得益于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR，augmented reality)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，科幻作品中所描繪的情景將有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)(見圖1)。AR技術(shù)誕生于上世紀(jì)90年代前半期，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電影及電視節(jié)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(lǐng)域以外，AR技術(shù)在夜視儀及戰(zhàn)斗機(jī)飛行員使用的標(biāo)靶顯示等軍事應(yīng)用中也取得較大發(fā)展，并在2年前被實(shí)際應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。
由此可見，AR技術(shù)將會(huì)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(fā)精煉，所需的運(yùn)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(fā)了面向AR技術(shù)的免費(fèi)軟件ARToolkit C語言程序庫而知名的日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)(NAIST)教授加藤博一表示：“現(xiàn)在iPhone的處理能力已經(jīng)可以與上世紀(jì)90年代的工作站相媲美。” 首款消費(fèi)類AR產(chǎn)品可能會(huì)是手機(jī)產(chǎn)品，然后，AR技術(shù)將在幾年內(nèi)擴(kuò)展至家電領(lǐng)域，給人們的日常生活帶來翻天覆地的變化。未來，人們?cè)趫?bào)刊雜志等紙媒體上也能看到視頻內(nèi)容，比如早報(bào)上來不及刊登的最新消息可以通過動(dòng)態(tài)視頻的方式進(jìn)行展示；駕車時(shí)，標(biāo)識(shí)目的地的箭頭也可以在前方的道路上動(dòng)態(tài)顯示，車載導(dǎo)航儀不再需要專用的顯示屏；家電產(chǎn)品將不再提供印刷版的使用說明書，而是由產(chǎn)品自身根據(jù)用戶需要以視頻的方式來顯示相應(yīng)的操作方法；衣服無需實(shí)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(nèi)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(shí)信息為前提 AR技術(shù)是一種通過在人們?nèi)粘？吹�、聽到或觸摸到的現(xiàn)實(shí)世界信息上實(shí)時(shí)地疊加一些經(jīng)過計(jì)算機(jī)加工處理過的信息，以擴(kuò)展或增強(qiáng)人們的感覺，給人們的活動(dòng)提供輔助支持的技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，virtual reality)技術(shù)在1990年前后曾備受關(guān)注。AR技術(shù)與VR技術(shù)之間最根本的差別在于真實(shí)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(shí)際信息全部替換為計(jì)算機(jī)圖形(CG，Computer Graphics)等虛擬信息，而AR則是以真實(shí)信息為前提，在其基礎(chǔ)上附加虛擬信息。在AR技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)來定義AR技術(shù)。NAIST大學(xué)的加藤博一教授表示：“對(duì)于用戶來說，AR技術(shù)是一種便利、快速且安全的技術(shù)�！币簿褪钦f，與如何疊加虛擬信息相比，更為重要的是技術(shù)為人類活動(dòng)所提供的具體支持。 結(jié)合五感傳感器的信息 要在實(shí)際應(yīng)用中使用AR技術(shù)，還需要由計(jì)算機(jī)、各種傳感器(作為計(jì)算機(jī)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(shè)備。通過采用不同的傳感器和輸出設(shè)備，并利用不同方式進(jìn)行加工信息與真實(shí)信息的疊加，AR技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。 日本Tonchidot(頓智)公司CEO井口尊仁表示，通過將來自PC及互聯(lián)網(wǎng)的信息與人們的實(shí)際所見進(jìn)行疊加，可以在現(xiàn)實(shí)空間中產(chǎn)生新的通訊方式。比如，如果將紅外或MRI(核磁共振成像)系統(tǒng)拍攝的肉眼看不見的人體影像疊加到實(shí)際可見的人體上，那么就可以透視人體，清晰地看到內(nèi)部的血管、內(nèi)臟等。在日常生活中，電器等設(shè)備的按鈕上則可以疊加顯示關(guān)于該按鈕功能的詳細(xì)解釋。 觸覺方面的AR技術(shù)已應(yīng)用于相應(yīng)產(chǎn)品中，即數(shù)碼相機(jī)的防抖功能。該功能可用于檢測(cè)用戶拍攝時(shí)手的振動(dòng)，并及時(shí)對(duì)光學(xué)鏡頭及圖像進(jìn)行相應(yīng)的校正處理。此外，通過手指點(diǎn)擊觸摸屏所產(chǎn)生的振動(dòng)來反饋觸覺的功能也是AR技術(shù)的一種應(yīng)用。通常情況下，使用者點(diǎn)擊觸摸屏?xí)r的位置是否正確是通過眼睛來判斷的，但這對(duì)于盲人來說很難實(shí)現(xiàn)，如果可以根據(jù)振動(dòng)來分辨觸摸位置是否正確，那么就可以用手來代替眼睛，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的話，那么AR技術(shù)就相當(dāng)于強(qiáng)化了人的聽覺及語言能力。大阪大學(xué)信息科學(xué)研究科生物信息專業(yè)的前田太郎教授還開發(fā)了前庭(平衡)感覺方面的AR技術(shù)，可以控制人的行走，使行人能夠在無意識(shí)的狀態(tài)下避開汽車。 視覺AR的開發(fā)先行一步 開發(fā)工作較為領(lǐng)先的是與視覺相關(guān)的AR接口(見圖3)。根據(jù)影像輸出設(shè)備的不同，此類AR接口可分為四大類：PC顯示器、手機(jī)、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(xué)信息學(xué)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(dòng)作與Tiger Woods的動(dòng)作進(jìn)行比較。” 而手機(jī)則是現(xiàn)在最接近普及的AR接口。大多數(shù)多功能手機(jī)中都已經(jīng)集成了攝像頭、GPS、地磁傳感器及加速度傳感器等，因此，現(xiàn)在很多廠商都正在開發(fā)面向這些功能的軟件，用來在位置信息的基礎(chǔ)上疊加來自互聯(lián)網(wǎng)的各種相關(guān)信息，并顯示到終端屏幕上。目前可使用的服務(wù)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(jī)的應(yīng)用主要是根據(jù)用戶所在位置的相關(guān)信息與手機(jī)攝像頭所拍攝的景象來合成相關(guān)信息。雖然這些合成的信息仍然通過互聯(lián)網(wǎng)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(biāo)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，只有那些與用戶當(dāng)前位置相關(guān)的信息才會(huì)被顯示在屏幕上。 強(qiáng)化視覺效果 如果HMD與投影儀等AR接口能夠獲得廣泛應(yīng)用，那么其所帶來的影響將超過顯示屏與手機(jī)，為人們的生活帶來完全不同的體驗(yàn)(見圖5)。
HMD不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PC顯示器與手機(jī)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(fā)HMD需要采用非常先進(jìn)的技術(shù)。對(duì)日常生活中可使用的HMD的開發(fā)工作剛剛起步，要想實(shí)現(xiàn)易于使用的實(shí)際產(chǎn)品尚需一段時(shí)日。 投影儀AR接口的實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為容易。許多系統(tǒng)都可以在實(shí)際的拍攝對(duì)象上直接疊加虛擬影像。目前已有相關(guān)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。美國(guó)Luminetx公司的VeinViewer可將紅外攝像頭所拍攝的靜脈圖像經(jīng)過圖像處理加工后再投影到人手上。慶應(yīng)義塾大學(xué)媒體外觀設(shè)計(jì)研究科教授稻見昌彥表示：“采用該產(chǎn)品后，即使是那些經(jīng)驗(yàn)不足的護(hù)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(shù)將會(huì)大大改變未來的家電形態(tài)。Tonchidot公司的井口尊仁認(rèn)為，隨著AR的普及，家電產(chǎn)品將會(huì)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(jī)等設(shè)備的存儲(chǔ)功能也可以用云計(jì)算來代替�！闭f消失或許過于夸張，但家電的機(jī)箱外殼可能真的將不復(fù)存在。 上述預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵點(diǎn)在于真實(shí)信息與虛擬信息的混合比例(見圖7)。如前所述，與VR技術(shù)相比，AR中真實(shí)信息的比例較高，但某些方面虛擬內(nèi)容的比例可能會(huì)很高。
具體來說，AR技術(shù)最初應(yīng)用于家電時(shí)，其可能只是用于顯示附加信息，以取代產(chǎn)品的使用說明書。但是，隨著AR技術(shù)越來越易于使用，在疊加信息中，作為基礎(chǔ)的真實(shí)信息的重要性會(huì)降低。也就是說，家電硬件接口的作用會(huì)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(shí)現(xiàn)。慶應(yīng)義塾大學(xué)的稻見昌彥表示：“AR技術(shù)將會(huì)實(shí)現(xiàn)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(huì)“Electronic Entertainment Expo(E3)”上，索尼計(jì)算機(jī)娛樂公司(SCE)及微軟公司均展示了與AR相關(guān)的技術(shù)，而麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室等也正在進(jìn)行AR技術(shù)的開發(fā)，從這些實(shí)際進(jìn)展中可以看出，家電硬件的逐漸消失并不是荒誕無稽的預(yù)測(cè)(見圖8)。
具體來說，SCE公司在E3展會(huì)上進(jìn)行了游戲控制器的演示，可以通過AR技術(shù)在控制器的位置上重疊顯示網(wǎng)球拍的影像。與實(shí)際具有網(wǎng)球拍形狀的遙控器相比，AR技術(shù)大大縮小了硬件的體積。SCE計(jì)劃于2010年春推出該款產(chǎn)品。 微軟公司也展示了其全新的游戲交互系統(tǒng)Project NATAL。該系統(tǒng)無需使用遙控器，僅通過游戲者的不同動(dòng)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(tǒng)。 房間內(nèi)所有家電的虛擬化 在家電接口的虛擬化方面，還有更先進(jìn)的開發(fā)實(shí)例，這就是在2009年8月舉辦的CG學(xué)會(huì)“SIGGRAPH 2009”上，由MIT媒體實(shí)驗(yàn)室、東京大學(xué)、慶應(yīng)義塾大學(xué)等共同發(fā)布的CRISTAL(control of remotely interfaced systems using touch-based actions in living spaces)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)房間內(nèi)所有家電的虛擬化，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)房間的俯視影像。攝像頭可以檢測(cè)到用戶觸摸各家電圖像的動(dòng)作，并根據(jù)動(dòng)作控制相應(yīng)的家電。也就是說，投影在桌面上的家電產(chǎn)品的圖像相當(dāng)于PC屏幕上的圖標(biāo)，通過點(diǎn)擊便可以執(zhí)行操作。慶應(yīng)義塾大學(xué)的稻見昌彥表示：“目前為止，AR技術(shù)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(xiàn)實(shí)中的設(shè)備�！� 手指成為取景器 在基于投影儀的AR接口方面，使用實(shí)例有MIT媒體實(shí)驗(yàn)室于2009年2月發(fā)布的Sixth Sense。該系統(tǒng)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(jī)、耳機(jī)及有顏色的指套組成。指套的排列形狀是AR的標(biāo)識(shí)，決定了動(dòng)作的種類及要疊加的信息。系統(tǒng)總成本僅為350美元。 例如，當(dāng)用戶用手指框住一處美麗的風(fēng)景時(shí)，此時(shí)指套的排列形狀會(huì)使系統(tǒng)處于拍攝模式，手指圍成的方框就是相機(jī)的取景框，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按下快門，完成拍照。另外，當(dāng)用戶將手掌伸到投影儀下面時(shí)，手上便會(huì)顯示手機(jī)鍵盤，攝像頭能夠檢測(cè)出哪些鍵被按下，并進(jìn)行手機(jī)撥號(hào)。相機(jī)、手機(jī)及其它功能都通過AR接口實(shí)現(xiàn)，用戶的手就可以用作統(tǒng)一的接口。 作者：《日經(jīng)電子》記者 野澤哲生 來源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第11期 |
