20 世纪90 年代初,伴随着虚拟现实(virtual reality,VR)技术的发展,增强现实(augmented reality, AR)技术应运而生。

增强现实技术是虚拟现实技术的一个重要分支。它借助显示技术、交互技术、传感技术和计算机图形技术将计算机生成的虚拟物体与用户周围的现实环境融为一体,使用户从感官效果上确信虚拟物体是其周围环境的组成部分。因此,增强现实技术具有虚实融合、实时交互、三维注册的特点,在军事、医疗、科研、工业、教育、培训、文化、娱乐等领域都有着广泛的应用前景。

增强现实技术与虚拟现实技术的比较

虚拟人体内脏图，是虚拟现实应用领域之一的虚拟教育示意。学生可以通过虚拟的人体，形象化地理解生理学和解剖学的基本理论。加州大学的 Hoffman研制的系统可以带领学生进入虚拟人体的胃脏，检查胃溃疡并可以“抓取”它进行组织切片检查。

AR辅助医疗手术过程，是增强现实领域的辅助教学与培训。医生不仅能够手持手术探针实时的对病人进行胸部活组织切片检查，而且系统可根据此时获得的切片组织情况决定手术探针的位置，指导医生完成病人的手术。

由上两图对比我们可以看到，增强现实系统中由于真实环境的存在，不仅能够使用户对融合环境的感知更具真实感，同时能够增强用户对虚拟环境的感知。因而在某些应用领域，增强现实与虚拟现实技术相比更具感知优势。

十多年前,增强现实技术对于大众来说或许还是一个抽象的概念,那时的增强现实技术还处于实验室研究阶段。

在虚实融合方面,由于增强现实技术需要同时融合现实世界与虚拟世界,因此研究的重点主要是设计开发能够实现虚实融合显示的显示器设备,即不同种类的显示器原型系统,从头盔显示器、视网膜显示器、投影仪、手持式显示器到空间式显示器相继出现;在实时交互方面,电磁和光学人体动作跟踪器以及后期出现的语音、手势乃至体感交互技术,实现了人与虚拟和现实世界自然交互的愿望;在三维注册方面,重点是实现用户与自然场景间的实时六自由度位置和方位跟踪计算,更准确、更鲁棒、更实时的姿态计算算法是这一方向的研究重点。该技术经历了早期的基于标志物的六自由度跟踪注册,并逐渐过渡到基于自然特征的六自由度跟踪注册。从增强现实系统来讲,20 世纪90 年代末期的增强现实系统将用户局限在室内较小的工作范围内,用户的运动范围受限。21 世纪初期开始出现了户外移动增强现实系统。虽然用户的运动范围得以扩展,但是受限于当时的技术条件,增强现实系统的重量以及便携性成为发展的瓶颈。而所有这些技术的进展基本都仅局限在实验室,不为大众所熟知。

基于增强现实的虚拟魔术交互表演。是Marco Tempest在TED大会上分享的基于增强现实技术的投影追踪和绘图系统，该系统包括了手势跟踪、脸部追踪以及基于Kinect深度图像控制的“global magic dust”。人自身具有多种感官感知功能，虚拟环境可以为用户提供真实的高沉浸的感官体验。通过手势、身体姿态、语音甚至对眼睛视点捕捉都可以作为增强现实系统中的交互方式。此外还可以通过触觉、嗅觉、听觉、力反馈等作为输出，从而实现多通道的增强现实交互。其研究的关键技术是如何实现多种交互方式与用户意图的结合。

近年来,随着增强现实技术以及移动互联网、高性能计算等技术的不断发展,结合自然场景的增强现实技术悄然走进了大众的视线。

2009 年,荷兰的一家软件公司面向智能手机开发的首款增强现实浏览器问世,预示着增强现实技术开始从实验室阶段迈向了商用阶段。2012 年,谷歌眼镜的横空出世直接将增强现实技术这一陌生的科技名词推向大众,激发了人们对增强现实技术的研究热情。2015 年初,微软公司全息眼镜产品的发布,更让业界为之振奋,一时好评如潮。佩戴上该款头盔显示器,用户可置身于奇妙的增强现实世界中,实现了虚拟与真实环境的良好融合、自然的用户交互以及精准的三维定位,从而将数字化的信息世界与真实的三维世界紧密地联系起来。相信在不远的未来,增强现实技术的应用将会涉及人类生活的诸多方面,直接影响人们观察世界和理解世界的方式。

北京理工大学是国内最早开展增强现实关键技术研究的单位之一,从20 世纪90 年代末期就已着手研发适用于增强现实系统的头盔显示器与跟踪注册技术:先后设计开发了视频透视式增强现实头盔显示器与光学透视式头盔显示器;跟踪注册技术的研发也经历了从有标识跟踪注册到无标识跟踪注册的阶段性发展。21世纪初期,在有关政府部门的支持下,设计开发了基于增强现实技术的定点观察设备,并成功地将其应用于圆明园的数字化场景重现中。

（a）圆明园的真实场景

（b）圆明园虚实融合场景

圆明园的真实场景与圆明园虚实融合场景。北京理工大学的圆明园数字化重建项目，利用增强现实技术将昔日圆明园辉煌的景观叠加到目前的遗址上，以固定式和移动式两种方式实时展现，虚拟的三维模型与周围的真实环境完美的融为一体。

该书是作者在多年从事增强现实技术研究的基础上所著,是国内第一部系统介绍增强现实的专著,从增强现实技术的概念与起源、增强现实的显示设备、标定技术、注册定位技术以及移动增强现实系统应用研究等几个方面全面详细地介绍了增强现实技术,并以轻量级增强现实飞行模拟器、定点增强现实观景器为例介绍了增强现实的实际应用。相信该书会给从事增强现实研究的科技工作者带来有益的启示,并对我国增强现实技术研究、应用系统开发和人才培养起到积极的推动作用。

2015年4月9日

本文由刘四旦摘编自王涌天、陈靖、程德文著《增强现实技术导论》一书中，赵沁平所作序言。标题为编者所加，文中插图及图注摘自本书正文。

ISBN 978-7-03-044025-9

增强现实技术的目标是将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体,使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。因此,增强现实技术具有虚实结合、实时交互、三维注册的特点。围绕这三方面,《增强现实技术导论》主要介绍增强现实系统的标定方法、实现虚拟与真实环境无缝融合的显示设备、有标识的六自由度跟踪注册技术、无标识的六自由度跟踪注册技术以及适用于移动终端的增强现实系统,并给出了典型的应用实例,包括基于增强现实技术的轻量级飞行模拟器开发和基于增强现实技术的圆明园数字重现定点观察设备。

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