前言

增強現(xiàn)實AR智能眼鏡是當(dāng)前社會上比較主流的可穿戴AR設(shè)備，是除了手機和平板電腦之外最重要的增強現(xiàn)實支撐設(shè)備。前面的文章中，我們已經(jīng)討論過與光學(xué)透視型頭戴顯示器相關(guān)的標(biāo)定技術(shù)，其實增強現(xiàn)實AR智能眼鏡就是一種光學(xué)透視型的頭戴顯示器。本文會結(jié)合目前市面上的一些主流的AR眼鏡設(shè)備，對其相關(guān)的標(biāo)定、跟蹤、交互技術(shù)做出討論。

1 增強現(xiàn)實AR智能眼鏡介紹

增強現(xiàn)實AR智能眼鏡是一種光學(xué)透視型的頭戴顯示器。為什么一定要強調(diào)光學(xué)透視的特征呢？因為除了光學(xué)透視還有視頻透視，而視頻透視型的增強現(xiàn)實是將AR畫面（包括真實元素與虛擬元素）統(tǒng)一渲染后呈現(xiàn)給用戶，并非將虛擬元素與物理實景進行光學(xué)融合，從技術(shù)角度上看實現(xiàn)簡單但是無法給用戶帶來最佳的虛實融合的體驗。因此目前的主流設(shè)備舍棄了視頻式AR，主要轉(zhuǎn)向光學(xué)透視型AR。

據(jù)筆者了解，目前市面上流行的光學(xué)透視型的增強現(xiàn)實AR智能眼鏡主要有以下2種類型，如果有遺漏，還請見諒。（1）一體式智能眼鏡。這類眼鏡的計算單元、電源、顯示單元都集成在一起，技術(shù)難度高，價格昂貴。例如HoloLens 2。（2）分體式智能眼鏡。這類眼鏡通常將電源和計算單元獨立為一個類似手機的處理單元，但是將顯示單元做成眼鏡，實現(xiàn)了智能眼鏡的小型化和輕量化。但因為顯示模塊沒有供電，智能通過有線方式連接到處理單元上，對用戶體驗造成些許影響。但不得不說這是一種比較合理的折中方式。分體式智能眼鏡的典型產(chǎn)品是Magic Leap One、NED+ Glass X2、Nreal Light等。

以上兩種眼鏡都可以直接連接到PC上進行調(diào)試，因此這里不將基于PC的眼鏡單獨拿出來講。

2 增強現(xiàn)實AR智能眼鏡的關(guān)鍵技術(shù)

如果你要制作一款可用的AR智能眼鏡，有幾個技術(shù)是逃不掉的。鑒于市場上的AR硬件已經(jīng)有很多，也算比較成熟，這里只對軟件技術(shù)進行分析。AR眼鏡中涉及到的技術(shù)包括：（1）標(biāo)定技術(shù)，幫助用戶看得準(zhǔn)；（2）跟蹤技術(shù)，幫助用戶走得穩(wěn)；（3）交互技術(shù)，實現(xiàn)信息多交換。下圖中為以Google Glass為例，展示這三個技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

2.1 標(biāo)定技術(shù)

相比于跟蹤和交互技術(shù)，標(biāo)定技術(shù)是一個很容易被忽視但卻不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于光學(xué)透視型的AR眼鏡的特殊原理，我們往往不能直接獲得人眼在目標(biāo)空間中的坐標(biāo)位置，而需要對人眼和AR眼鏡的跟蹤系統(tǒng)進行標(biāo)定，實現(xiàn)“物理環(huán)境”-“跟蹤系統(tǒng)”-“人眼成像”這條通路，保證人眼能看到準(zhǔn)確的虛實融合效果。有很多產(chǎn)品是直接將跟蹤攝像頭的位置等效為人眼的位置，這樣做的結(jié)果是人眼看到的虛擬元素與物理實景之間是相互分立的、沒有注冊好的。直觀的表現(xiàn)就是“頭一運動，虛擬物體就在飄”。因此，這些產(chǎn)品通常無法為用戶提供好的虛實融合體驗。目前已知的產(chǎn)品中，HoloLens系列產(chǎn)品是做了這個標(biāo)定的，因此提供的AR效果也是很好的，還有其他的一些產(chǎn)品由于沒有佩戴過，因此先不做評論。

增強現(xiàn)實AR眼鏡的標(biāo)定技術(shù)，實際上就是標(biāo)定人眼與跟蹤系統(tǒng)之間的相對位置關(guān)系，以及人眼的內(nèi)參數(shù)。這個話題在前面的文章中已經(jīng)詳細講過，需要的朋友可以參考。

https://blog.csdn.net/zzlyw/article/details/53215105

2.2 跟蹤技術(shù)

AR眼鏡想要實現(xiàn)物理環(huán)境與虛擬元素的融合，必須要做到的就是能夠跟蹤虛擬環(huán)境。主流的視覺跟蹤技術(shù)包括基于圖像標(biāo)記點的跟蹤（Image-based Tracking）、基于物體的跟蹤（Object-based Tracking）和同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）。在實踐中中也會混合入慣性導(dǎo)航來提升跟蹤質(zhì)量。

（1）基于圖像的跟蹤技術(shù)，首先需要對被跟蹤的圖像進行預(yù)處理，得到該圖像的特征點集合，然后實時狀態(tài)下將視頻流中的圖像進行匹配。

（2）基于物體的跟蹤技術(shù)，它與基于圖像的跟蹤技術(shù)類似，首先要把被跟蹤的物體進行預(yù)處理，存儲它的各類特征，然后在實時狀態(tài)下對視頻流中的圖像進行分析，計算跟蹤系統(tǒng)與被跟蹤物體的相對位置。

（3）同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，是不需要預(yù)處理的跟蹤技術(shù)，可以在開始后同時完成定位與建圖。這種方法雖然使用簡單，但是沒有辦法像前兩種方法那樣輕松獲取眼鏡與物理環(huán)境中某一指定物體之間的相對位置。所以SLAM技術(shù)雖然發(fā)展比較成熟，但是如何與AR相結(jié)合還值得繼續(xù)研究。如果對SLAM技術(shù)還沒有了解的話，可以參考半閑居士的博客（https://www.cnblogs.com/gaoxiang12/）或者其他相關(guān)書籍。

2.3 交互技術(shù)

對于AR眼鏡，比較方便的交互方式是語音、手勢和遙控器。語音交互屬于人工智能的一個重要研究領(lǐng)域，很多公司（如科大訊飛）已經(jīng)做出了比較出色的語音交互產(chǎn)品，這對于AR眼鏡的交互是具有重要意義的。手勢交互因為不需要引入額外的交互設(shè)備，只需要用戶做出手勢就可以輸入指令，也在一定程度上促進了AR眼鏡交互技術(shù)的發(fā)展。遙控器作為傳統(tǒng)的輸入手段，雖然簡單但是卻能保證準(zhǔn)確高效的輸入，因此很多AR眼鏡產(chǎn)品還是配了遙控器或者觸控板作為交互設(shè)備。

3 增強現(xiàn)實AR智能眼鏡的的發(fā)展前景

既然總說智能眼鏡，那么“智能”體現(xiàn)在哪里呢？實現(xiàn)了AR算是智能了嗎？當(dāng)然，實現(xiàn)完善的AR功能是邁向“智能”的關(guān)鍵一步，但是僅僅從信息顯示層面做提升還是有些欠缺。AR眼鏡的智能還應(yīng)該包括AR內(nèi)容本身的智能性特征，這就要涉及到人工智能領(lǐng)域的研究了。因此筆者認(rèn)為，增強現(xiàn)實AR智能眼鏡的研究，絕不僅限于構(gòu)建一套能夠做出AR效果的眼鏡，也不要局限于眼鏡的穿戴舒適性，還應(yīng)注意與人工智能領(lǐng)域的結(jié)合。

簡而言之，AR已經(jīng)不僅僅是AR，更是以AR為中心的多個研究領(lǐng)域的交匯點，并且還是一個寄托了人們美好生活愿景的研究熱點。技術(shù)引領(lǐng)未來，希望AR智能眼鏡可以像智能手機一樣，為人們生活水平的提升帶來強大助力。