计算机图形学之父和 增强现实 之父萨瑟兰(Ivan Sutherland)开发出了第一套增强现实系统,是人类实现的第一个 AR 设备,被命名为达摩克利斯之剑(Sword of Damocles),同时也是第一套虚拟现实系统。这套系统使用一个光学透视头戴式显示器,同时配有两个6度追踪仪,一个是机械式,另一个是超声波式,头戴式显示器由其中之一进行追踪。受制于当时计算机的处理能力,这套系统将显示设备放置在用户头顶的天花板,并通过连接杆和头戴设备相连,能够将简单线框图转换为3D效果的图像。 为什么要掉在天花板然后在戴到头上,因为在当时技术并不发达,做出来的头戴显示器显得非常的笨重,如果直接佩戴会因为重量导致使用者断颈身亡,所以从头顶悬挂下来可以承受一定的重量。从某种程度上讲,萨瑟兰发明的这个AR头盔和现在的一些AR产品有着惊人的相似之处。当时的AR头盔除了无法实现娱乐功能以外,其他技术原理和现在的增强现实头盔没有什么本质区别。 虽然这款产品被业界认为是虚拟现实和增强现实发展历程中里程碑式的作品,不过在当时除了得到大量科幻迷的热捧外,并没有引起很大轰动。笨重的外表和粗糙的图像系统都大大限制了产品在普通消费者群体里的发展。 1992年:AR名称正式诞生 编辑 增强现实(augmented reality)这一术语正式诞生。波音公司的研究人员汤姆(Tom Caudell)和他的同事都在开发头戴式显示系统,以使工程师能够使用叠加在电路板上的数字化增强现实图解来组装这个电路板上的复杂电线束。由于他们虚拟化了布线图,因此这极大地简化了之前使用大量不灵便的印刷电路板的系统。 编辑 Tom Caudell 和 David Mizell在论文《Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes》中首次使用了增强现实(Augmented Reality )这个词,用来描述将计算机呈现的元素覆盖在真实世界上这一技术。Caudell 和 Mizell 讨论了增强现实相对于虚拟现实(VR)的优点,例如因为需要计算机呈现的元素相对较少,因此对处理能力的要求也较低。同时他们也知道为了使得虚拟世界和真实世界更好地结合,对于增强现实的定位(registration)技术的要求在不断增强。 同年,两个早期的增强现实原型系统:VirtualFixtures虚拟帮助系统和KARMA机械师修理帮助系统,由美国空军的路易斯罗森伯格(Louis Rosenberg)和哥伦比亚大学的S.Feiner等人分别提出。 路易斯罗森伯格在美国空军的阿姆斯特朗实验室中,开发出了VirtualFixtures。这个设备的功能可以实现对机器的远程操作。而随后罗森博格将研究方向转向了AR增强现实技术,包括如何将虚拟图像叠加至用户的真实世界画面中等各项研究,这也是当代增强现实现实技术讨论的热点。从这时开始,增强现实和虚拟现实的发展道路便分离开了。 KARMA 的全称是基于知识的增强现实维修助手(Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance),是哥伦比亚大学计算机图形和交互实验室研发的一个 AR 协助维修设备的系统。他们使用 HMD 来辅助维修一台激光打印机。 在上图中可以看到一些白色的三角形,它们都是用来追踪打印机的具体位置和方向的。 上图是通过 HMD 看到的图像,用以告诉用户如何从激光打印机中取出托盘。虚拟的实线模拟了托盘在打印机中的位置,箭头代表托盘需要取出的方向,而虚线则表示托盘取出后的位置。 1994年: AR技术 的首次表演 这一年,AR技术首次在艺术上得到发挥。艺术家Julie Martin设计了一出叫 赛博空间之舞(Dancing in Cyberspace)的表演。舞者作为现实存在,舞者会与投影到舞台上的虚拟内容进行交互,在虚拟的环境和物体之间婆娑,这是AR概念非常到位的诠释。这是世界上第一个增强现实戏剧作品。
1997年:AR定义确定 Ronald Azuma发布了第一个关于增强现实的报告。在其报告中,他提出了一个已被广泛接受的增强现实定义,这个定义包含三个特征:将虚拟和现实结合;实时互动;基于三维的配准(又称注册、匹配或对准) 。近二十年过去了,AR已经有了长足的发展,系统实现的重心和难点也随之变化,但是这三个要素基本上还是 AR系统 中不可或缺的。 哥伦比亚大学的Steve Feiner等人发布游览机器(Touring Machine),这是第一个室外移动增强现实系统。这套系统包括一个带有完整方向追踪器的透视头戴式显示器;一个捆绑了电脑、DGPS和用于无线网络访问的数字无线电的背包;和一台配有光笔和触控界面的手持式电脑。下面右边这幅图,就是带上这套设备后,参观校园时能看到的景象。
1998年:AR第一次用于直播 当时体育转播图文包装和运动数据追踪领域的领先公司Sportvision开发了1st & Ten系统。在实况橄榄球直播中,其首次实现了“第一次进攻”黄色线在电视屏幕上的可视化。这项技术是针对冰球运动开发的,其中的蓝色光晕被用以标记冰球处于的位置,但这个应用并没有被普通观众所接受。 这个对于很少玩橄榄球的国人也许可能很难理解,其实现在我们每次看游泳比赛时,每个泳道会显示出选手的名字、国旗以及排名,这就是AR技术。 1999年:带来App革命的第一个增强现实SDK 奈良先端科学技术学院(Nara Institute of Science and Technology)的加藤弘一(Hirokazu Kato )教授和 Mark Billinghurst 共同开发了第一个 AR 开源框架:ARToolKit。ARToolkit基于GPL开原协议发布,是一个6度姿势追踪库,使用直角基准(square fiducials)和基于模板的方法来进行识别。ARToolKit 的出现使得 AR 技术不仅仅局限在专业的研究机构之中,许多普通程序员也都可以利用 ARToolKit 开发自己的 AR 应用。早期的 ARToolKit 可以识别和追踪一个黑白的 Marker,并在黑白的 Marker 上显示 3D 图像。直到今天,ARToolKit 依然是最流行的 AR 开源框架,支持几乎所有主流平台,并且已经实现自然特征追踪(Nature Feature Traking,简称 NFT)等更高级的功能。下图展示了在一个方形的 Marker 上叠加一个 3D 模型的效果。 在2005年,ARToolKit与软件开发工具包(SDK)相结合,可以为早期的塞班智能手机提供服务。开发者通过SDK启用ARToolKit的视频跟踪功能,可以实时计算出手机摄像头与真实环境中特定标志之间的相对方位。这种技术被看作是增强现实技术的一场革命,目前在Andriod以及iOS设备中,ARToolKit仍有应用。 德国联邦教育和研究部在 1999 年启动了一项投资 2100 万欧元的工业 AR 项目,名为 ARVIKA((Augmented Reality for Development, Production, and Servicing)。 来自工业和学术界的 20 多个研究小组致力于开发用于工业应用的 AR 系统。 该计划提高了全球在专业领域中对 AR 的认识,也催生了许多类似的计划。这是AR 首次大规模服务于工业生产 NASA (美国航空航天局)在X-38 航天飞机上使用AR技术来投射地图数据,增强试驾的视觉感受。 美国海军开始使用战场增强现实系统(Battlefield AugmentedReality System, BARS)。以后当美国大兵遇上ISIS恐怖分子,恐怖分子看见的是一个钢铁侠,美国大兵看见的是一条血槽。 2000年:第一款 AR游戏 Bruce Thomas等人发布AR-Quake,是流行电脑游戏Quake(雷神之锤)的扩展。ARQuake是一个基于6DOF追踪系统的第一人称应用,这个追踪系统使用了GPS,数字罗盘和基于标记(fiducial makers)的视觉追踪系统。使用者背着一个可穿戴式电脑的背包,一台HMD和一个只有两个按钮的输入器。这款游戏在室内或室外都能进行,一般游戏中的鼠标和键盘操作由使用者在实际环境中的活动和简单输入界面代替。 下面这幅图演示了在一个真实的停车场里打僵尸的场景: