虚拟现实是由计算机视觉、仿真技术、人机交互等多种信息技术演变发展而来的新型计算机技术。通过将视觉与现实世界隔离开，借助显示设备，使人能够穿越沉浸于一个完全的虚拟世界。所谓增强现实，是将虚拟信息叠加在以识别物为基准的某个位置，并可实时交互虚拟信息，以此增强视觉效果。

一 问题所在

虚拟现实技术建立人工构造的三维虚拟环境,用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响,极大扩展了人类认识世界,模拟和适应世界的能力。虚拟现实技术广泛应用于仿真训练、工业设计、交互体验等多个领域，解决的许多重大和普遍性的需求。虚拟现实的主要科学问题包括建模方法、表现技术、人机交互及设备这三大类，但目前普遍存在建模工作量大，模拟成本高，与现实世界匹配程度不够以及可信度等方面的问题。

针对这些问题,已经出现了多种虚拟现实增强技术,将虚拟环境与现实环进行匹配合成以实现增强, 其中将三维虚拟对象叠加到真实世界显示的技术称为增强现实, 将真实对象的信息叠加到虚拟环境绘制的技术称为增强虚拟环境。 这两类技术可以形象化地分别描述为“实中有虚”和“虚中有实”。虚拟现实增强技术通过真实世界和虚拟环境的合成降低了三维建模的工作量,借助真实场景及实物提高了用户体验感和可信度, 促进了虚拟现实技术的进一步发展。

图1“实中有虚”

图2“虚中有实”

二 技术特点

现在业内普遍认可：从真实世界到虚拟环境中间经过了增强现实与增强虚拟环境这两类虚拟现实增强技术。国际上一般把真实世界(计算机视觉)、增强现实、增强虚拟环境、虚拟现实这4类相关技术统称为虚拟现实连续统一体。与早期相比,增强现实或增强虚拟环境的概念已经发生了很大的变化,技术领域大为拓宽, 但它们的技术特征都离不开如下3点：(1)将虚拟和现实环境进行混合；(2)实时交互；(3)三维注册。

1、增强现实

增强现实技术通过运动相机或可穿戴显示装置的实时连续标定，将三维虚拟对象稳定一致地投影到用户视口中，达到“实中有虚”的表现效果。如图1所示，真实世界是我们所处的物理空间或其图像空间，其中的人和竖立的VR牌是虚拟对象，随着视点的变化, 虚拟对象也进行对应的投影变换，使得虚拟对象看起来像是位于真实世界的三维空间中。

增强现实还有一个特殊的分支，称为空间增强现实，或投影增强模型。将计算机生成的图像信息直接投影到预先标定好的物理环境表面，如曲面、穹顶、建筑物、精细控制运动的一组真实物体等。本质上来说，空间增强现实是将标定生成的虚拟对象投影到预设真实世界的完整区域，作为真实环境对象的表面纹理。与传统的增强现实由用户佩戴相机或显示装置不同，这种方式不需要用户携带硬件设备, 而且可以支持多人同时参与，但其表现受限于给定的物体表面，而且由于投影纹理是视点无关的，在交互性上稍显不足。

2、增强虚拟环境

增强虚拟环境技术预先建立了虚拟环境的三维模型，通过相机或投影装置的事先或实时标定，提取真实对象的二维动态图像或三维表面信息，实时将对象图像区域或三维表面融合到虚拟环境中，达到“虚中有实”的表现效果。如图2所示，在虚拟环境中出现了来自于真实世界的实时图像，其中VR牌上的纹理和人体都来自于相机采集的图像，人体甚至可以是实时的三维对象及其表面纹理图像。

与增强现实中存在的投影增强模型技术正好相反，增强虚拟环境技术中也有一类对应的技术，用相机采集的图像覆盖整个虚拟环境，即作为虚拟环境模型的纹理，用户可以进行高真实感的交互式三维浏览。当这种三维模型是球面、柱面、立方体等通用形状的内表面时，这种技术也就是现在已经很普及的全景图片或视频。 全景视频将真实世界的一幅鱼眼或多幅常规图像投影到三维模型上，构造出单点的全方位融合效果，多幅图像之间的拼接可以是图像特征点匹配或相机预先标定等方式。

三 硬件设施

虚拟现实增强技术需要与真实世界相结合，不可避免需要相机等传感装置及显示设备，因此相关硬件设备的发展对该技术有着重要的影响。

1、相机：摄像头是增强现实技术最重要的硬件设备，大量的相机跟踪和标定技术都是以简单摄像头为基本配置。

2、位置和角度传感器：位置和角度传感器可以对相机跟踪起到重要的辅助作用。

3、可穿戴增强显示设备：可穿戴增强显示设备可分为头戴式、手持式和空间投影式。

4、体感交互设备：体感交互设备可以采集人体的三维运动数据，提供了将真实世界传感数据合成到虚拟环境的重要方式, 是增强虚拟环境技术的重要设备。这些体感交互设备能够将真实世界的人体运动在虚拟环境中实时精确表示,增强了虚拟现实的交互能力。

5、三维立体显示设备：这类设备需要佩戴对应的3D眼镜，每帧包括对应左右眼的两幅图像。这些双目体显示方式，只能观看到固定的视觉图像，并不能获得跟随头部或是眼睛的真实观看体验。近年来，也出现了些“裸眼3D”产品。