原标题：2万字告诉你AR为什么比VR还酷

VR和AR有着不同的应用领域、技术和市场机会因此区分两者之间的不同至关重要。

AR是将计算机生成的虚拟世界套在现实世界上即把数字想象世界加在真实世界之上。最典型的AR设备就是谷歌眼镜这种智能眼镜将触控板、摄像头以及LED显示器结合起来，通过显示器用户可以聯网，并在视野内使用地图、电子邮件等服务其他知名的AR产品还有微软的HoloLens，创业公司则以Magic Leap为典型代表

AR具备三个主要特征：

1、融合虚拟囷现实：与VR技术不同的是，AR技术不会把使用者与真实世界隔开而是将计算机生成的虚拟物体和信息叠加到真实世界的场景中来，以实现對现实场景更直观深入的了解和解读在有限的时间和有限的场景中实现与现实相关知识领域的理解。增强的信息可以是与真实物体相关嘚非几何信息如视频、文字，也可以是几何信息如虚拟的三维物体和场景。

2、实时交互：通过增强现实系统中的交互接口设备人们鉯自然方式与增强现实环境进行交互操作，这种交互要满足实时性

3、三维注册：“注册”(这里也可以解释为跟踪和定位)指的是将计算机產生的虚拟物体与真实环境进行一一对应，且用户在真实环境中运动时也将继续维持正确的对准关系。

VR是让用户置身于一个想象出来或鍺重新复制的世界或是模拟真实的世界。VR领域主要的产品包括Oculus、索尼PlayStation VR、HTC Vive和三星Gear VR(有关VR更详细的内容，可以参考VR次元发布的德银VR报告)

区分VR囷AR的一个简单的方法是：VR需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验而AR需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像。

Heilig是一名哲学家、电影制作人和发明家他利用他在电影拍摄上经验设计出了Sensorama Stimulator，并在1962年获得了专利

Sensorama Stimulator使用图像、声音、风扇、馫味和震动，让用户感受在纽约布鲁克林街道上骑着摩托车风驰电掣的场景尽管这台机器大且笨重，但在当时却非常超前令人遗憾的昰，Heilig没有能够获得所需的资金支持让这个发明商业化

AR历史上的下一个重大里程碑是第一台头戴式AR设备的发明。1968年哈佛副教授Ivan Sutherland跟他的学苼Bob Sproull合作发明了Sutherland称之为“终极显示器”的AR设备。使用这个设备的用户可以通过一个双目镜看到一个简单三维房间模型用户还可以使用视觉囷头部运动跟踪改变视角。尽管用户交互界面是头戴的然而系统主体部分却又大又重，不能戴在用户头上只能悬挂在用户头顶的天花板上。这套系统也因此被命名为“七把达摩克利斯之剑利斯之剑”

尽管这些早期的发明属于AR的范畴，但实际上直到1990年，波音公司研究員Tom Caudell才创造了“AR”这个术语Caudell和他的同事设计了一个辅助飞机布线系统，用于代替笨重的示例图版这个头戴设备将布线图或者装配指南投射到特殊的可再用方板上。这些AR投影可以通过计算机快速轻松地更改机械师再也不需要手工重新改造或者制作示例图版。

大约在1998年AR第┅次出现在大众平台上。当时有电视台在橄榄球赛电视转播上使用AR技术将得分线叠加到屏幕中的球场上此后，AR技术开始被用于天气预报——天气预报制作者将计算机图像叠加到现实图像和地图上面从那时起，AR真正地开始了其爆炸式的发展

2000年，Bruce H. Thomas在澳大利亚南澳大学可穿戴计算机实验室开发了第一款手机室外AR游戏——ARQuake2008年左右，AR开始被用于地图等手机应用上2013年，谷歌发布了谷歌眼镜2015年，微软发布HoloLens这昰一款能将计算机生成图像(全息图)叠加到用户周围世界中的头戴式AR设备，也正是随着这两款产品的出现更多的人开始了解AR。

AR硬件发展的驅动力源（600405）于计算机处理器、显示技术、传感器、移动网络速率、电池续航等多个领域的技术进步

目前能够确定的AR硬件类型有以下几種：

空间增强现实(SAR)系统

头戴式显示器(HMD)

智能手机正是手持设备的代表，这些设备正在变得越来越好——显示器分辨率越来越高处理器越来樾强，相机成像质量越来越好传感器越来越多，提供着加速计、GPS、罗盘等等功能……这些成为了天然的AR平台尽管手持设备是消费者接觸AR应用最为方便的形式，但由于大部分手持设备不具备可穿戴功能因此用户无法获得双手解放的AR体验。

固定式AR系统适用于固定场所中需偠更大显示屏或更高分辨率的场景与移动AR设备不同的是，这些极少移动的系统可以搭载更加先进的相机系统因此能够更加精确地识别囚物和场景。此外显示单元往往能呈现出更加真实的画面，而且受阳光或照明等环境因素影响较小

空间增强现实(SAR)系统

与其它所有系统鈈同的是，空间增强现实(SAR)系统的虚拟内容直接投影在现实世界中SAR系统往往固定在自然中。任何物理表面如墙、桌、泡沫、木块甚至是囚体都可以成为可交互的显示屏。随着投影设备尺寸、成本、功耗的降低以及3D投影的不断进步各种全新的交互及显示形式正在不断涌现。SAR系统最大的优点在于现实世界的反射在这里更加精确，即虚拟信息能够以实际的比例和大小呈现在眼前此外在观看人数较多时，内嫆也能看清这个案例可以用来实现同步办公。

头戴式显示器(HMD)

HMD代表着另一种快速发展的AR硬件类型HMD由一个头戴装置(如头盔)，以及与之搭配嘚一块或多块(微型)显示屏组成HMD将现实世界和虚拟物体的画面重叠显示在用户视野中。换而言之用户不会直接看到现实，看到的是现实嘚增强视频画面如果显示屏只覆盖用户的一只眼睛，这样的HMD称为单眼HMD另一种是两只眼睛都看显示屏的双眼HMD。先进的HMD通常能够搭载具有佷高自由度的传感器用户可以在前后、上下、左右、俯仰、偏转和滚动六个方向自由移动头部。该系统因此能够实现虚拟信息与现实世堺的贴合并根据用户头部移动作做相应的画面调整。

消费电子行业的许多公司认为智能眼镜将会成为智能手机后下一大全球热卖消费產品。这些AR设备实际上是带有屏幕、相机和话筒的眼镜根据这一概念，用户的现实世界视角被AR设备截取增强后的画面重新显示在用户視野中。AR画面透过眼镜镜片或者通过眼镜镜片反射，从而进入眼球智能眼镜技术最为突出的例子是谷歌眼镜和Vuzix M100。不过目前开发中的朂令人激动的智能眼镜要数Atheer One——该智能眼镜配有3D景深传感器，用户可以实际控制眼前显示的虚拟内容

华盛顿大学开发的透镜中含有金属電路结构

智能眼镜绝不是故事的结局。越来越多的研究投入到能显示AR画面的智能透镜上；微软、谷歌等公司也正忙于宣布自己的智能透镜項目

智能透镜的理念是在传统透镜中集成控制电路、通信电路、微型天线、LED及其它光电组件，从而形成一套功能系统未来或许可以用荿千上万颗LED直接在眼前形成画面，从而让透镜变成显示屏然而，还必须克服一系列难题比如说如何给透镜供电，如何保证人眼不受伤害等等

在这一章的最后，我们简单看下AR技术会应用到哪些领域：

考古：在古代遗迹上显示遗迹原本的样子

艺术：跟踪眼球移动并将这些移动显示在屏幕上，帮助残疾人进行艺术创作

商业：显示产品的多种定制选项或者补充信息。

教育：将文本、图像、视频和音频叠加箌学生周围的实时环境中

时尚：显示不同的妆容和发型用在一个人身上的效果。

游戏：运用真实世界环境让用户在游戏中进行互动获嘚不同的体验。

医药：通过虚拟X光将病人的内脏器官投射到他们的皮肤上

军事：使用AR眼镜向士兵展示战场中出现的人和物体，并附上相關信息以帮助士兵避开潜在的危险。

导航：将道路和街道的名字跟其他相关信息一起标记到现实地图中或者在挡风玻璃上显示目的地方向、天气、地形、路况、交通信息，提示潜在危险

体育：显示橄榄球场的得分线、高尔夫球的飞行路线和冰球移动的轨迹。

电视：在忝气预报中显示天气视觉效果和图像

第二章 AR的工作原理

AR介于VR和真实世界之间，VR创造逼真的虚拟世界AR则将图形、声音、触感和气味添加箌真实的世界中。

在介绍AR的工作原理之前我们先通过一个例子，让大家有一个简单的认识

在2009年2月的TED大会上，帕蒂梅斯和普拉纳夫米斯特莱展示了他们研发的AR系统该系统属于麻省理工学院媒体实验室流体界面小组的研究成果之，他们称之为SixthSense(第六感)它依靠众多AR系统中常見的一些基本元件来工作：摄像头、小型投影仪、智能手机和镜子。

这些元件通过一根类似绳索的仪器串连起来然后戴在佩戴者的脖子仩。用户还会在手指上戴上四个不同颜色的特殊指套这些指套可以用来操纵投影仪投射的图像。

SixthSense设备利用简单的、现成的元件来组成AR系統它的投影仪可以将任何平面变成一个互动的显示屏。SixthSense设备利用摄像头和镜子来捕捉周围的环境然后将这种图片传给手机，然后将这些信息从投影仪投射到用户面前的任何平面上不管这种平面是一个手腕，一面墙还是一个人。由于用户将摄像头佩戴在胸前因此SixthSense设備能够增强他所看到的一切。例如如果他在一个杂货店里挑选了一罐汤，SixthSense设备将能够搜索这罐汤的相关信息例如成分、价格和营养价徝甚或用户评论，然后将它们投射到平面上

利用手指上的指套，用户可以在投射的信息上执行各种操作这些操作将会被摄像头捕捉到，然后通过手机来处理如果他希望了解这罐汤的更多信息，例如与之竞争的同类产品那么他可以用手指与投射画面进行互动，从而获取更多的信息SixthSense设备还能够识别一些复杂的手势，例如你在手腕上画一个圆圈SixthSense设备就能够投射一款手表来显示当前的时间。

一个典型的AR系统结构

一个典型的AR系统结构由虚拟场景生成单元、透射式头盔显示器、头部跟踪设备和交互设备构成其中虚拟场景生成单元负责虚拟場景的建模、管理、绘制和其它外设的管理；透射式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视线变化；交互设备用于实现感官信号及环境控制操作信号的输入输出。

首先透射式头盔显示器采集真实场景的视频或者图像传入后台的处理单元对其进行分析和重构，并结合头部跟踪设备的数据来分析虚拟场景和真实场景的相对位置实现坐标系的对齐并进行虚拟场景的融合计算；茭互设备采集外部控制信号，实现对虚实结合场景的交互操作系统融合后的信息会实时地显示在头盔显示器中，展现在人的视野中

目湔AR技术的技术难点在于：精确场景的理解、重构和高清晰度、大视场的显示技术。

1、对现实场景的理解和重构

在增强现实系统中首先要解决“是什么”的问题，也就是要理解、知道场景中存在什么样的对象和目标第二要解决“在哪里”的问题，也就是要对场景结构进行汾析实现跟踪定位和场景重构。

物体检测和识别的目的是发现并找到场景中的目标这是场景理解中的关键一环。广义的物体检测和识別技术是基于图像的基本信息(各类型特征)和先验知识模型(物体信息表示)通过相关的算法实现对场景内容分析的过程。在增强现实领域瑺见的检测和识别任务有，人脸检测、行人检测、车辆检测、手势识别、生物识别、情感识别、自然场景识别等

目前，通用的物体检测囷识别技术根据不同的思路可以分为两种：一种是从分类和检测的角度出发，通过机器学习算法训练得到某一类对象的一般性特征从洏生成数据模型。这种方法检测或者识别出的目标不是某一个具体的个体而是一类对象，如汽车、人脸、植物等这种识别由于是语义仩的检测和识别，所以并不存在精确的几何关系也更适用于强调增强辅助信息，不强调位置的应用场景中如检测人脸后显示年龄、性別等。另外一种识别是从图像匹配的角度出发数据库中保存了图像的特征以及对应的标注信息，在实际使用过程中通过图像匹配的方法找到最相关的图像，从而定位环境中的目标进一步得到识别图像和目标图像的精确位置，这种识别适用于需要对环境进行精确跟踪的應用场景

就现阶段而言，识别检测技术的难点之一是技术的碎片化这一方面是由于每一类对象都会有其独有的特征，而不同特征的提取和处理都需要实现一一对应这对识别检测是一个巨大的挑战。另一方面图像本身还受到噪声、尺度、旋转、光照、姿态等因素的影響。近几年来随着深度学习技术的不断成熟，检测和识别方法也越来越统一而性能也在不断提高中。

跟踪技术的方法可以分为基于硬件和基于视觉两大类基于硬件设备的三维跟踪定位方法在实现跟踪定位的过程中使用了一些特殊的测量仪器或设备。常用的设备包括机械式跟踪器、电磁式跟踪器、超声波跟踪器、惯性跟踪器以及光学跟踪等光学跟踪和惯性跟踪是比较常用的两种硬件跟踪方式，HTC Vive就是采鼡了光学跟踪和惯性跟踪两种硬件来定位头部的位置使用硬件设备构成的跟踪系统大多是开环系统，跟踪精确取决于硬件设备自身的性能其算法的扩展性要差一些，且成本相对较高

视觉跟踪方法具备更强的扩展性，其系统多为闭环系统更依赖于优化算法来解决跟踪精度问题。相比于上述基于硬件设备的跟踪方法计算机视觉跟踪方法提供了一种非接触式的、精确的、低成本的解决方法，但是基于视覺的方法受限于图像本身噪声、尺度、旋转、光照、姿态变化等因素都会对跟踪精度造成较大的影响，因此更好地处理这些影响因素研发鲁棒性强的算法就成为下一步AR技术的研究重点。

根据数据的生成方式视觉跟踪技术的算法可以分为两种，一种是基于模板匹配的方式预先对需要跟踪的target进行训练，在跟踪阶段通过不断的跟预存训练数据进行比对解算当前的位姿这类方法的好处是速度较快、数据量尛、系统简单，适用于一些特定的场景但不适用于大范围的场景。

另外一种是SLAM方法也就是即时定位和地图构建技术。这类技术不需要預存场景信息而是在运行阶段完成对于场景的构建以及跟踪。其优点是不需要预存场景可以跟踪较大范围，适用面广在跟踪的同时吔可以完成对于场景结构的重建。但目前这类技术计算速度慢、数据量大、算法复杂度高对于系统的要求也较高。Hololens和Magic Leap的宣传视频中都展現了这方面技术而亮风台对相应的技术也在研发当中。

为了弥补不同跟踪技术的缺点许多研究者采用硬件和视觉混合跟踪的方法来取長补短，以满足增强现实系统高精度跟踪定位的要求

2、增强现实的显示技术

目前大多数的AR系统采用透视式头盔显示器实现虚拟环境与真實环境的融合。根据真实环境的表现形式划分主要有视频透视式头盔显示器和光学透视式头盔显示器两种形式。

视频透视式头盔显示器通过安装在头盔上的微型摄像头获取外部真实环境的图像也就是通过摄像头来采集真实场景的图像进行传递。计算机通过场景理解和分析将所要添加的信息和图像信号叠加在摄像机的视频信号上将计算机生成的虚拟场景与真实场景进行融合，最后通过类似于浸没式头盔顯示器的显示系统呈现给用户

虽然视频透射式头盔在显示上不受强光的干扰，具有比较大的视场但由于真实环境的数据来自于摄像头，因此会造成显示分辨率较低的不利因素另一方面，一旦摄像机与用户视点不能保持完全重合用户看到的视频景象与真实景象将会存茬偏差，因此会造成在某些领域(特别是工业、军事等领域)出现一些安全隐患

光学原理的透视式头盔显示器的基本原理则是通过安装在眼湔的一对半反半透镜融合呈现出真实场景和虚拟场景。与视频透射式不同的是光学透视式的“实”来自于真实的光源，经过透视光学系統直接进入眼睛计算机生成的“虚”则经过光学系统放大后反射进入眼睛，最后两部分信息汇聚到视网膜上从而形成虚实融合的成像效果

光学透视式头盔相对来说结构简单，分辨率更高因其能够直接看到外部，真实感和安全性也更强其缺点是，在室外强光条件下显礻效果会受影响目前Hololens以及亮风台的HiAR Glasses都采用了光学透射式的成像方案。

不难看出两种方案各有优缺点，如何选择最优方案目前来看，還应基于实际应用场景来进行判断

由于光学透射式头盔跟实际场景结合更紧密，真实感更强大多数厂家会选择这种方案。对于透射式頭盔显示器来说单纯的强调厚薄或者视场大小并没有任何实际意义。这是由于厚度和视场是矛盾的要做得较薄，方便用户使用佩戴視场就必然变小；想要拥有大视场，则其厚度就必然增大设备就目前来说也会显得比较笨重，不易佩戴因此在目前技术依旧存在障碍嘚情况下，大家都会采取一些折中的方案

随着Magic Leap的宣传视频，数字光场这个概念也变得广为人知这种不采用屏幕来做载体的显示方式，通过记录并复现光场来完成虚拟物体的显示通过呈现不同深度的图像，使用户在观察近景或远景时可以实现主动的对焦，这也是光场顯示的一大优点

同样，光场显示也有不同的显示方案一种方案是采用多层的显示器，如光场立体镜如Magic Leap采用的是光导纤维投影仪。这套方案的优势是可以做到很大的视场角显示更加符合人的真实感受。但这一方案同时也具有比较大的挑战性光场的显示需要比较大的計算量，并且需要有相应的手段记录或者生成想要叠加的虚拟对象相应位置的光源信息同时还要精细地控制投影的内容和位置，目前这些技术还都处于研究阶段

尽管存在比较多的挑战，光场显示技术仍旧是非常值得期待的一种成像方式

从目前来看，绝大多数巨头和创業公司更愿意选择在VR领域开疆拓土但这并不意味着AR无人问津。

种种迹象显示苹果可能和微软一样瞄准了AR领域，并非时下最热的VR

苹果巳经在AR领域进行过一些并购交易。2015年5月苹果收购了一家名为Metaio的德国AR公司。该公司主要开发基于智能手机的AR应用软件比如其曾经开发一款让家具视觉化呈现的工具。该公司被收购之后实体被注销，人员融入了苹果的开发团队

2014年年底，苹果收购了一家从事脸部视觉识别嘚公司——FaceShift该公司的技术能够利用摄像头对用户脸部图像进行实时捕捉，甚至可以生成虚拟的头像

据悉，电影《星球大战：原力觉醒》的特效团队曾经使用了上述公司的技术让外星人的脸部形象更加栩栩如生。

此外苹果还曾经收购了以色列的硬件公司PrimeSense，该公司主要為微软的Xbox游戏机制造Kinect动感捕捉摄像头

该公司具备了先进的手势动作识别技术。在AR领域用户一般不会使用手持控制器，因此识别手部动莋十分重要这一技术也能够用于AR头盔中。

除了各种并购之外苹果也储备了一些和AR有关的技术专利。这些专利并不意味着苹果一定会开發某种技术或者硬件但是可能披露了苹果未来产品开发的某些思路。

2015年2月苹果获得一个技术专利，主要用于让智能手机连接AR和VR头盔專利描述文字和谷歌、微软、三星电子和Facebook近些年推出过的产品十分相似。

微软应该算是布局AR比较超前的巨头公司其在2015年就推出了AR头盔HoloLens，開发者版已经开启预订售价为3000美元。

我们之所以能够看到物体是因为光线被这些物体反弹，最后射入我们的眼中而我们的大脑需要對这些光进行复杂运算，最后重现你眼睛所看到物体的图像HoloLens实际上就是欺骗大脑，将光线以全息图的方式发射到你眼睛中就好像物体嫃的存在于现实世界中一样。

就像下面这幅图HoloLens可以将屏幕投射到墙上。当用户四处走动时屏幕依然会留在原地，就好像那是一面真实存在的镜子HoloLens可在正确角度向你的眼中发射光线，让你觉得屏幕真的出现在墙上

HoloLens本身就是一台独立电脑，拥有自己的CPU和GPU以及微软所谓嘚全息处理单元，负责支持创造全息图必须的全部必要计算

在消费者方面，HoloLens拥有巨大潜力你可能再无需购买60英寸电视，HoloLens允许用户将电視屏幕发射到墙上屏幕大小可随意调节。如果未来版的HoloLens足够紧凑你可以想象到有人边开车边接受导航，但司机的实现不再局限于屏幕仩而是可看到前方道路的全息图。当然游戏可能是HoloLens的重要卖点。

在企业方面HoloLens最明显的应用就是实现3D模型或设计的可视化。HoloLens也可被用於视频会议等场合此外，它的另一个用途可能是支持在线零售店允许HoloLens用户看到其产品全息图。在你购买家具前你就可以看到家具被擺放在室内的虚拟图。

由于HoloLens运行Windows 10操作系统通用应用将可在其上顺利运行。这些应用将被投射到用户面前可被便捷操作。对于微软来说吸引开发者非常重要，因为这款设备最吸引人的应用可能还未出现尽管HoloLens的硬件设施令人印象深刻，但其依然需要好的应用为消费者和企业提供最好的服务

谷歌当前在VR领域比较活跃，如推出硬件产品 Cardboard头盔YouTube上线360度全景视频功能，还提供Tilt Brush、Jump和Assembler等VR小应用方便帮助开发者创噺新的VR体验，但这并不意味着谷歌放弃了AR市场

谷歌和联想合作，推出Project Tango项目该项目旨在赋予智能手机3D绘图和创造AR体验的能力。Tango智能手机將于今年年终发货相当于是一个完整功能的AR设备。

除了自身开发AR项目谷歌还投资了AR创业公司Magic Leap。Magic Leap专注于AR技术的研发其最终产品很可能昰一款头盔，可将电脑生成的图像投射到人眼上最终在现实图像上叠加一个虚拟图像。有关Magic Leap的情况将在下文进行详细说明。

Magic Leap是一家知洺度很高的AR创业公司今年2月，Magic Leap在新一轮融资中获得7.935亿美元的投资阿里、谷歌都参与了本轮融资。据估测 Magic Leap的估值至少达到45亿美元，这仳两年前Facebook收购Oculus的价格高出了两倍

Magic Leap研发的技术依然处于半透明状态，没有任何产品出现我们目前只知道它主要研发方向就是将三维图像投射到人的视野中。

Magic Leap CEO鲁尼 阿伯维兹曾公开表达过自己公司的定位：“你可以将我们看作是科技生物学(Techno-biology)我们认为它是计算机的未来。”

Magic Leap制莋图像的方法与人眼的工作方式相同Magic Leap利用弯曲的光场制作图像，而不像其他平台那样利用立体图像欺骗眼球利用其他3D图像投影方式，洳果用户闭上一只眼睛3D图像就会消失。在现实生活中用户即使闭上一只眼睛，依然能够看到3D图像Magic Leap便采用这种更为实用的图像制作方式。

尽管过去一年里媒体开始大肆报道AR技术我们目前了解到的大部分AR解决方案仍处于开发之中。只有少数硬件解决方案得到了大规模生產并能够买到

2011年，全球AR营收仅为1.81亿美元而且当时AR往往被人们视作一种营销噱头：一种还在摸索实用应用的技术。很少有人认识到AR的潜仂开发相关应用大多也是用来快速打响名声，或者这些应用的价值仅限于添加视频效果这样的博眼球之举而已

然而最新预测指出，到2017姩AR市场将增长至52亿美元，年增长率竟逼近100%随着大量资金注入AR项目及AR创业公司，尤其是随着谷歌、佳能、高通、微软等大公司的入场峩们已经看到第一批消费级AR产品的涌现。随着实际商业利益的出现 AR将成为消费、医疗、移动、汽车以及制造市场中的“下一件大事”。

AR仳VR更具增长潜力

市场调研公司Digi-Capital给出的一组数据很值得研究：到2020年AR的市场规模将达到1200亿美元，远高于VR的300亿美元

VR对于游戏与3D电影来说是一項非常棒的技术，甚至可以说这项技术可谓是专门为此而设计的但这项技术的体验主要是在客厅、办公室或者座位上展开的，因为如果伱戴着一个完全封闭的头戴式显示器走在路上随时都可能撞到路边的东西。

虽然AR技术应用在游戏也非常有趣但在需要真正沉浸式体验嘚时候，其所带来的乐趣或许不如VR技术那么多这就像是移动游戏与主机游戏之间的差距。但是AR技术在游戏玩家眼中的这个缺点，恰恰昰让它可以同智能手机一样在数以亿计用户的现实生活中发挥重要作用的优势。人们可以戴着它四处活动做任何事情。

AR的软件与服务擁有可与如今的移动市场相媲美的经济效应它们都可以利用现有的其他产品的市场，并不断扩张它们AR庞大的用户基础将会成为电视电影、广告等行业的主要收入来源。

换句话说AR技术有可能触及到更多的人，因为它是对人们日常生活的无缝补充而不是像VR那样在现实世堺之外营造出一个完全虚拟的世界。

《增强现实：指向增强现实的一种新技术》一书的作者格里格.基佩尔在书中写到：“增强现实将具备哽多的实际应用价值因为在现实中，与真实世界中的事物互动的人更多一些”

在AR技术的帮助下，人们通过专用头盔看见的三维全息图潒可以为真实世界提供一种有益的补充当你走过一个杂货店的走道，你也许会在眼前的虚拟屏幕上看到制作意大利饭所需的食材和配料清单又或者，当你在阅读一本有关天文学的书籍时你周围可能会出现一幅太阳系的图像。

但是戴上虚拟现实头盔之后你与周遭世界嘚联系就被人为隔断了。你被投影到一个不同的世界中就像恐龙冲过一片丛林，或者像站在一幢100层的摩天大楼的楼顶上俯瞰着脚下的大街一样这跟主题乐园的游历过程有些相似，就连虚拟现实头盔戴久了会让你感到恶心或者头晕也跟你在主题乐园中呆久了的感觉很相似

Meta是硅谷的一家AR创业公司，员工人数大约为100人Meta CEO梅隆格里贝茨预计，有朝一日人们再也不用一边在笨拙的键盘上敲敲打打，一边紧盯着顯示屏的屏幕人们可以在漂浮在眼前的全息图像之间随意切换和浏览，只需用手碰一碰就可以完成各种操作当然还有虚拟键盘，人们鈳以利用它输入数据

人们可以进入他们的全息影像屏幕，提取出人的解剖图然后剔除骨骼进行研究。人们也可以通过透视去检查自己咑算购买的鞋子的内部做工到那个时候，打电话将会变成一种很奇怪的行为因为所有人都可以在全息影像中进行对话。

格里贝茨说：“VR很酷但它只是通向增强现实的一块垫脚石。我们将开发出比Mac电脑好用一百倍且强大一百倍的产品”

第五章：AR面临的挑战

对于AR而言，解决注册任务是最核心的问题注册对精度的要求极为严格：由于AR应以实时、六个自由度的形式将虚拟信息和现实信息相融合，即便是轻微的注册失准都会造成组合视图难以容忍的失真因此，移动AR存在两大难点：注册必须极为精准注册对计算能力和内存的利用必须极为高效。

这个问题是AR面向大众部署所面临的终极挑战我们断言，目前大部分已知的注册任务解决方案其实并不适用于智能手机——尽管看仩去能用因此，所有的AR研究人员都应该为智能手机AR的大空间应用问题开发专门的解决方案

智能手机是AR大众市场最具前景的平台。智能掱机生态系统为面向大众部署AR的纯软件解决方案提供了一切要素然而不应忽视的是，尽管技术和逻辑取得了种种进步但是AR应用在智能掱机上的大规模部署仍然存在着下列重大障碍：

1、相机质量与成像处理。智能手机通常配备的相机传感器在弱光条件下表现糟糕：图像模糊开始出现明显色差。相机传感器硬件通常禁止低层级访问API只提供了相机传感器的高层级访问，无法控制曝光、光圈及焦距小型CCD传感器导致相机采样噪点增加，进而严重影响后续CV算法的发挥图像获取过程中的质量损失很难通过后期处理步骤补偿。

2、电量消耗电池電量近年来并没有显著提升。相机传感器在以高帧率持续运行时耗电量很大其主要原因是目前手机的设计用途仍然是拍照，而不是摄影另外，传感器和网络接口也是耗电大户运行功能强大的AR应用会让电池迅速耗干。因此AR应用必须只能设计成供短时间使用，而不是一種“常开”功能

3、网络依赖性。远程访问大量数据受到几个因素的影响首先，网络延迟会导致令人不爽的延迟拖累AR应用的瞬时表现。其次访问远程数据仅在开了流量套餐时才有可能做到，而流量套餐可能过于昂贵或者无法开通最后，某些地区的网络覆盖可能不满足条件于是完全独立的AR应用成为了唯一的可行选择，这就意味着需要在设备上占用大量的存储空间

4、可视化与交互的可能性。智能手機的外形因素在购买决策中发挥着重要作用实际上，可接受最大设备的尺寸严格制约了显示屏的大小交互技术同样存在着类似的限制。多点触控界面或许是最为先进的交互机制但它在某些特定任务——如像素级的选取上表现糟糕。

理论上讲针对AR改进未来智能手机需從哪些方面入手已是众所周知。在实践中AR应用的开发者却要看硬件厂商和服务供应商的脸色，后者做出硬件发展决策的依据是市场预测而其中可能不含对AR的需求。不过硬件总体是朝着正确的方向发展的，尤其在移动游戏或移动导航系统的驱动下——而这两者与AR在技术需求方面存在许多共通之处此外，研究人员意识到目前相机控制方面存在限制更好的相机API也会因此诞生，比如Frankencamera项目

尽管平板电脑作為一种流行移动平台也在不断壮大，但它属于放大版的智能手机平台由于尺寸放大，可视化与交互的限制有了些许放松但这些设备的呎寸和重量同时也制约着它们在AR领域的应用，原因是拿起来更加累人(比如说把设备举起来较长时间可能需要两只手，反过来制约了交互嘚可能性)除此之外，目前的平板电脑存在着与智能手机相同的问题对于不同的AR应用而言，智能手机和平板电脑可能前者更适合也可能后者更适合。

智能手机的一大优势在于定位不必单单依赖于相机传感器，也可以利用其它任意可用的传感器如GPS，指南针加速度计囷陀螺仪。尽管其它传感器的使用在核心CV社区中往往被视为“作弊”但这些传感器能够对开发实验室外快速、健壮的定位功能做出重大貢献。即便在结合了多种传感器的帮助下基于CV的定位仍然非常困难，一系列原因列举如下：

纹理结构大多数方法依赖于兴趣点外形上嘚自然特征，要求环境中各区域纹理足够清晰兴趣点的主要问题在于，纹理的呈现形式至关重要尤其在室内场景中，常常会有白墙出現使得基于自然特征的定位方法很难发挥作用。

光照和天气条件尽管自然特征描述器通常被设计为不受光照影响，但这一假设只有在描述实际物理特征的观测研究中成立不幸的是，室外环境中大量以自然画面呈现的特征与实际物理特征并不相关场景中物体投射的阴影会造成斑点、边角、线条的出现，还会随着光照或天气条件变化而动态移动因此，存在着大量的会对定位质量产生严重影响的异常因素和不匹配因素这与匹配算法的选择并无关系。

数据库规模大、易变化对于室外环境而言，在定位之前必须采集大量数据并处理生成初始模型利用昂贵设备的实时方法能够处理这一问题：然而，无法访问的区域仍然会造成最终模型中的孔洞(即未能构建地图的区域)此外，得到的模型仅代表某个时间点的静态快照环境中的任何变动，如商店橱窗的翻新咖啡店遮阳伞的开闭，停车场汽车的去留都会讓数据采集生成的模型瞬间过时。另一个重要方面是通信通道(可能是移动网络)中最终模型的分发方式由于这些模型通常体积颇大，整体還是拆分传输都会带来技术难题

失准及丢失的传感信息。在室外定位中GPS和指南针提供了关于设备大致位置和方向的极具价值的绝对信息。不幸的是传感器并不健壮：在不同的地点，传感信息的准确度可能会有天壤之别尤其是在狭窄的城市峡谷里，GPS信息可能会偏差100米甚至会不可用。类似的是磁干扰会严重影响电子指南针的读数，而磁干扰在人造环境中是不可避免的

精准定位是AR亟待解决的最为重偠的任务。但正如上面所述仍然存在着一些重大挑战，仍需针对这些挑战寻找真正切实有效的解决方案近来平板电脑AR的SLAM实施证明，如果上述条件(即纹理结构清晰)达到就能充分实现小规模环境的定位注3。然而大规模环境的定位仅存在于概念证明研究中。相关问题似乎難以攻克因此只能等待技术的缓慢进步了。

除了实现算法研究成果的精度和可扩展性这样的学术目标外还存在着一系列严重影响AR体验實用性的实际问题。这些因素仅与AR的实际应用相关因此在科学文献中讨论较少。这或许会造成“这些问题不难解决或者与AR的成功不相关”的错误认识下面列举了一些与智能手机有关、同时也与AR一般用途有关的问题：

实际的硬件发展与“AR心愿清单”的矛盾：目前智能手机Φ相机及其它传感器的质量不足以满足AR的高要求。硬件进步——如立体相机CPU/GPU的统一随机寻址，WiFi三角定位——能够让AR应用的开发者极大受益不幸的是，在AR尚未气候成熟时期待手机会针对AR优化纯属幻想。硬件配置的任何变动会增加数百万美元的开发成本倘若之后无法满足市场预期，搭上的钱还会更多目前，消费者购买手机主要是为了语音通讯游戏和网页浏览。这些市场将会驱动近期到中期的手机功能革新我们必须说服设备厂家AR是手机应用的新兴市场，这样才能为AR争取到更先进的硬件幸运的是，如今AR的关注度已成规模因此不久嘚将来，手机针对AR的优化或将成为现实

动态场景与AR真实感的矛盾。目前的AR应用假设场景中的一切事物都是静态的然而，现实恰好与之楿反尤其在室外场景中，几乎所有物体都在变化：行人光照和天气条件，甚至是建筑物每隔几年也会刷上新的颜色定位会因此受到嚴重影响。

在动态场景中大多数算法的基本假设从一开始就是错误的。比如说你正在对一个建筑立面进行增强行人路过挡住了部分视野。由于算法缺少阻挡推理就算增强内容的视觉效果再好，未来硬件平台的性能再强大也会出现碍眼的错误。动态物体与虚拟内容之間交互的缺失绝对会损害AR应用的真实感因此，目前CV研究成果中物体动态检测与跟踪技术的加入是未来实现高质量AR的关键

内容创作与注冊的矛盾：AR之所以让人兴奋，很大程度上源于终端用户参与内容创作的发展前景个人内容创作是促使用户积极参与而非被动观察的关键所在。然而目前仍然没有实现这一概念的基本机制。

尽管手机的交互方法得到了极大改进但在没有精准全局环境模型的条件下，如何使用2D界面方便、精准地注册6自由度内容这个问题仍未得到解答。就拿增强建筑物里面的一扇窗户举例目前的方法甚至都无法搞定简单嘚标记任务。尚没有在开放空间内输入任意3D位置的机制更别说明确指出方向了。

目前决定标签的做法通常利用的是用户(不精准的)GPS位置洏不是兴趣物体本身。对于终端用户创作真实、理想的内容而言在用户附近对任意位置进行精准注册一定要简单而健壮——然而，这又昰一个超出CV基本范畴的研究难题

我们选取了一定数量的AR创新案例，归纳成四种功能类别；每一种都会在个人或公司使用AR应用时为其带来顯著益处

情境敏感式信息——在恰当的事件地点出现的信息

第一类是情境敏感式信息，涵盖能够根据特定情境轻松获取互联网已有静态數据的各种应用

Wikitude和Metaio公司的Junaio(魔眼)是AR浏览器两个最有名的例子，它们提供的情境敏感式信息软件能够识别场所或物体并将数字信息与现实卋界的场景连接起来。智能手机都可以运行这一软件用户可以通过手机摄像头的视角看到周围的数字信息。

这些数字信息可以是附近感興趣的地方比如博物馆、商店、餐馆或者前往下一个公交站的步行路线。该软件通过GPS、WiFi和3D建模实现图像识别和用户定位功能

语言翻译昰AR应用中最具发展前景的领域之一。现有的一款应用Word Lens兼容于几乎所有智能手机能够将文本同步翻译成另一种语言。打开应用后用户只偠将设备对准外国文字即可。设备就会将此信息翻译成用户母语并显示出来而且翻译后的文本是同样的字体，印在同一面墙上——就跟原始文本一样

面部检测和AR的结合则是在现实生活特定情境中轻松获取互联网信息的另一个例子。Infinity是一款AR应用它可以分析一张面孔，将其与社交网络上的头像进行比对匹配匹配目标在社交网络中发布的信息就会显示在用户视野中。

这项功能在消费应用领域非常实用的技術也会受到执法部门的欢迎(如扫描人群寻找通缉犯)。但不难理解这款应用已经引发了许多人对隐私的担忧。

大众公司开发的MARTA系统是汽車领域中在恰当地点提供恰当信息的极具可行性的最佳实践解决方案

该系统在汽车运转失常时派上用场，帮助用户进行汽车维修及维护它能通过物体识别技术识别出汽车零部件，实时详细地将所有必需的维修、维护步骤描述并图示出来并配有需要用到哪些设备的信息。这款应用可以在多种移动设备上运行目前，该系统为大众服务独家使用不过可以想象，未来消费者都会用上类似的系统不太了解汽车机械的人都能修好自己的汽车。

增强感知——成为人类2.0

即便是今天AR应用所能提供的也远不止是随时检索互联网信息这么简单。下面講述的几个AR用例通过主要由设备传感器收集的数据生成新的信息实现增强现实。这一系列设备能够增强我们的感知延伸人类能力，超樾目前我们所能取得的成就

已经问世的Recon Jet是一套用于休闲活动的AR系统。该设备便于运动的平视显示器(HUD)可以与蓝牙、WiFi等第三方传感器连接提供导航和天气信息，访问社交网络显示实时的状态信息。例如跑步者可以看到自己的速度，到终点线的距离目前的海拔提升高度鉯及心率。目前已有上述功能的Recon Jet计划未来针对在危险环境中工作或从事体力劳动人群开发可穿戴AR设备监测他们的生命体征和周围环境。

洅举一个平视显示器的例子某些型号的宝马汽车能够在挡风玻璃上投影行驶速度等传感信息。这种增强感知功能自从2004年以来被汽车公司所采用宝马正在不断增加新功能，持续改进其HUD系统

宝马目前的ConnectedDrive HUD系统的增强方式是在外部环境真实物体上叠加虚拟标记。这样导航信息戓者驾驶助手系统的信息可以显示在司机前方道路视野的精确位置上导航指示可以层叠在道路上，其它汽车或安全相关的物体可以根据凊况高亮显示或标记出来宝马夜视系统提供的可视化信息正是HUD应用的绝佳例证。

屡获殊荣的iOnRoad应用是一个类似于宝马HUD的增强驾驶助手系统只不过面向平民大众市场，也没那么先进该应用仅使用智能手机相机和一些视觉算法，提供了诸如碰撞预警、出口监测、道路出界预警以及事故后能派上用场的黑匣子录像功能

Liver Explorer是AR应用在另一个截然不同的领域中的例证。外科医生可以通过Fraunhofer MEVIS公司开发的Liver Explorer应用增强感知该應用能够为执业医生提供实时的AR向导和辅助。设备通过摄像头捕捉肝脏影像利用AR技术将手术计划的数据叠加到器官上。

另外该软件还能实时响应(如根据系统持续追踪的血管运动状态及时更新手术计划)。这些功能超越了MARTA系统对于情境敏感式信息的定义如果该应用能得到積极评价的话，未来很可能会改造推广到更多的手术领域中

在危险情况下，随时掌握关键信息尤为重要正因为如此，军方成为了AR应用朂大的投资者之一Q-Warrior Helmet是一款军事应用。该AR项目希望能为士兵们提供“保持警惕视野开阔，手搭扳机”的场景意识以及敌我识别、夜视影像和远程协调小分队的增强功能。该头盔会将每个佩戴者的具体位置信息提供给其他人军事组织可以通过它在战斗或侦查行动中集结、行军、分享信息与位置。不难想象未来类似的系统会出现在其他工作环境危险的职业中(如消防员、执法人员)。

混合现实模拟——在现實中探索虚拟

上述案例以提供静态数字信息的方式为我们展示了增强现实的应用然而接下来这一类的AR实践相比之下更进了一步。通过这些所谓的混合现实模拟用户可以在现实环境中动态地更换或调整虚拟物体。

最新的宜家应用Ikea Catalog就是其中最为突出的一个例子借助于这个甴Metaio公司开发的AR应用，消费者可以使用移动设备把所选的数字版宜家家具“放置”在自己家客厅里从而更方便地测试家具的尺寸、风格、顏色摆在某个位置是否合适。该应用还允许用户调整每一个部件的尺寸和颜色

优衣库的试衣魔镜(Magic Mirror)提供了一种更加个人化的AR试衣体验。2012年舊金山的一家优衣库门店安装了这台大型增强试衣镜它能够识别顾客的身材和所选衣物，因此免去了再试其它颜色的必要顾客只需换仩某件衣物站到镜子前；根据触摸屏的提示选择其它颜色，镜子中就会投射出顾客身着另一种颜色的影像

佳能推出的MRERL系统能够实现3D电脑渲染模型在现实环境中与现实世界物体无缝融合的设计过程。举例来说汽车领域可以借助于这套系统设计出新汽车的模型。MREAL系统支持多鼡户协同工作同步进行完整规模的产品设计。

这套系统可以用来分析新规划设计中现实部件如何组合的问题其实现方式是，渲染出包括现有部件和新设计概念的3D模型再将两者组合起来。

例如可以将现有的汽车座椅整合到新车虚拟设计的投影中。MREAL系统提供的是混合现實因此用户可以真的坐到(真实的)座椅上，看到汽车外面的真实环境以及汽车内部的数字虚拟模型——包括全新设计的仪表盘和方向盘

叧一个已投入使用的工业级AR应用来自空中客车公司(Airbus)。为了能够完全依靠数字工具完成新飞机的生产流程空中客车公司于2009年联合打造了MiRA(混匼现实应用)。该应用利用AR扫描部件、检测错误从而提高了生产线的效率。

以A380客机为例由平板PC、特制传感套件和软件组成的MiRA应用现在已將组装机身中成千上万个支架的时间由300小时降低至惊人的60小时。更为震撼的是之后发现，损坏、安装错位或者遗失支架的数量却降低了40%

日本的一位黑客利用现有的3D模型和廉价的动作传感器实现了与日本超人气虚拟歌手初音未来的AR“约会”。在演示视频中初音陪着他漫步公园，初音能够识别现实世界的物体并做出反应(比如坐在真实的长椅上)该软件甚至还能与这位虚拟歌手互动(比如摸摸她的头或领带)。盡管这个应用有着明显的煽动性但它绝非只是噱头。由此我们可以想到不久之后人们或许会有虚拟伴侣的陪伴，在需要时提供帮助(比洳辅助搞定医疗或工程问题，或者以人形界面的形式处理个人日历、备忘录、通讯录等日常数字事务)

虚拟界面——在虚拟中控制现实

接入互联网“智能”玩意儿越来越多，获取数字信息的方式越来越多于是打算利用AR设备及数据来工作的人也越来越多。因此我们讨论嘚第四类——虚拟界面，关注的是提供以数字形式控制现实世界物体的新方式的AR技术本质上说，这类技术让调整、控制真实物体的混合現实成为可能

手势是一种随时与数字世界进行交互的高级方式。上文所说的麻省理工学院开发的SixthSense正是这么一种手势界面系统尽管该系統目前采用的是空间AR技术，它也可以应用于其它各种技术中借助于该系统，用户可以使用自然手势与信息进行交互为了捕捉用户的输絀意图，该系统的相机采用计算机视觉技术对用户手势进行识别和追踪

基于AR的界面不局限于计算机设备。还能用来控制汽车娱乐设备，以及加热系统这样的家居配套设施仍在开发之中的家庭自动化系统Revolv正是这样的例子。结合Google Glass后用户可以通过该系统控制家中的所有数芓设备(如照明系统和门锁系统)。于是就形成了可以用语音或指尖控制的增强“智能”家居环境

中国电商1号店的例子告诉我们，虚拟界面吔不局限于家中该公司曾宣布，将成立全球第一个AR连锁超市

每一家超市将会有一块约1.2平方米的货架，设置在“空白”的公共区域(比如吙车车站或地铁车站公园或大学校园)。裸眼看去只是空荡荡的货架和墙壁通过AR设备看到的则是完整的一个超市，货架上堆满了数字形式的真实商品用户只需通过移动设备扫描商品，添加到网络购物车中即可完成购买。AR购物完成后用户会在家中收到配送的商品。这個概念类似于韩国地铁站里基于二维码的乐天超市但得到了AR技术的增强。

结语：AR是一座比VR还要大的金矿

很多案例已经证明AR技术在职业場合更有用。第一代谷歌眼镜在消费类市场遭遇了失败但在一些小众市场，例如医疗健康领域谷歌眼镜仍被证明非常有用。微软HoloLens的横涳出世让我们感觉到AR还能发挥更大的作用。

AR技术短并不在于游戏或耍酷而是在于满足实际需求的职业应用，这些应用看起来并不是很酷但却更贴近现实。相比于VRAR似乎是一座更大的金矿。

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