiàn)。AR的顯示技術(shù)包括三種類(lèi)型：頭戴式顯示、手持顯示以及投影顯示技術(shù)。

目前最常見(jiàn)的就是手持顯示技術(shù)，它的載體包括移智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備。此前火爆全球的AR游戲《Pokemon Go》就是借助手機(jī)的顯示屏在現(xiàn)實(shí)生活中捉小精靈,這些移動(dòng)設(shè)備的屏幕充當(dāng)?shù)木褪且粋€(gè)窗口或者放大器的作用，用來(lái)顯示那些模擬的數(shù)字信息。

頭戴式顯示是國(guó)內(nèi)外眾多AR硬件廠商研究關(guān)注的重點(diǎn)，按照工作原理可以分為光學(xué)透視式和視頻透視式兩種。光學(xué)透視技術(shù)是通過(guò)安裝在設(shè)備眼前的光學(xué)透鏡來(lái)呈現(xiàn)出真實(shí)和虛擬世界。首先計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)放大后反射后進(jìn)入視野，透過(guò)透鏡又能直接看到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，兩部分的信息匯聚到人眼的視網(wǎng)膜上實(shí)現(xiàn)AR的效果。微軟的Hololens就是屬于光學(xué)透視式的頭戴顯示器。這種顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，真實(shí)感和安全性更高，但是易受光線外部光線的干擾。

視頻透視技術(shù)是借助安裝在頭顯上的攝像頭來(lái)捕捉獲取外部真實(shí)環(huán)境，計(jì)算機(jī)將數(shù)字模擬信息疊加到攝像機(jī)的視頻信號(hào)上，再將真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景進(jìn)行融合。相比較光學(xué)透視技術(shù)，它的視角場(chǎng)更大，而且不受外界的強(qiáng)光干擾。不過(guò)一旦攝像機(jī)與用戶的視點(diǎn)不能保持完全重合，會(huì)產(chǎn)生一些偏差。

投影式顯示是將生成的虛擬對(duì)象信息直接投影到需要融合的真實(shí)場(chǎng)景中。它可以不借助任何硬件設(shè)備，直接用肉眼看到被投射出在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的虛擬場(chǎng)景。但是投影設(shè)備體積龐大，比較容易受到光照變化影響，這塊目前的實(shí)際應(yīng)用比較少。

現(xiàn)在還有一種光場(chǎng)顯示技術(shù)，以Magic Leap的光場(chǎng)技術(shù)為例，它不需要任何屏幕為載體，通過(guò)記錄并復(fù)現(xiàn)光場(chǎng)就能完成虛擬物體的顯示。通過(guò)呈現(xiàn)不同深度的圖像，使用戶在觀察近景或遠(yuǎn)景時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的對(duì)焦。

對(duì)比這三種顯示技術(shù)，手持式顯示技術(shù)的載體是最為常見(jiàn)的，所以在面向C端用戶的AR電商、游戲上應(yīng)用廣泛。而頭戴式顯示在TOC端的工業(yè)應(yīng)用上潛力巨大，比如宇航制造業(yè)，通過(guò)使用這種設(shè)備來(lái)提高生產(chǎn)工作的效率。

三維注冊(cè)技術(shù)

在實(shí)際的AR體驗(yàn)中，因?yàn)槿说挠^察視線會(huì)不斷地變化，AR系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的根據(jù)用戶的視場(chǎng)重新建立位置坐標(biāo)系，進(jìn)行追蹤。而三維注冊(cè)技術(shù)就是實(shí)時(shí)地跟蹤用戶頭部的位置和視線方向，根據(jù)這些信息來(lái)確定虛擬物體在真實(shí)空間坐標(biāo)中的位置，并將它實(shí)時(shí)地顯示在顯示器中的正確位置。它具體包含了跟蹤技術(shù)、標(biāo)定技術(shù)和匹配技術(shù)。

三維注冊(cè)技術(shù)又可以分為基于硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)視覺(jué)兩種。

基于硬件設(shè)備的追蹤技術(shù)主要是通過(guò)硬件傳感器跟蹤技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、電磁、光學(xué)或超聲波位置跟蹤器等。谷歌的Project Tango就是通過(guò)手機(jī)的傳感器來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)追蹤。雖然它無(wú)需通過(guò)計(jì)算機(jī)復(fù)雜的算法來(lái)獲取位置信息，速度比較快，但是相應(yīng)的注冊(cè)精度不是很高，比如GPS定位很容易受到復(fù)雜地形位置的干擾，而慣性定位追蹤的偏差度會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷增大。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)主要是指利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)獲取真實(shí)場(chǎng)景的信息后，經(jīng)過(guò)圖像處理方面的知識(shí)來(lái)識(shí)別和跟蹤定位真實(shí)場(chǎng)景。細(xì)分可以劃為基于傳統(tǒng)標(biāo)志的注冊(cè)算法和基于自然特征點(diǎn)無(wú)標(biāo)志注冊(cè)算法?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)的精度較高，但是對(duì)計(jì)算量非常大，而且算法復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的要求非常高。

為了取長(zhǎng)補(bǔ)短，得到更加精確的注冊(cè)結(jié)果，現(xiàn)在有結(jié)合兩種技術(shù)的混合注冊(cè)方法。通常是先由跟蹤傳感器大概估計(jì)位置姿態(tài)，再通過(guò)視覺(jué)法進(jìn)一步精確調(diào)整定位。一般采用的復(fù)合法有視覺(jué)與電磁跟蹤結(jié)合、視覺(jué)與慣導(dǎo)跟蹤結(jié)合、視覺(jué)與GPS跟蹤結(jié)合等。

人機(jī)交互技術(shù)

因?yàn)锳R是將虛擬的數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所以非常注重用戶在真實(shí)環(huán)境中和虛擬物體的自然交互。這就需要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)用來(lái)交互的“工具”，保證能夠執(zhí)行用戶對(duì)虛擬物體發(fā)出的各種指令。

AR的交互方式現(xiàn)在有通過(guò)外界的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鼠標(biāo)鍵盤(pán)，數(shù)據(jù)手套等等。還有一種更自然的交互方式，就是通過(guò)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別，以及語(yǔ)音識(shí)別等等。它們不需要借助其他硬件載體，就可以直接和虛擬物體進(jìn)行交互，而這種人機(jī)交互依賴(lài)于以深度學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)的人工智能的發(fā)展?，F(xiàn)在的AR硬件設(shè)備大多都可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音和手勢(shì)動(dòng)作的識(shí)別交互，但是涉及到一些復(fù)雜的指令的時(shí)候，可能會(huì)無(wú)法進(jìn)行及時(shí)的命令反饋。

上面提到的三大塊只是AR技術(shù)的主干支，在每一個(gè)主干下面都能衍生出其他分支技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷深入發(fā)展，未來(lái)的AR會(huì)和真實(shí)世界完全融合。就像《黑鏡》第三季的《游戲測(cè)試》故事那樣，人們或許會(huì)逐漸無(wú)法分辨何為現(xiàn)實(shí)何為虛擬。

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