增强现实技术的概念

增强现实，简称AR，是虚拟现实，简称VR技术的一个重要分支，也是近几年来的研究热点。虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，使用者无法感知到周围的真实世界，是一个全新的虚拟世界，而增强现实技术是虚拟的物体叠加到真实世界，让学习者通过平板等移动设备在虚拟融合的环境中学习、互动，感知真实世界和虚拟世界的共同存在。增强现实很早是由波音公司的Tom Cauden等人所提出。

HRL实验室的Ronald Azuma是这样定义增强现实的：虚实结合、实时交互、三维注册。即增强现实技术借助视频、音频和用户进行交互，为用户提供了体验三维的虚拟环境。JamesR Vallion在其博士论文中提出：增强现实技术是将合成的感觉信息融合进用户对真实世界的感知中。增强现实技术不是把真实场景与用户隔离，而是利用给予附加图形或者文字信息，对周围的真实场景动态进行增强。在增强现实环境下，用户可以看到真实环境场景的同时，也能看到计算机系统产生的增强信息。

由此可见，增强现实是通过计算机系统生成的虚拟信息、场景与用户所看到的真实场景叠加融合而成，实现了虚拟物体和真实场景的交互和融合，虚拟物体对真实场景起增强作用，从而提高学生对真实场景的感觉和认识。

增强现实技术的关键技术

增强现实是一门新兴的、涵盖范围很广的前沿技术。通过增强现实，学生能在虚拟影像的指导下接触并操作真实物体。在技术方面，增强现实是以图形叠加的形式将虚拟物体置于真实的环境中。建立一个增强现实系统需要结合多种关键技术，主要包括：显示技术、跟踪注册术、虚实融合技术与人机交互技术。

（1）显示技术（主要指的是显示设备）。显示技术是增强现实系统中比较基本的关键技术之一，其非常基本的问题在于实现虚拟物体和真实环境的融合。它建立在视觉成像原理基础之上通过将真实的场景投射到人类的视网膜上，以实现虚拟物体和真实场景的叠加，主要输出媒体是图形和图像。

（2）跟踪注册技术。增强现实系统需要虚拟空间坐标系和真实环境空间坐标系无缝融合，准确定位并跟踪用户，以确定三维场景中的虚拟物体的准确位置，这个准确定位的过程称之为注册（Regisitration）。由于观察者的位置不断在发生变化，系统会自动根据观察者当前的位置从当前场景重新获取空间数据，通过精确的几何投影将虚拟场景投影至观察者的视域范围。增强现实系统必须实时地检测摄像头的位置、角度及运动方向，帮助系统决定显示虚拟信息，并按照摄像头的视场建立坐标系，这个过程称为跟踪。注册跟踪的方法主要包括两种：基于硬件设备的方法和基于视频处理的方法。

（3）虚实融合技术。虚实融合技术能够自动获取环境的光照和反射信息，根据真实的场景图像折射出真实的光源数目、光照的方向等，使得虚拟物体与真实环境更发真实，融为一体。

（4）人机交互技术。增强现实系统终极目标是用户与虚实环境之间三维世界的交互。该系统通过跟踪定位设备获取相关数据，确定执行者发出的行动指令，根据指令做出相应的信息反馈。

增强现实技术的实现流程

增强现实技术系统中，通过显示技术、跟踪注册技术、虚实融合技术和人体交互技术等关键技术，实现虚拟场景和真实环境的融合，增强现实技术通过大量数据分析和对实时物体进行跟踪，借助计算机将虚拟物体精确定位到真实场景中。增强现实技术的实现流程共有4个步骤：①捕获真实场景；②分析真实场景和相机位置信息；③生成虚拟对象；④合并图像流生成虚拟融合场景。

增强现实技术与虚拟现实技术的联系与区别

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境的感觉。交互式视景仿真和信息交流是一种先进的数字化人机接口技术。它的三个主要特征是：沉浸感、交互性、构想性。分布式虚拟环境则是虚拟环境和网络通信技术的结合体，它提供了一个共享虚拟空间，可以通过计算机网络支持对象的仿真以及多个分布用户之间的交互和通信。                  

增强现实，简称AR，它是随着虚拟现实技术的发展而产生的，两者存在着不可分割的密切关系，但也有显著的差别。虚拟现实只是构造一种有具沉浸感的环境，完全替代了真实世界。而增强现实与增强虚境则是对现实世界的补充，它通过视觉、听觉、触觉等手段，使虚拟信息从用户的感官上成为真实世界的一部分。

美国学者Milgram等人根据计算机生成信息的比例大小定义了一个从虚拟世界到真实世界的连续体。

Milgram 详细地阐述了现实世界与虚拟世界之间的过渡关系，将合成对象融入图像场景的技术称为增强现实；将图像对象融入合成场景，称为增强虚拟；将增强现实和增强虚拟进一步混合，称为混合现实。混合现实技术处理的范围非常宽泛，它包括图像融合、虚拟场景生成等非实时完成的应用，增强现实技术则侧重于实时方法的研究。

另外，计算机图形学在虚拟现实和增强现实中起的作用是不一样的，虚拟现实要求给用户已完全的沉浸感，因此计算机图形必须尽可能的模拟真实场景中的环境，用户所看到的全部内容都由计算机控制现实，用户完全沉浸在计算机所生成的虚拟场景中，看不到真实的场景。而增强现实的目的则是把计算机产生的虚拟场景无缝融合到用户所能观察到的真实世界当中。使用增强现实技术可以增强用户的视觉感受，延伸用户视觉系统的功能，并能通过多种方式与真实和虚拟融合的环境进行交互。增强现实技术与虚拟现实技术相比，前者对硬件要求更低，却有着更高的注册精度和更具视觉冲击力的真实感。