得益于增強現實(AR，augmented reality)技術的發展，在不久的將來，科幻作品中所描繪的情景將有可能變為現實(見圖1)。AR技術誕生于上世紀90年代前半期，現已廣泛應用于電影及電視節目等。例如，通過合成的背景影像使得身在演播室的主持人看上去就像真的置身于大自然一般。除了電視領域以外，AR技術在夜視儀及戰斗機飛行員使用的標靶顯示等軍事應用中也取得較大發展，并在2年前被實際應用于醫療行業。
由此可見，AR技術將會在不久之后深入人們的日常生活。目前，一方面，圖像處理算法越發精煉，所需的運算量也大為減少；另一方面，微處理器及圖形處理單元 (GPU)的性能也得到了飛躍性的提高。以開發了面向AR技術的免費軟件ARToolkit C語言程序庫而知名的日本奈良先端科學技術大學(NAIST)教授加藤博一表示：“現在iPhone的處理能力已經可以與上世紀90年代的工作站相媲美。” 首款消費類AR產品可能會是手機產品，然后，AR技術將在幾年內擴展至家電領域，給人們的日常生活帶來翻天覆地的變化。未來，人們在報刊雜志等紙媒體上也能看到視頻內容，比如早報上來不及刊登的最新消息可以通過動態視頻的方式進行展示；駕車時，標識目的地的箭頭也可以在前方的道路上動態顯示，車載導航儀不再需要專用的顯示屏；家電產品將不再提供印刷版的使用說明書，而是由產品自身根據用戶需要以視頻的方式來顯示相應的操作方法；衣服無需實際試穿，只要站在鏡子前面就能看到試穿后的效果；電視等播放影像的家電也將從屋內消失，取而代之的是貼在墻壁上的二維代碼，只需戴上專用眼鏡就能看到壁掛式電視。 AR：以真實信息為前提 AR技術是一種通過在人們日常看到、聽到或觸摸到的現實世界信息上實時地疊加一些經過計算機加工處理過的信息，以擴展或增強人們的感覺，給人們的活動提供輔助支持的技術。 虛擬現實(VR，virtual reality)技術在1990年前后曾備受關注。AR技術與VR技術之間最根本的差別在于真實信息與虛擬信息的混合比例不同(見圖2)。VR是將人類的視覺等實際信息全部替換為計算機圖形(CG，Computer Graphics)等虛擬信息，而AR則是以真實信息為前提，在其基礎上附加虛擬信息。在AR技術中，虛擬信息所占的比例較小。
也有一部分研究人員通過其它標準來定義AR技術。NAIST大學的加藤博一教授表示：“對于用戶來說，AR技術是一種便利、快速且安全的技術。”也就是說，與如何疊加虛擬信息相比，更為重要的是技術為人類活動所提供的具體支持。 結合五感傳感器的信息 要在實際應用中使用AR技術，還需要由計算機、各種傳感器(作為計算機的視覺、觸覺及其它感官)和用來輸出加工信息的顯示屏等組成的AR接口設備。通過采用不同的傳感器和輸出設備，并利用不同方式進行加工信息與真實信息的疊加，AR技術可被廣泛應用于多種領域。 日本Tonchidot(頓智)公司CEO井口尊仁表示，通過將來自PC及互聯網的信息與人們的實際所見進行疊加，可以在現實空間中產生新的通訊方式。比如，如果將紅外或MRI(核磁共振成像)系統拍攝的肉眼看不見的人體影像疊加到實際可見的人體上，那么就可以透視人體，清晰地看到內部的血管、內臟等。在日常生活中，電器等設備的按鈕上則可以疊加顯示關于該按鈕功能的詳細解釋。 觸覺方面的AR技術已應用于相應產品中，即數碼相機的防抖功能。該功能可用于檢測用戶拍攝時手的振動，并及時對光學鏡頭及圖像進行相應的校正處理。此外，通過手指點擊觸摸屏所產生的振動來反饋觸覺的功能也是AR技術的一種應用。通常情況下，使用者點擊觸摸屏時的位置是否正確是通過眼睛來判斷的，但這對于盲人來說很難實現，如果可以根據振動來分辨觸摸位置是否正確，那么就可以用手來代替眼睛，實現同樣的功能。 如果同聲傳譯也無需人的介入，只通過電腦即可實現的話，那么AR技術就相當于強化了人的聽覺及語言能力。大阪大學信息科學研究科生物信息專業的前田太郎教授還開發了前庭(平衡)感覺方面的AR技術，可以控制人的行走，使行人能夠在無意識的狀態下避開汽車。 視覺AR的開發先行一步 開發工作較為領先的是與視覺相關的AR接口(見圖3)。根據影像輸出設備的不同，此類AR接口可分為四大類：PC顯示器、手機、眼鏡型頭戴顯示器 (HMD，head mounted display)、投影儀。這四類AR接口中都集成了用作傳感器的攝像頭，并具有一定的圖像處理功能。 其中，PC顯示器將來有可能具備目前的梳妝鏡功能。東京大學信息學科的歷本純一教授表示：“顯示器可以用作具有AR功能的鏡子。通過在鏡子中的影像上疊加一些加工信息，即可以模擬出化妝或試穿某件衣服后的效果，甚至還可以將自己的高爾夫揮桿動作與Tiger Woods的動作進行比較。” 而手機則是現在最接近普及的AR接口。大多數多功能手機中都已經集成了攝像頭、GPS、地磁傳感器及加速度傳感器等，因此，現在很多廠商都正在開發面向這些功能的軟件，用來在位置信息的基礎上疊加來自互聯網的各種相關信息，并顯示到終端屏幕上。目前可使用的服務包括日本Mapion公司的DGRadar與澳大利亞Mobilizy公司的Wikitude(見圖4)。
上述面向手機的應用主要是根據用戶所在位置的相關信息與手機攝像頭所拍攝的景象來合成相關信息。雖然這些合成的信息仍然通過互聯網獲得，但其與以往通過搜索引擎獲得信息的方式已大為不同：用戶無需使用鍵盤或鼠標來進行網絡搜索，只有那些與用戶當前位置相關的信息才會被顯示在屏幕上。 強化視覺效果 如果HMD與投影儀等AR接口能夠獲得廣泛應用，那么其所帶來的影響將超過顯示屏與手機，為人們的生活帶來完全不同的體驗(見圖5)。
HMD不僅能夠實現PC顯示器與手機的所有功能，而且還可以展示出更為直觀的視覺效果。但是，開發HMD需要采用非常先進的技術。對日常生活中可使用的HMD的開發工作剛剛起步，要想實現易于使用的實際產品尚需一段時日。 投影儀AR接口的實現相對較為容易。許多系統都可以在實際的拍攝對象上直接疊加虛擬影像。目前已有相關產品實際應用于醫療領域。美國Luminetx公司的VeinViewer可將紅外攝像頭所拍攝的靜脈圖像經過圖像處理加工后再投影到人手上。慶應義塾大學媒體外觀設計研究科教授稻見昌彥表示：“采用該產品后，即使是那些經驗不足的護士也可以很容易地找到靜脈位置，從而能夠減少操作失誤。” 利用AR接口整合家電 這些AR技術將會大大改變未來的家電形態。Tonchidot公司的井口尊仁認為，隨著AR的普及，家電產品將會逐漸被取代而消失。他表示：“按鈕等家電接口完全可以采用AR接口來代替，而HDD錄像機等設備的存儲功能也可以用云計算來代替。”說消失或許過于夸張，但家電的機箱外殼可能真的將不復存在。 上述預測中的關鍵點在于真實信息與虛擬信息的混合比例(見圖7)。如前所述，與VR技術相比，AR中真實信息的比例較高，但某些方面虛擬內容的比例可能會很高。
具體來說，AR技術最初應用于家電時，其可能只是用于顯示附加信息，以取代產品的使用說明書。但是，隨著AR技術越來越易于使用，在疊加信息中，作為基礎的真實信息的重要性會降低。也就是說，家電硬件接口的作用會越來越小。比如，不光是電視的按鈕，就連電視的顯示功能也可以利用AR接口來實現。慶應義塾大學的稻見昌彥表示：“AR技術將會實現以往硬件接口的虛擬化。” 首先從游戲開始 在2009年電子娛樂展覽會“Electronic Entertainment Expo(E3)”上，索尼計算機娛樂公司(SCE)及微軟公司均展示了與AR相關的技術，而麻省理工學院(MIT)媒體實驗室等也正在進行AR技術的開發，從這些實際進展中可以看出，家電硬件的逐漸消失并不是荒誕無稽的預測(見圖8)。
具體來說，SCE公司在E3展會上進行了游戲控制器的演示，可以通過AR技術在控制器的位置上重疊顯示網球拍的影像。與實際具有網球拍形狀的遙控器相比，AR技術大大縮小了硬件的體積。SCE計劃于2010年春推出該款產品。 微軟公司也展示了其全新的游戲交互系統Project NATAL。該系統無需使用遙控器，僅通過游戲者的不同動作就可以控制游戲。它們都將顯示屏用作AR接口。微軟公司將于2010年推出該系統。 房間內所有家電的虛擬化 在家電接口的虛擬化方面，還有更先進的開發實例，這就是在2009年8月舉辦的CG學會“SIGGRAPH 2009”上，由MIT媒體實驗室、東京大學、慶應義塾大學等共同發布的CRISTAL(control of remotely interfaced systems using touch-based actions in living spaces)系統。這套系統實現了整個房間內所有家電的虛擬化，并且可以實現對家電的操作。 CRISTAL通過安裝在天花板的攝像頭與投影儀在白色的桌面上投影出整個房間的俯視影像。攝像頭可以檢測到用戶觸摸各家電圖像的動作，并根據動作控制相應的家電。也就是說，投影在桌面上的家電產品的圖像相當于PC屏幕上的圖標，通過點擊便可以執行操作。慶應義塾大學的稻見昌彥表示：“目前為止，AR技術只是用于疊加影像，但CRISTAL則可以通過處理后的影像來控制現實中的設備。” 手指成為取景器 在基于投影儀的AR接口方面，使用實例有MIT媒體實驗室于2009年2月發布的Sixth Sense。該系統由掛在用戶脖子上的小型投影儀、攝像頭和放在用戶口袋中的手機、耳機及有顏色的指套組成。指套的排列形狀是AR的標識，決定了動作的種類及要疊加的信息。系統總成本僅為350美元。 例如，當用戶用手指框住一處美麗的風景時，此時指套的排列形狀會使系統處于拍攝模式，手指圍成的方框就是相機的取景框，系統會自動按下快門，完成拍照。另外，當用戶將手掌伸到投影儀下面時，手上便會顯示手機鍵盤，攝像頭能夠檢測出哪些鍵被按下，并進行手機撥號。相機、手機及其它功能都通過AR接口實現，用戶的手就可以用作統一的接口。 作者：《日經電子》記者 野澤哲生 來源:電子設計應用2009年第11期 |
