增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

用戶對現(xiàn)實(shí)世界感知的新技術(shù)。一般認(rèn)為，AR技術(shù)的出現(xiàn)源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）的發(fā)展，但二者存在明顯的差別。傳統(tǒng)VR技術(shù)給予用戶一種在虛擬世界中完全沉浸的效果，是另外創(chuàng)造一個(gè)世界；而AR技術(shù)則把計(jì)算機(jī)帶入到用戶的真實(shí)世界中，通過聽、看、摸、聞虛擬信息，來增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界的感知，實(shí)現(xiàn)了從“人去適應(yīng)機(jī)器”到技術(shù)“以人為本”的轉(zhuǎn)變。

AR技術(shù)原理

AR從其技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上，可以明確分為大約兩類，一是Vision based AR，即基于計(jì)算機(jī)視覺的AR，二是LBS basedAR，即基于地理位置信息的AR。

Vision based AR

基于計(jì)算機(jī)視覺的AR是利用計(jì)算機(jī)視覺方法建立現(xiàn)實(shí)世界與屏幕之間的映射關(guān)系，使我們想要繪制的圖形或是3D模型可以如同依附在現(xiàn)實(shí)物體上一般展現(xiàn)在屏幕上，如何做到這一點(diǎn)呢？本質(zhì)上來講就是要找到現(xiàn)實(shí)場景中的一個(gè)依附平面，然后再將這個(gè)3維場景下的平面映射到我們2維屏幕上，然后再在這個(gè)平面上繪制你想要展現(xiàn)的圖形，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上可以分為2類：

1、 Marker-Based AR

這種實(shí)現(xiàn)方法需要一個(gè)事先制作好的Marker(例如:繪制著一定規(guī)格形狀的模板卡片或者二維碼），然后把Marker放到現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)位置上，相當(dāng)于確定了一個(gè)現(xiàn)實(shí)場景中的平面，然后通過攝像頭對Marker進(jìn)行識(shí)別和姿態(tài)評估（Pose Estimation），并確定其位置，然后將該Marker中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為Marker Coordinates即模板坐標(biāo)系，我們要做的事情實(shí)際上是要得到一個(gè)變換從而使模板坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，這樣我們根據(jù)這個(gè)變換在屏幕上畫出的圖形就可以達(dá)到該圖形依附在Marker上的效果，理解其原理需要一點(diǎn)3D射影幾何的知識(shí)，從模板坐標(biāo)系變換到真實(shí)的屏幕坐標(biāo)系需要先旋轉(zhuǎn)平移到攝像機(jī)坐標(biāo)系（Camera Coordinates）然后再從攝像機(jī)坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)系。

在實(shí)際的編碼中，所有這些變換都是一個(gè)矩陣，在線性代數(shù)中矩陣代表一個(gè)變換，對坐標(biāo)進(jìn)行矩陣左乘便是一個(gè)線性變換（對于平移這種非線性變換，可以采用齊次坐標(biāo)來進(jìn)行矩陣運(yùn)算）。公式如下：

矩陣C的學(xué)名叫攝像機(jī)內(nèi)參矩陣，矩陣Tm叫攝像機(jī)外參矩陣，其中內(nèi)參矩陣是需要事先進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定得到的，而外參矩陣是未知的，需要我們根據(jù)屏幕坐標(biāo)(xc ,yc)和事先定義好的Marker 坐標(biāo)系以及內(nèi)參矩陣來估計(jì)Tm，然后繪制圖形的時(shí)候根據(jù)Tm來繪制（初始估計(jì)的Tm不夠精確，還需要使用非線性最小二乘進(jìn)行迭代尋優(yōu)），比如使用OpenGL繪制的時(shí)候就要在GL_MODELVIEW的模式下加載Tm矩陣來進(jìn)行圖形顯示。

2、 Marker-Less AR

基本原理與Marker based AR相同，不過它可以用任何具有足夠特征點(diǎn)的物體(例如：書的封面)作為平面基準(zhǔn)，而不需要事先制作特殊的模板，擺脫了模板對AR應(yīng)用的束縛。它的原理是通過一系列算法(如：SURF，ORB，F(xiàn)ERN等)對模板物體提取特征點(diǎn)，并記錄或者學(xué)習(xí)這些特征點(diǎn)。當(dāng)攝像頭掃描周圍場景，會(huì)提取周圍場景的特征點(diǎn)并與記錄的模板物體的特征點(diǎn)進(jìn)行比對，如果掃描到的特征點(diǎn)和模板特征點(diǎn)匹配數(shù)量超過閾值，則認(rèn)為掃描到該模板，然后根據(jù)對應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)估計(jì)Tm矩陣，之后再根據(jù)Tm進(jìn)行圖形繪制(方法與Marker-Based AR類似)。

LBS-Based AR

其基本原理是通過GPS獲取用戶的地理位置，然后從某些數(shù)據(jù)源（比如wiki，google）等處獲取該位置附近物體(如周圍的餐館，銀行，學(xué)校等)的POI信息，再通過移動(dòng)設(shè)備的電子指南針和加速度傳感器獲取用戶手持設(shè)備的方向和傾斜角度，通過這些信息建立目標(biāo)物體在現(xiàn)實(shí)場景中的平面基準(zhǔn)(相當(dāng)于marker)，之后坐標(biāo)變換顯示等的原理與Marker-Based AR類似。

這種AR技術(shù)利用設(shè)備的GPS功能及傳感器來實(shí)現(xiàn)，擺脫了應(yīng)用對Marker的依賴，用戶體驗(yàn)方面要比Marker-Based AR更好，而且由于不用實(shí)時(shí)識(shí)別Marker姿態(tài)和計(jì)算特征點(diǎn)，性能方面也好于Marker-Based AR和Marker-Less AR，因此對比Marker-Based AR和Marker-Less AR，LBS-Based AR可以更好的應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上。