增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality Technique，簡稱AR技術），也被稱為擴增現(xiàn)實。定義：把原本在現(xiàn)實世界的一定時間、空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等），通過科學技術模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。

增強現(xiàn)實是一種同時包括虛擬世界和真實世界之要素的環(huán)境。它的出現(xiàn)與下述科技進步密切相關。

（1）計算機圖形圖像技術。增強現(xiàn)實的用戶可以戴上透明的護目鏡，透過它看到整個世界，連同計算機生成而投射到這一世界表面的圖像，從而使物理世界的景象超出用戶的日常經(jīng)驗之外。這種增強的信息可以是在真實環(huán)境中與之共存的虛擬物體，也可以是實際存在的物體的非幾何信息。

（2）空間定位技術。為了改善效果，增強現(xiàn)實所投射的圖像必須在空間定位上與用戶相關。當用戶轉動或移動頭部時，視野變動，計算機產(chǎn)生的增強信息隨之做相應的變化。這是依靠三維環(huán)境注冊系統(tǒng)實現(xiàn)的。這種系統(tǒng)實時檢測用戶頭部位置和視線方向，為計算機提供添加虛擬信息在投影平面中映射位置的依據(jù)，并將這些信息實時顯示在熒光屏的正確位置。

（3）人文智能（Humanistic Intelligence）。人文智能以將處理設備和人的身心能力結合起來為特點。它并非仿真人的智能，而是試圖發(fā)揮傳感器、可穿戴計算機等技術的優(yōu)勢，使人們能夠捕獲自己的日常經(jīng)歷，記憶所見所聞，并與他人進行更有效的交流。在這一意義上，它是人的身心的擴展。作為智能，它基于用戶在計算過程中的反饋，并不要求有意識的思考與努力。

目前，國外從事增強現(xiàn)實研究的高校有美國的哥倫比亞大學、麻省理工學院、北卡羅來納大學、華盛頓大學，英國的劍橋大學，日本的東京大學、慶應大學，澳大利亞的南澳大學等；企業(yè)有德國的西門子公司、美國的施樂公司、日本的索尼公司等。國內的北京理工大學、國防科技大學、西安石油學院、電子科技大學、華中科技大學、上海大學等亦已開展這方面的研究。

增強現(xiàn)實具有以下特點。

（1）虛實結合。它可以將顯示器屏幕擴展到真實環(huán)境，使計算機窗口與圖標疊映于現(xiàn)實對象，由眼睛凝視或手勢指點進行操作；讓三維物體在用戶的全景視野中根據(jù)當前任務或需要交互地改變其形狀和外觀；對于現(xiàn)實目標通過疊加虛擬景象產(chǎn)生類似于X光透視的增強效果；將地圖信息直接插入現(xiàn)實景觀以引導駕駛員的行為；通過虛擬窗口調看室外景象，使墻壁仿佛變得透明。

（2）實時交互。它使交互從精確的位置擴展到整個環(huán)境，從簡單的人面對屏幕交流發(fā)展到將自己融合于周圍的空間與對象中。運用信息系統(tǒng)不再是自覺而有意的獨立行動，而是和人們的當前活動自然而然地成為一體。交互性系統(tǒng)不再具備明確的位置，而是擴展到整個環(huán)境。

（3）三維注冊。即根據(jù)用戶在三維空間的運動調整計算機產(chǎn)生的增強信息。

增強現(xiàn)實可根據(jù)所應用的范圍分為戶內型與戶外型。

戶內型增強現(xiàn)實從廣義上說，包括各種將數(shù)據(jù)層覆蓋于建筑物內部物理空間的實踐，為建筑師、壁畫師、展覽設計師和新媒體藝術家所關心。如德國建筑師丹尼爾·里伯斯金（Daniel Liberskind）在設計柏林猶太博物館時，將顯示二次大戰(zhàn)前該館現(xiàn)址附近猶太人居住點的地圖投射到建筑表面上，使數(shù)據(jù)空間物質化，變成重新塑造物理空間的力量。又如，加拿大藝術家加迪夫（Janet Cardiff）引導觀眾在物理空間中遵循她由便攜式CD播放器或攝像機所傳達的指令（如“下樓梯”“看窗口”等）而行動，變成她所設計的故事的參與者。在這一過程中，觀眾所處的物理空間被信息空間所增強，具備了平常所沒有、為故事所賦予的含義。這一作品以“音響散步”（Audio Walk）著稱。

相對而言，狹義的戶內型增強現(xiàn)實是在計算機技術支持下發(fā)展起來的。它允許用戶在現(xiàn)實環(huán)境中與虛擬物體交互，如韓國開發(fā)的增強現(xiàn)實游戲ARPush Push運用追蹤器檢測用戶的運動，并通過頭盔顯示器為用戶提供包含了虛擬景觀的視野。北京理工大學開發(fā)的增強現(xiàn)實海底漫游系統(tǒng)讓用戶得以使用交互體驗設備和虛擬場景中的海洋生物互動、嬉戲。

戶外型增強現(xiàn)實運用GPS與定位傳感器，以穿戴式或者背包式計算機系統(tǒng)將增強現(xiàn)實帶到戶外。如目前已知的谷歌眼鏡傳感器包括MPL陀螺儀、MPL加速計、MPL磁場感應、MPL定向、MPL旋轉矢量、MPL線性加速、MPL重力、LTR-506ALS光感應器、旋轉矢量感應器、重力感應器、線性加速計、定向感應器與陀螺儀等。目前的谷歌眼鏡具有以下功能：①獲得通知及提醒；②查看天氣；③語音輸入；④交通信息；⑤地圖服務；⑥導航時自動轉向；⑦查看興趣點；⑧拍照；⑨視頻通話；⑩玩游戲等。

哥倫比亞大學開發(fā)的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)（Mobile Augmented Reality Systems，MARS， 1996）是早期例證。它運用了三維顯示系統(tǒng)、移動計算、無線網(wǎng)絡等技術。其后出現(xiàn)的系統(tǒng)有南澳大學可穿戴計算機實驗室開發(fā)的Id Software公司《地震》游戲的增強現(xiàn)實版ARQuake （2000）等。ARQuake提供了第一人稱射手，允許用戶在現(xiàn)實世界中四處走動，同時在計算機生成的世界中玩游戲。它使用了GPS、定向傳感器、肩背電腦等設備。奧地利格拉茲技術大學、維也納技術大學等也在開發(fā)戶外型增強現(xiàn)實系統(tǒng)。

正如巴黎大學麥凱（Wendy E Mackay，1993）《增強現(xiàn)實：連接現(xiàn)實世界與虛擬世界。與計算機交互的新模式》一文所指出的，增強現(xiàn)實讓人們能以普通方式運用自己所熟悉的日常對象，而不是鍵盤輸入、凝神屏幕。區(qū)別是這些對象也提供通向計算機網(wǎng)絡的鏈接。醫(yī)生可以觀察添加的醫(yī)藥圖像，兒童可以為樂高（LEGO）玩具編程，建筑工程師可以運用普通的紙面工程畫和遠方同事交流。不是讓人們沉浸在人工創(chuàng)造的虛擬世界中，而是通過豐富的數(shù)碼信息與交流能力來增強物理世界中的對象。在藝術與娛樂領域，增強現(xiàn)實大有用武之地。如它可以用來建造主題公園，開發(fā)準全息虛擬屏幕、虛擬環(huán)繞電影和各種虛實結合的娛樂項目，讓計算機生成的全息形象與實況娛樂者及觀眾互動；為人們的生活空間添加虛擬掛鐘、虛擬裝飾之類的新產(chǎn)品；開發(fā)作為參與性新媒體平臺的地面互動投影、讓玩家猶如置身于游戲世界的新型娛樂手柄；為各種人文景觀添加相應的標簽或作為注解的文本，豐富旅游觀光的知識性、趣味性，等等。如哥倫比亞大學開發(fā)的移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)（MARS）為校園景觀提供附加的多媒體信息，以便人們了解它們的歷史。西班牙馬德里Interactivos工作室開發(fā)的增強現(xiàn)實魔術系統(tǒng)（AR Magic System）可讓用戶與其身邊的人交換頭部影像，讓自己的腦袋仿佛長在另一個人的肩膀上，同時也獲得了新的面孔。Sony公司PS3游戲《審判之眼》（Eye of Judgement）利用增強現(xiàn)實技術在玩家身邊的真實環(huán)境中逼真地渲染出3D怪獸等游戲角色。北京理工大學王涌天教授致力于通過增強現(xiàn)實技術完成對圓明園的虛擬重建，讓在園中散步時戴上特殊三維眼鏡的用戶可以觀覽當年皇家園林原貌。在該校光電信息技術與顏色工程研究所等科研單位的協(xié)作下，中國軍事博物館利用增強現(xiàn)實技術以紅四方面軍一個真實故事為原型再現(xiàn)《雪山忠魂》這一感人場面，讓觀眾感受長征的震撼。它的藝術價值是不可低估的。此外，增強現(xiàn)實技術已經(jīng)被用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)、通信等多種領域。它可以通過圖像傳導使原先不可見的對象視覺化，讓醫(yī)生用圖像引導手術（美國麻省理工學院、新加坡南洋理工大學都致力于開發(fā)幫助外科醫(yī)生觀察病人體內情況的增強現(xiàn)實系統(tǒng)）；可以研發(fā)和物理環(huán)境良好匹配、能由用戶合作修改的交互性三維地圖，供軍隊使用；可以為施工現(xiàn)場提供與特定地點相聯(lián)系、包含了工程信息與指令的虛擬圖景，供工人參考，等等。如圖2-43所示，通過與增強現(xiàn)實技術的結合，傳統(tǒng)的平面出版物將進入全新的互動多媒體時代，想象一下，讀者們面對的不再是枯燥的文字與圖片，一個個逼真、生動的三維立體形象，在光影、音效的襯托下活靈活現(xiàn)地展示在眼前，我們將能夠真正體驗到交互閱讀的樂趣。

圖2-43 將增強現(xiàn)實技術應用到平面閱讀中

思考題

1．為什么要展開地學可視化的理論研究？

2．如何展開地學可視化的理論探討與研究？目前可以借鑒哪些方面的理論研究成果？

3．知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘的聯(lián)系和區(qū)別？

4．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類有哪些？各有什么側重點？