AR系统结构与核心技术 AR增强现实系统技术核心

一个典型的AR系统由虚拟场景生成单元、图像输入设备、头盔显示器、跟踪和交互设备构成。其中虚拟场景生成单元负责虚拟场景的建模、管理、绘制和其它外设的管理;图像输入设备负责现实信息的捕获;头盔显示器负责显示虚拟和现实融合后的信号;头部跟踪设备跟踪用户位置和视线的变化;交互设备实现感官信号及环境控制操作信号的输入输出。

AR系统的工作过程体现了硬件设备与软件技术的高度协同:从真实世界出发， 图像输入设备捕获空间场景，辅以传感器(如陀螺仪、磁力计等惯性传感器)采集 的数据对三维空间和拍摄视角进行感知理解。同时，虚拟场景生成单元从虚拟对象 数据库构建“增强”的对象，通过跟踪定位技术确定虚拟对象叠加的准确位置。例如， 教师希望在讲台前构建一个三维立体的地球，那么AR系统首先需要构建地球这样一 个“虚拟信息”，从视觉及惯性传感器中获取教室的空间信息以及教师的观察视角(跟 踪定位技术)，进而将虚拟地球的每个点与真实的空间位置一一对应(虚实融合技 术)，并通过显示技术将虚拟与现实信息完美的叠加到一起。同时，教师也可以用 自然的身体语言与虚拟信息交互，如拨动地球在空间旋转或平移等(用户交互技术)。

增强现实(包括混合现实，以下不作区分)系统具有三个主要特征:虚实结合、 实时交互、注册跟踪。虚实结合要求AR系统对虚拟与现实信息准确融合并完美呈现; 实时交互指借助交互接口设备，人以自然的方式对AR环境进行实时影响，其与VR 系统中的交互设备可以互通使用;而注册跟踪是AR技术的灵魂，注册指AR系统需 要建立虚拟空间坐标系与真实空间坐标系的转换关系，使得虚拟物体能够合并到真 实世界的正确位置上，伴随着观察者位置的变化，系统要实时捕捉观察者的视角重 建坐标系关系，也就是跟踪的过程。

从硬件与技术的角度看，VR是对虚拟世界的完全呈现，画面渲染中涉及到海量 数据重建与复杂运算，显示设备的低延迟和高清晰度是重要的技术指标，这对内容 制作和硬件设备提出了较高要求。相比之下，AR发展的阻力来源于技术，当下前端 的数据采集(包括影像和传感器)已经比较成熟，后台图像渲染端的技术也有了长 足的进步，而对环境的精准理解以及虚实信息的呈现是主要技术瓶颈。