AR即將風靡

聽過這麼一句話： 似乎現在任何行業想火起來都必須先變成“豬”,然後還得站在風口上。說到風口，也許大家目前對於VR的認知感相對更強一些，而當現在其它初創公司和開發者絞盡腦汁“催熟”VR這一去年才驟然火爆起來的產業時，大家似乎都覺得VR（虛擬實境）已經在風口上嗷嗷待飛，但是當想到未來的發展時，AR(增強現實技術)才擁有最大的機會。

眾所周知，隨著隨著科技的發展，人們傳遞資訊的方式也在不斷發展，從傳統的紙墨筆硯、電話一直到PC、手機。那麼未來有沒有一種完美的人機交互技術可以帶來更好的輸入和輸出體驗呢?答案無疑是肯定的，而那就是AR（增強現實技術）

關於AR和VR的區別，已經有不少文章進行過科普了，此處也就不再述說。二者最明顯的區別在於，AR能夠將電腦生成的圖像疊加到真實世界裡，而VR則只能讓你沉浸在虛擬的世界中而無法看到外部場景。

這麼高大上的AR技術，也許你會覺得與我們的世界仿佛沒有交集，而實際上我們在很多美國大片上已經見識過這種人機交互體驗的技術了。

相信看過《鋼鐵俠》或者《美國隊長》的人都會對裡面出現的高科技驚奇不已，尤其是斯塔克那一身裝備簡直酷炫到不行，而其實這就是我們所說的AR(增強現實）技術。

經常和小夥伴調侃說，任性地拋開工作去度假回來，完全不知道這個世界又發生了什麼事，又有了哪些聽都沒聽說過的新技術誕生，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慧手錶或者智慧手環的概念，打算購買Apple Watch或者Pebble Time來追追潮流。可是，不知道什麼時候，各類VR、AR等名詞大舉強姦你的視線，這些R究竟都是一些什麼鬼？

首先我們先來瞭解VR，虛擬實境，是利用計算設備類比產生一個三維的虛擬世界，提供使用者關於視覺、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，讓你認為它是真的。

VR相當於你做了一個相當真實的白日夢。

當前的VR設備很多，比較典型的有三星Gear VR、HTC Vive、Oculus Rift以及暴風魔鏡等。

那AR是什麼？AR指的是增強現實，現實被增強了，被虛擬資訊增強了。它是一種將真實世界資訊和虛擬世界資訊“無縫”集成的新技術，你在可以看到現實世界的同時，還能夠看到虛擬資訊疊加在現實世界之上，並且雙方還能夠無縫結合、互動。

值得一提的是，添加到現實的這些虛擬資訊、虛擬物件並非靜態圖片，它們會根據攝像頭的移動，地理資訊，以及各種現實的因素來不斷的改變形態位置，你甚至可以和他們進行觸摸、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裡走出來的技術，它背後的技術原理是什麼？下面我們像拆魔術一樣，把AR背後的技術拿到檯面上分析。（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，請直接跳到下一個部分）

AR從其技術手段和表現形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基於電腦視覺的AR，二是LBS based AR，即基於地理位置資訊的AR。

它是利用電腦視覺方法建立現實世界與螢幕之間的映射關係，使我們想要繪製的圖形或是3D模型可以如同依附在現實物體上一般展現在螢幕上。

想要實現這一點，我們就要找到現實場景中的一個依附平面，然後再將這個3維場景下的平面映射到我們2維螢幕上，然後再在這個平面上繪製你想要展現的圖形，從技術實現手段上可以分為2類。

第一種，Marker-Based AR。事先製作好的Marker(例如:繪製著一定規格形狀的二維碼或範本卡片），然後把Marker放到現實中的一個位置上，相當於確定了一個現實場景中的平面，然後通過攝像頭對Marker進行識別和形態評估，並確定其位置，然後將該Marker中心為原點的坐標系稱為範本坐標系，我們要做的事情實際上是要得到一個變換從而使範本坐標系和螢幕坐標系建立映射關係，這樣我們根據這個變換在螢幕上畫出的圖形就可以達到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點3D射影幾何的知識，從範本坐標系變換到真實的螢幕坐標系需要先旋轉平移到攝像機坐標系，然後再從攝像機坐標系映射到螢幕坐標系。

第二種，Marker-Less AR。基本原理與上面的Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特徵點的物體(例如：書的封面，你的桌子)作為平面基準，而不需要事先製作特殊的範本，擺脫了範本對AR應用的束縛。它的原理是通過一系列演算法(如：SURF，ORB，FERN等)對範本物體提取特徵點，並記錄或者學習這些特徵點。當攝像頭掃描周圍場景，會提取周圍場景的特徵點並與記錄的範本物體的特徵點進行比對，如果掃描到的特徵點和範本特徵點匹配數量超過閾值，則認為掃描到該範本，然後根據對應的特徵點座標估計Tm矩陣，之後再根據Tm進行圖形繪製。

LBS based AR，即基於地理位置資訊的AR。其原理是，通過GPS獲取用戶的地理位置，然後從某些資料來源（比如google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學校等)的POI資訊（導航地圖資訊，每個POI包含四方面資訊，名稱、類別、經度緯度、附近的酒店飯店商鋪等資訊），再通過移動設備的電子指南針和加速度感測器獲取使用者手持設備的方向和傾斜角度，通過這些資訊建立目標物體在現實場景中的平面基準上。

這種AR技術利用設備的GPS功能及感測器來實現，擺脫了應用對二維碼或者範本卡片Marker的依賴，使用者體驗和性能都比基於電腦視覺的AR更好，也可以更好的應用到移動設備上。

大家先看下面這張圖：

一個典型的AR系統結構由虛擬場景生成單元、透射式頭盔顯示器、頭部跟蹤設備和交互設備構成。其中虛擬場景生成單元負責虛擬場景的建模、管理、繪製和其它外設的管理；透射式頭盔顯示器負責顯示虛擬和現實融合後的信號；頭部跟蹤設備跟蹤使用者視線變化；交互設備用於實現感官信號及環境控制操作信號的輸入輸出。

透射式頭盔顯示器採集真實場景的視頻或者圖像，傳入後臺的處理單元對其進行分析和重構，並結合頭部跟蹤設備的資料來分析虛擬場景和真實場景的相對位置，實現坐標系的對齊並進行虛擬場景的融合計算；交互設備採集外部控制信號，實現對虛實結合場景的交交互操作。系統融合後的資訊會即時地顯示在頭盔顯示器中，展現在人的視野中。

還有一種AR叫做Magic Leap，它不依賴螢幕，它的到來將會殺死螢幕。Magic Leap搭載了一組非常特殊的光場晶片，它可以讓使用者看見虛擬物品存在在現實世界當中。

光場（Lightfield）用於描述空間中任意點在任意時間的光線強度、方向、波長。當鯨魚在我面前遊過的一瞬間，它皮膚上每一個細胞向四面八方發出的光，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，技術上就可以完全還原這條鯨魚發出的所有光線。 

Magic Leap就是利用這種技術。想瞭解更多Magic Leap資訊，請點擊這裡。

歷史告訴我們，一項再牛X閃閃的黑技術，如果它不能走出實驗室，它就是廢的。

幸運的是，AR技術不僅已經走出實驗室，它還將邁向更廣闊的世界，應用在工業、醫療、消費領域。

對於AR，你看不懂它背後的技術原理不要緊，但是你得知道它能用來做什麼，給你提供怎樣的服務，對吧？

工業維修。現在的工業設備愈加複雜，無論是安裝，還是維修都成為了難題。但AR技術能給工業領域帶來了很多驚喜。戴上AR智慧設備，可通過AR技術來為你顯示裝置故障維修教程，甚至能準確地教會你如何拆卸零部件。即使是沒有任何經驗的新手，也能利用AR完成維修。而對於研發人員來說，這種AR技術能大大降低成本。

醫療模擬和培訓。AR可能革命性的顛覆醫療行業。醫生新手學習手術，也許再也不用擔心沒有足夠的實操機會，他們可以隨時用AR技術模擬手術。未來的外科醫生只需要戴上AR設備，就能在面前展現一個現實與資訊即時顯示的畫面，病人的每項生理資料都會展示在醫生的視線裡，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，醫鬧會不會少一點兒？

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

在目前的開車過程中，我們眼光遊動在前擋風玻璃外、左右中後視鏡、中控儀錶盤和車機螢幕上。我們還要忙著看手機螢幕，有多少司機在使用手機做導航。眼睛非常忙，如果了AR，我們你駕駛過程中所有需要注意的資訊，需要規避的障礙物都會出現在AR螢幕上，你只需要專注於前面一塊屏就可以處理各種事情時，開車輕鬆愉快。

教育。將AR技術應用在教育領域，那就是開啟了學習新世界的大門。AR新奇式的體驗，對於學生來說，有足夠大的吸引力，而這個學習的過程，也並非灌輸式，而是遊戲化，立體化的，很容易激發學生無意識的記憶，比書本記憶更為持久。

學習地理，我們可以之前前往亞馬遜熱帶雨林裡去感受一下。

如果你要設計一個房子的內部裝飾，或者裝修房子，你不需設計、裝修完畢之後才能看到效果。通過AR，你可以提前看到沙發放在哪個位置比較好，書架怎麼擺放更好，此外，你還可以直接在AR螢幕上瞭解到這些家居的價格、材料細節。

旅遊更加省心。通過VR設備，我們到某個國家或者城市的時候，就能獲取當地城市的景點和商場等地方的詳細介紹，自動翻譯，瞭解附近購物和餐飲資訊只是最基本的功能。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。

當然，AR還有更多的應用場景，Magic Leap曾經甩出幾個視頻，幫我們開了腦洞，沒看過的同學，不妨瞭解一下：

AR的挑戰與改進

視野窄。視野窄是當前AR遇到的主要問題之一，包括微軟的Hololens都無法避免。甚至有外媒體驗後表示，雖然號稱最大視角達到90度，但感覺視野角度也就不超過 30度。為了解決這個問題，微軟研究院特地推出LED燈矩陣擴充視野。不過，這終究只是治標的方案。希望在消費者版推出的時候，這個問題已經有了更好的解決方案。 

續航低。無論是已經回爐重造的Google Glass還是現在的Hololens，它們都面臨著同樣的問題，一般只能支持2小時續航，如果是用來連續玩遊戲，那麼續航會更短。

需要注意的是，目前大多數的AR系統採用透視式頭盔顯示器實現虛擬環境與真實環境的融合。根據真實環境的表現形式劃分，主要有視頻透視式頭盔顯示器和光學透視式頭盔顯示器兩種形式。

微軟HoloLens屬於光學透視式頭盔顯示器，光學透視式頭盔相對來說結構簡單，解析度更高，因其能夠直接看到外部，真實感和安全性也更強。但在，在室外強光條件下顯示效果會受影響。 

另一種則是視頻透視式頭盔顯示器，雖然視頻透射式頭盔在顯示上不受強光的干擾，具有比較大的視場，但由於真實環境的資料來自於攝像頭，因此會造成顯示解析度較低的不利因素。另一方面，一旦攝像機與用戶視點不能保持完全重合，使用者看到的視頻景象與真實景象將會存在偏差，因此會造成在某些領域（特別是工業、軍事等領域）出現一些安全隱患。

根據網易、戴客網等綜合採編

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