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AR增強現實技術50年發展歷史你知道嗎?

2018年08月16日 08:36:5961033370網絡

 計算機圖形學之父和增強現實之父薩瑟蘭(Ivan Sutherland)開發出了第一套增強現實系統,是人類實現的第一個 AR 設備,被命名為達摩克利斯之劍(Sword of Damocles),同時也是第一套虛擬現實系統。這套系統使用一個光學透視頭戴式顯示器,同時配有兩個6度追蹤儀,一個是機械式,另一個是超聲波式,頭戴式顯示器由其中之一進行追蹤。受制于當時計算機的處理能力,這套系統將顯示設備放置在用戶頭頂的天花板,并通過連接桿和頭戴設備相連,能夠將簡單線框圖轉換為3D效果的圖像。

  為什么要掉在天花板然后在戴到頭上,因為在當時技術并不發達,做出來的頭戴顯示器顯得非常的笨重,如果直接佩戴會因為重量導致使用者斷頸身亡,所以從頭頂懸掛下來可以承受一定的重量。從某種程度上講,薩瑟蘭發明的這個AR頭盔和現在的一些AR產品有著驚人的相似之處。當時的AR頭盔除了無法實現娛樂功能以外,其他技術原理和現在的增強現實頭盔沒有什么本質區別。 雖然這款產品被業界認為是虛擬現實和增強現實發展歷程中里程碑式的作品,不過在當時除了得到大量科幻迷的熱捧外,并沒有引起很大轟動。笨重的外表和粗糙的圖像系統都大大限制了產品在普通消費者群體里的發展。 1992年:AR名稱正式誕生

AR增強現實技術50年發展歷史你知道嗎? AR資訊 第1張

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  增強現實(augmented reality)這一術語正式誕生。波音公司的研究人員湯姆(Tom Caudell)和他的同事都在開發頭戴式顯示系統,以使工程師能夠使用疊加在電路板上的數字化增強現實圖解來組裝這個電路板上的復雜電線束。由于他們虛擬化了布線圖,因此這極大地簡化了之前使用大量不靈便的印刷電路板的系統。

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  Tom Caudell 和 David Mizell在論文《Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes》中首次使用了增強現實(Augmented Reality )這個詞,用來描述將計算機呈現的元素覆蓋在真實世界上這一技術。Caudell 和 Mizell 討論了增強現實相對于虛擬現實(VR)的優點,例如因為需要計算機呈現的元素相對較少,因此對處理能力的要求也較低。同時他們也知道為了使得虛擬世界和真實世界更好地結合,對于增強現實的定位(registration)技術的要求在不斷增強。 同年,兩個早期的增強現實原型系統:VirtualFixtures虛擬幫助系統和KARMA機械師修理幫助系統,由美國空軍的路易斯羅森伯格(Louis Rosenberg)和哥倫比亞大學的S.Feiner等人分別提出。 路易斯羅森伯格在美國空軍的阿姆斯特朗實驗室中,開發出了VirtualFixtures。這個設備的功能可以實現對機器的遠程操作。而隨后羅森博格將研究方向轉向了AR增強現實技術,包括如何將虛擬圖像疊加至用戶的真實世界畫面中等各項研究,這也是當代增強現實現實技術討論的熱點。從這時開始,增強現實和虛擬現實的發展道路便分離開了。 KARMA 的全稱是基于知識的增強現實維修助手(Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance),是哥倫比亞大學計算機圖形和交互實驗室研發的一個 AR 協助維修設備的系統。他們使用 HMD 來輔助維修一臺激光打印機。 在上圖中可以看到一些白色的三角形,它們都是用來追蹤打印機的具體位置和方向的。 上圖是通過 HMD 看到的圖像,用以告訴用戶如何從激光打印機中取出托盤。虛擬的實線模擬了托盤在打印機中的位置,箭頭代表托盤需要取出的方向,而虛線則表示托盤取出后的位置。   1994年:AR技術的首次表演
  這一年,AR技術首次在藝術上得到發揮。藝術家Julie Martin設計了一出叫 賽博空間之舞(Dancing in Cyberspace)的表演。舞者作為現實存在,舞者會與投影到舞臺上的虛擬內容進行交互,在虛擬的環境和物體之間婆娑,這是AR概念非常到位的詮釋。這是世界上第一個增強現實戲劇作品。

  1997年:AR定義確定
  Ronald Azuma發布了第一個關于增強現實的報告。在其報告中,他提出了一個已被廣泛接受的增強現實定義,這個定義包含三個特征:將虛擬和現實結合;實時互動;基于三維的配準(又稱注冊、匹配或對準) 。近二十年過去了,AR已經有了長足的發展,系統實現的重心和難點也隨之變化,但是這三個要素基本上還是AR系統中不可或缺的。 哥倫比亞大學的Steve Feiner等人發布游覽機器(Touring Machine),這是第一個室外移動增強現實系統。這套系統包括一個帶有完整方向追蹤器的透視頭戴式顯示器;一個捆綁了電腦、DGPS和用于無線網絡訪問的數字無線電的背包;和一臺配有光筆和觸控界面的手持式電腦。下面右邊這幅圖,就是帶上這套設備后,參觀校園時能看到的景象。

  1998年:AR第一次用于直播
  當時體育轉播圖文包裝和運動數據追蹤領域的領先公司Sportvision開發了1st & Ten系統。在實況橄欖球直播中,其首次實現了“第一次進攻”黃色線在電視屏幕上的可視化。這項技術是針對冰球運動開發的,其中的藍色光暈被用以標記冰球處于的位置,但這個應用并沒有被普通觀眾所接受。

  這個對于很少玩橄欖球的國人也許可能很難理解,其實現在我們每次看游泳比賽時,每個泳道會顯示出選手的名字、國旗以及排名,這就是AR技術。 1999年:帶來App革命的第一個增強現實SDK
奈良先端科學技術學院(Nara Institute of Science and Technology)的加藤弘一(Hirokazu Kato )教授和 Mark Billinghurst 共同開發了第一個 AR 開源框架:ARToolKit。ARToolkit基于GPL開原協議發布,是一個6度姿勢追蹤庫,使用直角基準(square fiducials)和基于模板的方法來進行識別。ARToolKit 的出現使得 AR 技術不僅僅局限在專業的研究機構之中,許多普通程序員也都可以利用 ARToolKit 開發自己的 AR 應用。早期的 ARToolKit 可以識別和追蹤一個黑白的 Marker,并在黑白的 Marker 上顯示 3D 圖像。直到今天,ARToolKit 依然是最流行的 AR 開源框架,支持幾乎所有主流平臺,并且已經實現自然特征追蹤(Nature Feature Traking,簡稱 NFT)等更高級的功能。下圖展示了在一個方形的 Marker 上疊加一個 3D 模型的效果。

  在2005年,ARToolKit與軟件開發工具包(SDK)相結合,可以為早期的塞班智能手機提供服務。開發者通過SDK啟用ARToolKit的視頻跟蹤功能,可以實時計算出手機攝像頭與真實環境中特定標志之間的相對方位。這種技術被看作是增強現實技術的一場革命,目前在Andriod以及iOS設備中,ARToolKit仍有應用。 德國聯邦教育和研究部在 1999 年啟動了一項投資 2100 萬歐元的工業 AR 項目,名為 ARVIKA((Augmented Reality for Development, Production, and Servicing)。 來自工業和學術界的 20 多個研究小組致力于開發用于工業應用的 AR 系統。 該計劃提高了全球在專業領域中對 AR 的認識,也催生了許多類似的計劃。這是AR 首次大規模服務于工業生產? NASA (美國航空航天局)在X-38 航天飛機上使用AR技術來投射地圖數據,增強試駕的視覺感受。 美國海軍開始使用戰場增強現實系統(Battlefield AugmentedReality System, BARS)。以后當美國大兵遇上ISIS恐怖分子,恐怖分子看見的是一個鋼鐵俠,美國大兵看見的是一條血槽。 2000年:第一款AR游戲
  Bruce Thomas等人發布AR-Quake,是流行電腦游戲Quake(雷神之錘)的擴展。ARQuake是一個基于6DOF追蹤系統的第一人稱應用,這個追蹤系統使用了GPS,數字羅盤和基于標記(fiducial makers)的視覺追蹤系統。使用者背著一個可穿戴式電腦的背包,一臺HMD和一個只有兩個按鈕的輸入器。這款游戲在室內或室外都能進行,一般游戲中的鼠標和鍵盤操作由使用者在實際環境中的活動和簡單輸入界面代替。 下面這幅圖演示了在一個真實的停車場里打僵尸的場景:

  2001:可掃萬物的AR瀏覽器
  Kooper和MacIntyre開發出第一個AR瀏覽器RWWW,一個作為互聯網入口界面的移動AR程序。這套系統起初受制于當時笨重的AR硬件,需要一個頭戴式顯示器和一套復雜的追蹤設備。到了2008年Wikitude在手機上實現了類似的設想。

  2009年:平面媒體雜志首次應用 AR 技術
  當把這一期的《Esquire》雜志的封面對準筆記本的攝像頭時,封面上的羅伯特唐尼就跳出來,和你聊天,并開始推廣自己即將上映的電影《大偵探福爾摩斯》。這是平面媒體第一次嘗試 AR 技術,期望通過 AR 技術,能夠讓更多人重新開始購買紙媒。

  2012年:谷歌AR眼鏡來了!
  2012年4月,谷歌宣布該公司開發Project Glass增強現實現實眼鏡項目。這種增強現實的頭戴式現實設備將智能手機的信息投射到用戶眼前,通過該設備也可直接進行通信。當然,谷歌眼鏡遠沒有成為增強現實技術的變革,但其重燃了公眾對增強現實的興趣。2014年4月15日, Google Glass 正式開放網上訂購。

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  從谷歌眼鏡在2012年橫空出世之后,增強現實突然又來到的大眾的面前。不過價格依然還是太高。不僅如此,谷歌眼鏡那怪異的造型以及不太舒服的佩戴感受,甚至讓用戶發明出了“Glassholes”這樣的貶義詞。2015年1月份,谷歌停止銷售第一版谷歌眼鏡,并將谷歌眼鏡項目從Google X研究實驗室拆分至一個獨立部門。再一次,增強現實技術又一次開始沉寂。不過,2015年3月23日,谷歌執行董事長埃里克·施密特表示,谷歌會繼續開發谷歌眼鏡,因為這項技術太重要了,以至于無法放棄。 2013年:專注AR解決方案的幻實科技成立
  Osmo 是前 Google 員工 Pramod Sharma 和 Jerome Scholler 創立的一家生產 AR 兒童益智玩具的公司。它由一個 iPad 配件和一個 App 組成。Osmo 包含一個可以讓 iPad 垂直放置的白色底座和一個覆蓋前置攝像頭的紅色小夾子,夾子內置的小鏡子可以把攝像頭的視角轉向 iPad 前方區域,并用該區域玩識字、七巧板、繪畫等游戲。

  2014年5月,Osmo 開始在官網眾籌,當時預售價格為49美元,共計籌款200萬美元。截至2016年底,Osmo 已經被全球超過 22000 所學校使用,累計融資金額達到3600萬美元。 2015年:現象級 AR 手游《Pokémon GO》
《Pokémon GO》是由任天堂公司、Pokémon 公司授權,Niantic 負責開發和運營的一款 AR 手游。在這款 AR 類的寵物養成對戰游戲中,玩家捕捉現實世界中出現的寵物小精靈,進行培養、交換以及戰斗。

  市場研究公司 App Annie 發布的數據顯示,增強現實游戲《Pokémon GO》只用了63天,通過 iOS 和 Google Play 應用商店在全球就賺了5億美元,成為史上賺錢速度最快的手游。《Pokémon GO》日前也在蘋果發布會上宣布,《Pokémon GO》下載量已超過5億次,手環 Pokémon Go Plus 也將推出,屆時用戶不需掏出手機就能捕捉精靈。 同年,微軟 發布了 AR 頭戴顯示器 Hololens,被譽為目前已發布的體驗最好的 AR 設備。但是它并不便宜,目前分為兩個版本,開發版需要3000美元,商業版需要5000美元。 2016年:神秘AR公司Magic Leap獲得巨額融資
Magic Leap 是 AR 領域最著名的創業公司,在2016年獲得一輪7.935億美元的C輪融資。 本輪融資由阿里巴巴領投,其他新投資者還包括華納兄弟、Fidelity Management & Research Co、摩根大通和摩根士丹利投資管理公司。此外,當前股東Google和Qualcomm Ventures也參與了本輪融資。

  Magic Leap 與 Hololens 最大的不同是顯示部分的區別。Magic Leap 是用光纖向視網膜直接投射整個數字光場(Digital Lightfield),以此產生了所謂的電影級現實(Cinematic Reality)。 最讓人不可思議的是,如今估值高達45億美元的Magic Leap甚至還沒有推出一款商用產品,所以在外界看來是一家非常神秘的AR技術公司。據悉,Magic Leap的最終的產品很可能是一款“頭盔式”設備,可將電腦生成的圖像投射到人眼上,最終在現實圖像上疊加一個虛擬圖像,就像把《黑客帝國》和《哈利·波特》結合在一起一樣。 2017年:科技巨頭蘋果打造最大AR開發平臺
  2017年6月6日WWDC17大會上,蘋果宣布在iOS 11中帶來了全新的增強現實組件ARKit,該應用適用于iPhone和iPad平臺,使得iPhone一躍成為全球最大的AR平臺。從功能上來看,蘋果ARKit所展示的功能與谷歌早前推出的Tango很相似。

  ARKit 的“World Tracking”使用的技術名為“visual-inertial odometry”(視覺慣性測程法)。使用 iPhone 和 iPad 的相機和動作傳感器,ARKit 能夠在環境中尋找幾個點,然后當你移動手機的時候也能夠進行保持追蹤,構造出的虛擬物體會被釘在原處,即便你把手機移開,但當你再次對準原區域,虛擬物體仍然會在那里。此外 ARKit 還能夠尋找環境中的平面,這能夠使虛擬物體放在桌上的場景更加逼真。經過實測,iPhone 6s Plus 能夠保持 60 fps 的穩定刷新率,偶爾出現掉幀。

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