2015年1月22日，微軟向全世界發(fā)布了其應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新產(chǎn)品—— 全息透鏡(Microsoft HoloLens)，引發(fā)了全球科技愛好者們掀起一場(chǎng)新的狂歡。近兩年來，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品越來越讓人驚艷：可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以發(fā)揮作用的舞臺(tái)越來越大。雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處在成長(zhǎng)期，但其實(shí)早已有許多專注于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的公司深耕于此，如索尼早在 1994 年就在二維碼的基礎(chǔ)上開始了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)，推出“Smart AR”智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并成功用于電子游戲和手機(jī)攝像頭。目前，國(guó)內(nèi)已有幾家安防廠商將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控?cái)z像。

　　從虛擬現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)就是根據(jù)當(dāng)前位置(GPS)，和視野朝向(指南針)及手機(jī)朝向(方向傳感器/陀螺儀)，在實(shí)景中(攝像頭)投射出相關(guān)信息并在顯示設(shè)備(屏幕)里展示。其實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于投影矩陣的獲取。

　　技術(shù)的發(fā)展不是突進(jìn)的，而是漸進(jìn)式發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)離不開虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的技術(shù)，生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。典型的VR 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)虛擬世界的生成和人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn);輸入輸出設(shè)備負(fù)責(zé)識(shí)別用戶各種形式的輸入并實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的反饋信息;應(yīng)用軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、行為模型的建立，三維虛擬立體聲的生成，模型管理及實(shí)時(shí)顯示等;數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放整個(gè)虛擬世界中所有物體的各個(gè)方面的信息。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于其交互性上。三維動(dòng)畫技術(shù)是依靠計(jì)算機(jī)預(yù)先處理好的路徑上所能看見的靜止照片連續(xù)播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用戶想看什么地方就能看到什么地方，用戶只能按照設(shè)計(jì)師預(yù)先固定好的一條線路去看某些場(chǎng)景，用戶是被動(dòng)的;而VR 技術(shù)則通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景，根據(jù)用戶的需要把整個(gè)空間中所有的信息真實(shí)地提供給用戶，用戶可依自己的路線行走，計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)景，真正做到“想得到，就看得到”。根據(jù)VR技術(shù)對(duì)沉浸程度的高低和交互程度的不同，將VR系統(tǒng)劃分了4種類型：沉浸式VR 系統(tǒng)、桌面式VR系統(tǒng)、增強(qiáng)式VR 系統(tǒng)、分布式VR 系統(tǒng)。

　　而增強(qiáng)式VR 系統(tǒng)簡(jiǎn)稱增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality)，它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)。AR中真實(shí)物體和虛擬物體與用戶環(huán)境必須無縫結(jié)合在一起，而且真實(shí)物體和虛擬物體之間還要能夠進(jìn)行交互，這樣才能實(shí)現(xiàn)真正的虛實(shí)融合。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維定向的新特點(diǎn)。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要有顯示技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、界面和可視化技術(shù)、標(biāo)定技術(shù)構(gòu)成。

　　跟蹤和定位技術(shù)與標(biāo)定技術(shù)共同完成對(duì)位置與方位的檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)報(bào)告給AR 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被跟蹤對(duì)象在真實(shí)世界里的坐標(biāo)與虛擬世界中的坐標(biāo)統(tǒng)一，達(dá)到讓虛擬物體與用戶環(huán)境無縫結(jié)合的目標(biāo)。

　　為了生成準(zhǔn)確定位，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的標(biāo)定，測(cè)量值包括攝像機(jī)參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對(duì)象定位以及變形等。

　　以智能手機(jī)為例，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)就是根據(jù)當(dāng)前位置(GPS)，和視野朝向(指南針)及手機(jī)朝向(方向傳感器/陀螺儀)，在實(shí)景中(攝像頭)投射出相關(guān)信息并在顯示設(shè)備(屏幕)里展示。其實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于投影矩陣的獲取。當(dāng)然，在實(shí)際開發(fā)的時(shí)候其實(shí)android系統(tǒng)已經(jīng)將投影矩陣封裝的比較好了，可以通過接口直接獲取投影矩陣，然后將相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算成相應(yīng)的坐標(biāo)就可以了。

　　移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤手機(jī)在真實(shí)場(chǎng)景中的位置及姿態(tài)，并根據(jù)這些信息計(jì)算出虛擬物體在攝像機(jī)中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)虛擬物體畫面與真實(shí)場(chǎng)景畫面精準(zhǔn)匹配，所以，registration(即手機(jī)的空間位置和姿態(tài))的性能是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

　　對(duì)固定攝像機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，主要由圖像采集系統(tǒng)和觀察顯示系統(tǒng)合在一起構(gòu)成了望遠(yuǎn)筒式結(jié)構(gòu)，體積相對(duì)龐大。為了減小系統(tǒng)的體積和重量，在設(shè)計(jì)中將這兩部分分離，攝像機(jī)系統(tǒng)仍然通過支架固定，而觀察系統(tǒng)改為手持式設(shè)備或者頭盔顯示器，這樣就省去了望遠(yuǎn)筒結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)連接部分和支撐部分，支架承受的重量也會(huì)大大減少。由于改用了較為輕便的結(jié)構(gòu)，整套系統(tǒng)的維護(hù)和使用更加方便。在系統(tǒng)中采用雙攝像機(jī)拍攝真實(shí)場(chǎng)景，并結(jié)合虛擬模型的立體成像實(shí)現(xiàn)了立體視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果，使系統(tǒng)的實(shí)用性得到大幅提升，非常適用于在安防監(jiān)控中使用。

　　安防監(jiān)控中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件

　　通過使用電機(jī)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)攝像機(jī)的角度，同時(shí)使用可以固定在用戶頭部的跟蹤器才能實(shí)時(shí)測(cè)量觀察者的頭部運(yùn)動(dòng)。

　　硬件系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，所有的圖像、數(shù)據(jù)最后都會(huì)被匯總到這里，因此計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，包括慣性跟蹤器測(cè)量結(jié)果的處理，隨動(dòng)電機(jī)平臺(tái)的控制，虛擬世界的建立，虛擬攝像機(jī)的控制，立體圖像的生成，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的實(shí)現(xiàn)，等等。

　　頭盔式顯示器。頭盔式顯示器是系統(tǒng)的顯示輸出設(shè)備，計(jì)算機(jī)常渲染后的帶有立體視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像會(huì)被輸出到它上面供用戶觀察，因此頭盔式顯示器也是系統(tǒng)中和觀察者具有最直接聯(lián)系的設(shè)備，用戶沉浸感的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于頭盔顯示器的成像質(zhì)量和配帶感覺上，而不是計(jì)算機(jī)渲染出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。所以頭盔式顯示器在保證輸出圖像沒有畸變的前提下，整體的體積越輕薄越好。

　　慣性跟蹤器。用來測(cè)量觀測(cè)者的頭部運(yùn)動(dòng)情況并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備以及虛實(shí)攝像機(jī)之間的匹配，所有設(shè)備公用慣性跟蹤器的測(cè)量結(jié)果，因此慣性跟蹤器相當(dāng)于系統(tǒng)中的主控元件，其精度直接影響整套系統(tǒng)的精度。

　　隨動(dòng)電機(jī)平臺(tái)。該平臺(tái)完成系統(tǒng)的真實(shí)場(chǎng)景采集任務(wù)，由雙攝像機(jī)系統(tǒng)、隨動(dòng)平臺(tái)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。雙攝像機(jī)系統(tǒng)固定在隨動(dòng)平臺(tái)上，與隨動(dòng)平臺(tái)保持相對(duì)固定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)獲得觀察者的頭部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分析計(jì)算出攝像機(jī)系統(tǒng)需要拍攝的方向并發(fā)送信號(hào)給電機(jī)，電機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)的要求驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)攝像機(jī)系統(tǒng)改變圖像采集方向。

　　軟件系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，在處理相關(guān)數(shù)據(jù)后，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和距離，發(fā)送控制信號(hào)給平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的真實(shí)攝像機(jī)改變拍攝方向。

　　與此同時(shí)，隨動(dòng)平臺(tái)將其當(dāng)前位置反饋給計(jì)算機(jī)，作為計(jì)算機(jī)下一次計(jì)算的參考量，從而形成閉環(huán)控制。

　　為了使最后的虛實(shí)圖像能夠匹配，計(jì)算機(jī)在控制隨動(dòng)電機(jī)平臺(tái)的同時(shí)還需要對(duì)虛擬計(jì)算機(jī)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使虛實(shí)計(jì)算機(jī)的拍攝角度始終保持一致。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，每一幀圖像都被傳送給計(jì)算機(jī)，這些圖像經(jīng)過渲染與融合后生成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的立體圖像，并被輸出到頭盔顯示器上供用戶觀看。

　　在上述過程中，軟件系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，可以分為離線和實(shí)時(shí)兩個(gè)階段。在離線階段需要對(duì)真實(shí)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)計(jì)算頭盔式顯示器的畸變，生成畸變校正貼圖。

　　對(duì)真實(shí)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定是為建立虛擬世界、設(shè)置虛擬景物服務(wù)的。繪制畸變校正圖像主要是用來調(diào)整需要顯示到頭盔顯示器上的圖像，使它們?cè)陲@示前產(chǎn)生桶形畸變，這樣在經(jīng)過頭盔顯示器的枕形畸變后，又會(huì)恢復(fù)到正常比例提供給用戶觀看。而且，在得到畸變校正貼圖后，就可以將圖像修正的工作放到GPU中進(jìn)行，從而能在很大程度上減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的速度。

　　在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，一方面需要跟蹤用戶的頭部運(yùn)動(dòng)，調(diào)整虛實(shí)攝像機(jī)的拍攝方向，另一方面需要采集虛實(shí)攝像機(jī)的圖像，進(jìn)行渲染和圖像融合，最后輸出供用戶觀看的圖像。這兩部分的軟件相對(duì)獨(dú)立，因此在不同的線程中進(jìn)行。

　　結(jié)束語

　　目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還未普及和規(guī)?；l(fā)展，但其應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越廣，從工業(yè)領(lǐng)域逐漸延伸到了醫(yī)療、娛樂、互動(dòng)和游戲等諸多方面，特別受到了廣告?zhèn)髅叫袠I(yè)的熱捧，未來發(fā)展空間極大。而隨著技術(shù)、內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景的有效融合，以及硬件性能的發(fā)展和可穿戴設(shè)備的崛起，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安防監(jiān)控中將發(fā)揮出極大的作用。