王凌云　湯敏麗

摘要：文章旨在探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢和創(chuàng)新挑戰(zhàn)。首先，介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，包括計算機(jī)視覺、3D建模與渲染、跟蹤和定位技術(shù)，以及人機(jī)交互技術(shù)等。其次，分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢，指出隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展以及新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。最后，總結(jié)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在技術(shù)難題、法規(guī)與政策以及用戶接受度等方面的挑戰(zhàn)。文章指出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向和需要解決的技術(shù)難題，為未來的研究提供了思路和方向。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展創(chuàng)新

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0107-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界相結(jié)合的技術(shù)。通過計算機(jī)視覺和傳感技術(shù)，它將數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界中，以提供額外的信息和視覺體驗。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢正在改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞健?/p>

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)90 年代，當(dāng)時這項技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)擴(kuò)展到各個領(lǐng)域，包括教育、娛樂、醫(yī)療、工業(yè)等。在教育領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于模擬實(shí)驗、虛擬演示和交互式教程；在娛樂領(lǐng)域，它可以用于游戲、電影和音樂會；在醫(yī)療領(lǐng)域，可以用于手術(shù)模擬、康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)教育；在工業(yè)領(lǐng)域，可以用于生產(chǎn)流程模擬、機(jī)械維護(hù)和質(zhì)量控制。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越重要的作用，既可以豐富人們的日常生活，也可以推動產(chǎn)業(yè)升級，催生新的商業(yè)模式，對于提升國家在國際競爭中的科技實(shí)力具有重要意義。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 計算機(jī)視覺

計算機(jī)視覺作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)之一，發(fā)揮著舉足輕重的作用。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，計算機(jī)視覺的主要任務(wù)包括：首先，通過對真實(shí)世界的圖像進(jìn)行采集和處理，識別和檢測現(xiàn)實(shí)場景中的物體，如人臉、手勢、文字等，提取出有用的信息。其次，將虛擬信息與真實(shí)世界的圖像進(jìn)行匹配和注冊，實(shí)時跟蹤設(shè)備的位置和姿態(tài)，以提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。最后，分析現(xiàn)實(shí)場景的結(jié)構(gòu)、布局和光照等因素，以便在虛擬場景中構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相融合的虛擬物體。計算機(jī)視覺可以幫助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備更好地理解和感知周圍環(huán)境，以適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)。

1.2 3D 建模與渲染

3D建模和渲染是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，3D建模與渲染的主要任務(wù)包括：首先，通過對真實(shí)世界物體進(jìn)行采集和測量，建立3D模型。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備需要將虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合，使虛擬物體具有真實(shí)感。這需要通過渲染技術(shù)對虛擬物體進(jìn)行光照、陰影和反射等效果處理。最后，將渲染后的虛擬物體與真實(shí)世界的場景進(jìn)行匹配和注冊，以便在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中顯示和交互。3D建模和渲染讓虛擬信息與真實(shí)世界更加融合，提高用戶體驗和交互性。

1.3 實(shí)時跟蹤與定位

實(shí)時跟蹤與定位技術(shù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，實(shí)時跟蹤與定位的主要任務(wù)包括：首先，通過對真實(shí)世界的圖像和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，提取出有用的信息；其次，利用計算機(jī)視覺和傳感器技術(shù)，對真實(shí)世界中的物體和場景進(jìn)行識別和跟蹤[2]；最后，根據(jù)跟蹤結(jié)果和傳感器數(shù)據(jù)，對虛擬信息進(jìn)行實(shí)時定位和更新。實(shí)時跟蹤與定位可以精確地確定虛擬對象在現(xiàn)實(shí)世界中的位置，在現(xiàn)實(shí)世界中創(chuàng)建更具沉浸感的虛擬環(huán)境。

1.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的重要支撐技術(shù)[3-4]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，人機(jī)交互的主要任務(wù)包括：首先，通過人機(jī)界面等技術(shù)對用戶的輸入進(jìn)行識別和理解；其次，根據(jù)用戶的意圖和需求，對虛擬信息進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理；最后，將處理后的虛擬信息實(shí)時疊加在真實(shí)世界的物體和場景上，以提供額外的信息和視覺體驗。人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來更多可能性，可以幫助人們更加自然和直觀地與虛擬信息進(jìn)行交互和操作。

2 發(fā)展趨勢

2.1 硬件設(shè)備以及軟件開發(fā)

隨著智能手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、頭戴式顯示器等移動設(shè)備的普及和功能的不斷增強(qiáng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件設(shè)備的發(fā)展趨勢日益明顯[5]。首先，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備輕量化成為趨勢，以實(shí)現(xiàn)更舒適的佩戴體驗和更長時間的使用。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備將更加智能化，以更好地理解和預(yù)測用戶行為，提供更加個性化和智能化的服務(wù)。此外，設(shè)備還將具備手勢識別、頭部追蹤等功能，以提供更自然和直觀的用戶交互方式。最后，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)將更加完善。設(shè)備制造商將與應(yīng)用程序開發(fā)者和內(nèi)容提供商合作，為用戶提供更多高質(zhì)量的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容和應(yīng)用。設(shè)備的兼容性和可擴(kuò)展性也將得到提高，以便用戶可以輕松地與其他設(shè)備或平臺進(jìn)行連接和交互。

2.2 云計算技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與云計算技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更高效的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。云計算技術(shù)可以為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供穩(wěn)定、高效的計算和存儲支持，使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以更加流暢地運(yùn)行，并且可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場景和服務(wù)范圍。首先，云計算技術(shù)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析的能力。隨著圖形處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，云計算將處理更復(fù)雜的3D渲染和計算密集型任務(wù)，并通過流式傳輸將高質(zhì)量的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容傳送到用戶的設(shè)備上，降低本地設(shè)備的性能需求。其次，云計算技術(shù)將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供智能化實(shí)時的數(shù)據(jù)處理和分析能力。例如，通過云計算技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以根據(jù)用戶的偏好和行為為其提供更精準(zhǔn)的個性化體驗，并允許多個用戶在同一增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行互動和協(xié)作。此外，利用云計算，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將輕松實(shí)現(xiàn)跨平臺兼容性和可擴(kuò)展性，使得開發(fā)者能夠為多種設(shè)備和操作系統(tǒng)提供一致的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗。最后，云計算技術(shù)需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)措施，包括加密傳輸、訪問控制和合規(guī)性管理，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供安全可靠的保障。

2.3 5G 與邊緣計算

隨著邊緣計算的發(fā)展，部分增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處理和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)可能轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備上，與云計算形成互補(bǔ)，以減少延遲和提高響應(yīng)速度。首先，5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、低延遲和大連接數(shù)特性將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供高速低延遲的通信。這將使用戶可以更加便捷地訪問增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容和服務(wù)，提高用戶體驗。其次，邊緣計算技術(shù)將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供更高效的數(shù)據(jù)處理和分析能力。通過將計算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)器上，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和負(fù)擔(dān)，提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的響應(yīng)速度和實(shí)時性。此外，5G和邊緣計算還將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供更廣泛的支持。例如，處理和分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)，如圖像、音頻和傳感器數(shù)據(jù)，減輕了云端的負(fù)擔(dān)，并保護(hù)了用戶的隱私。

2.4 人工智能

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能的結(jié)合，可以為人們帶來更加豐富、逼真的虛擬增強(qiáng)體驗。首先，人工智能技術(shù)提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的智能化水平，提高其感知、理解和反應(yīng)能力。例如，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲開發(fā)者可以創(chuàng)造出更具個性化的對手，通過分析玩家在游戲中的表現(xiàn)，學(xué)習(xí)玩家的表現(xiàn)，然后逐步調(diào)整自己的行為，提供更富有挑戰(zhàn)性，更智能、更個性化的體驗。其次，人工智能技術(shù)可以提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。例如通過自然語言處理和語義理解技術(shù)，人工智能可以根據(jù)教學(xué)的設(shè)定，創(chuàng)造出具有邏輯性和情感張力的教學(xué)任務(wù)，不僅減少了教師的工作量，還為學(xué)生提供了更多的教學(xué)選擇。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的融合被視為未來發(fā)展的重要趨勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的連接性將變得更加強(qiáng)大和穩(wěn)定，能夠無縫地連接到互聯(lián)網(wǎng)，方便增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸和交互。例如，在工業(yè)環(huán)境中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以顯示來自傳感器和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)。在智能城市和公共空間中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更高效的信息傳遞和服務(wù)提供，更加深入地應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備健康管理、預(yù)測性維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。例如，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航可以幫助行人找到最近的停車位或公共交通站點(diǎn)，同時實(shí)時監(jiān)測來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時交通和環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.6 信息安全

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，隱私和安全問題也日益凸顯。首先，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要加強(qiáng)用戶隱私保護(hù)。在收集和使用用戶數(shù)據(jù)時，必須遵守相關(guān)法律法規(guī)和倫理規(guī)范，確保用戶數(shù)據(jù)的合法性和安全性。加密技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)以及匿名化、去標(biāo)識化技術(shù)等將成為保護(hù)信息安全的重要手段，保護(hù)用戶數(shù)據(jù)不被泄露和濫用。其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要加強(qiáng)安全性保障。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有與現(xiàn)實(shí)世界交互的特點(diǎn)，因此必須采取嚴(yán)格的安全措施，確保用戶信息和數(shù)據(jù)不被非法獲取和利用。例如，應(yīng)加強(qiáng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的代碼審核和安全性測試，以減少安全漏洞和風(fēng)險。訪問控制技術(shù)可以限制用戶對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄露。最后，安全審計技術(shù)可以對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的操作進(jìn)行記錄和監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理安全問題。政府和企業(yè)也應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)法律法規(guī)的制定和完善，規(guī)范增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用和管理，保障用戶的合法權(quán)益和安全。

3 創(chuàng)新挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)既可以拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和開發(fā)更優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用服務(wù)，也讓新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。這需要不斷開拓創(chuàng)新。此外，還可以開發(fā)更自然、更智能的用戶界面和交互方式，以提供更優(yōu)質(zhì)的用戶體驗。雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如跟蹤和定位的準(zhǔn)確性、圖像和視頻的穩(wěn)定性、虛實(shí)結(jié)合的自然性等技術(shù)難題。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用涉及個人隱私、知識產(chǎn)權(quán)、不正當(dāng)競爭等問題，相關(guān)的法規(guī)和政策制定可能存在一定的滯后性，對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展帶來一定的限制。最后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用需要用戶具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和認(rèn)知能力，目前仍有部分用戶對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用不太了解或不會使用，對應(yīng)用接受度和滿意度會受到影響。未來需要不斷進(jìn)行探索和創(chuàng)新，以克服這些挑戰(zhàn)，推動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

4 總結(jié)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的交互方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。這項技術(shù)在近年來取得了顯著的發(fā)展，主要得益于關(guān)鍵技術(shù)的突破和趨勢的創(chuàng)新。本文從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢和創(chuàng)新挑戰(zhàn)三個方面進(jìn)行了探討。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來研究將以智能化、個性化、開放、可擴(kuò)展、用戶體驗和隱私保護(hù)為目標(biāo)，以推動其不斷發(fā)展，并為人類帶來更加沉浸式的體驗和更多的便利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡慶夕，劉濤，姚遠(yuǎn). 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維交互建模[J].計算機(jī)工程，2010，36（13）：236-238.

[2] 郭金輝，陳秀萬，王媛. 視覺慣性SLAM研究進(jìn)展[J]. 火力與指揮控制，2021，46（1）：1-8.

[3] 袁慶曙，王若楠，潘志庚，等. 空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互技術(shù)綜述[J]. 計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2021，33（3）：321-332.

[4] 陶建華，龔江濤，高楠，等. 面向虛實(shí)融合的人機(jī)交互[J]. 中國圖象圖形學(xué)報，2023，28（6）：1513-1542.

[5] 魏巍，馮蓬勃，陳崢廷，等. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助裝配技術(shù)綜述[J]. 包裝工程，2021，42（14）：108-118.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：本文得到黔東南州科技計劃項目（No. 黔東南科合J 字〔2021〕43 號）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究資助項目（No . 黔教合KY 字〔2020〕178）號資助