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增强现实——无处不在
丛   书   名: 先进交互技术
作   译   者:邓宝松 等 出 版 日 期:2020-04-01
出   版   社:电子工业出版社 维   护   人:马岚 
书   代   号:G0379600 I S B N:9787121379604

图书简介:

本书将解释增强现实技术的概念,以及与虚拟现实技术和混合现实技术的区别,并帮助读者明晰这些技术之间的界限。全书主要内容包括增强现实系统分类、典型特点、实现途径及结构组成,技术起源及其发展历程;增强现实所涉及的关键核心技术及所面临的技术挑战,典型应用或潜在的重点应用领域,相关配套软件工具及硬件设备;本书最后对增强现实技术进行了分析总结并对其发展趋势进行了预测。
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    内容简介

    本书将解释增强现实技术的概念,以及与虚拟现实技术和混合现实技术的区别,并帮助读者明晰这些技术之间的界限。全书主要内容包括增强现实系统分类、典型特点、实现途径及结构组成,技术起源及其发展历程;增强现实所涉及的关键核心技术及所面临的技术挑战,典型应用或潜在的重点应用领域,相关配套软件工具及硬件设备;本书最后对增强现实技术进行了分析总结并对其发展趋势进行了预测。

    图书详情

    ISBN:9787121379604
    开 本:16开
    页 数:256
    字 数:410.0

    本书目录

    第1章  绪论	1
    1.1  增强现实背景介绍	1
    1.2  增强现实发展前景	4
    1.3  增强现实的潜在危险	5
    1.4  增强现实所需技术	6
    1.5  增强现实呈现方法	6
    1.6  对现实的多种表述方式	8
    1.7  增强现实在虚拟实境中的地位	8
    1.7.1  翻译并认知世界	9
    1.7.2  消费者与工业、军事和
          科学领域	10
    1.7.3  隐含在电影中的未来
          预测	10
    1.7.4  人类增强的道德准则	13
    1.7.5  混合现实定律	15
    1.7.6  增强现实可以提供帮助和
          监控手段	15
    1.7.7  游戏中的增强现实	16
    1.7.8  听觉增强现实	16
    1.8  相关定义	17
    1.8.1  什么是增强现实	17
    1.8.2  物联网环境下的增强
          现实	19
    1.8.3  增强现实的类型	19
    1.8.4  虚拟现实与增强现实的
          区别	20
    1.8.5  增强现实比虚拟现实更受
          欢迎	22
    1.9  总结	22
    参考文献	23
    第2章  增强现实系统类型	24
    2.1  增强现实系统的类型	24
    2.2  增强现实的分类	25
    2.3  隐形眼镜	28
    2.4  头盔	28
    2.5  平视显示器	28
    2.6  智能眼镜	29
    2.6.1  集成产品式智能眼镜	29
    2.6.2  附加组件式智能眼镜	32
    2.7  投影仪	32
    2.7.1  空间增强现实	34
    2.7.2  洞穴(CAVE)	35
    2.8  专用系统及其他类型的眼镜	36
    2.8.1  水印增强现实	36
    参考文献	37
    第3章  人们都可以成为专家	38
    3.1  增强现实:让人们成为领域
         专家	38
    参考文献	40
    第4章  增强现实系统组成概述	41
    4.1  增强现实系统的基本组成	41
    4.1.1  虚实融合的遮挡与
          可见性	43
    4.1.2  关于辐辏调节冲突的
          几点思考	43
    4.2  技术问题探讨	45
    第5章  增强现实的研究历史	46
    5.1  历史概述	46
    5.1.1  发展趋势分析	60
    5.1.2  实时上下文内容提示	61
    参考文献	63
    第6章  典型应用领域	65
    6.1  重要应用领域	65
    6.1.1  科学、工程和政府领域	66
    6.1.2  商业和企业领域	92
    6.1.3  消费者领域	98
    6.2  总结	119
    参考文献	121
    第7章  软件工具	123
    7.1  Khronos团队	125
    7.1.1  OpenCV	127
    7.2  ARToolKit	128
    7.2.1  Vuforia	128
    7.2.2  Augument	129
    7.2.3  Infinity AR	130
    7.2.4  Intel RealSense	131
    7.2.5  Kudan	132
    7.2.6  Google Tango	132
    7.2.7  HoloLens	132
    7.2.8  Scope AR	133
    7.2.9  ViewAR	133
    7.3  增强现实操作系统	134
    7.4  增强现实接口的作用	134
    7.4.1  谁来定义增强现实	135
    7.5  小结:参与者与平台	135
    参考文献	135
    第8章  技术问题	136
    8.1  神奇的眼睛	137
    8.1.1  视杆、视锥和中央凹	137
    8.1.2  分辨率	138
    8.2  人眼看到的	138
    8.2.1  盲点	138
    8.2.2  眼动	139
    8.2.3  隔行扫描电视和
          运动感知	139
    8.3  增强现实显示中的延迟问题	140
    8.3.1  场序彩色系统和延迟	141
    8.3.2  显示问题	143
    8.4  动眼框	144
    8.4.1  头部活动范围	145
    8.5  视场角	145
    8.5.1  像素间距	148
    8.6  显示器	149
    8.6.1  接近程度	149
    8.6.2  近眼显示设备	149
    8.6.3  虚拟现实	149
    8.6.4  增强现实	149
    8.6.5  混合现实	150
    8.6.6  环境光	150
    8.6.7  颜色深度	151
    8.6.8  刷新率	151
    8.6.9  小结	151
    8.7  增强现实显示器	152
    8.7.1  按透视度分类	153
    8.7.2  按技术类型分类	153
    8.7.3  直接发射设备和调制显示
          设备	154
    8.7.4  光路由	164
    8.7.5  透视直接发射显示器	177
    8.8  传感器技术	189
    8.8.1  摄像头	190
    8.8.2  定位、跟踪和导航
          传感器	192
    8.8.3  惯性测量单元	193
    8.8.4  触觉反馈	193
    8.8.5  地震预测传感器	195
    8.9  有标记与无标记的跟踪技术	196
    8.9.1  特征和基准	197
    8.9.2  使用标记的自然特征
          跟踪	197
    8.9.3  SLAM——无标记的定位
          跟踪方法	198
    8.10  增强现实系统中的用户界面	202
    8.10.1  语音控制	202
    8.10.2  手势控制	204
    8.10.3  眼动跟踪	208
    8.10.4  脑电波	212
    8.10.5  小结	213
    参考文献	213
    第9章  供应商	218
    9.1  增强现实设备及其供应商	218
    9.1.1  供应商	219
    第10章  结论以及对未来的展望	222
    10.1  隐私	222
    10.2  社会问题	223
    10.3  微型化及纳米技术	223
    10.4  未来会怎样	225
    参考文献	226
    附录A	227
    术语表	229
    展开

    前     言

    译者序
    光明的未来就在眼前,AR时代已经来临!
    从个人职业生涯角度讲,时隔10年,我回到了这个既熟悉又有些陌生的研究领域——增强现实(Augmented Reality,AR),觉得熟悉是因为其理论体系基本没有太大变化,而觉得陌生则是因为这几年技术进步确实太快了,增强现实的商业化应用已经初见端倪,特别是在教育培训、远程维修和医疗康复等多个典型垂直领域,各种应用已经逐步落地。以微软HoloLens、Magic Leap One为代表的商业化产品的推出,将增强现实应用的热度不断推向高潮;面向手机AR应用市场,苹果推出ARKit,谷歌则推出ARCore;而国内华为、联想和小米等领军企业也纷纷布局,特别是以影创科技、亮风台、耐德佳等为代表的民营企业,已研发出可量产的全息眼镜,并推动着其在教育及相关领域的应用。目前国际上知名的科技公司几乎无一缺席这场盛宴,所有迹象表明——增强现实时代已经来临!
    增强现实技术通过环境重建与光场叠加,将计算机生成的虚拟对象添加到真实世界中,使虚拟对象和真实世界保持正确的几何一致性、光照一致性和时间一致性,使得二者融为一体,增强了人们对真实世界的体验、感知和认知,其最终目标是虚实一体、虚实互动和虚实协同。与虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术相比,增强现实技术更强调泛在的实用性而非简单沉浸式体验,它已经走出实验室或特定环境融入日常活动中,将遍及我们工作、生活的每个角落!
    纵观近百年来的历次科技突破,从电话到计算机,到电视,到手机,到互联网,再到智能手机,无一不是改变了人与人、人与机之间的交互交流模式,改变了人机信息传递、共享的方式。当前,人工智能技术发展如火如荼,机器智能不断增强,然而,“无人是相对的,有人是绝对的”,“平台无人,系统有人”,类似这样的观念已成为人们的普遍共识,因此人机之间的交流方式就变得异常重要,甚至很可能成为人工智能发展及应用的瓶颈性问题。众多业内专家预测:增强现实将成为下一代人机交互界面!
    本书作者Jon Peddie博士是计算机图形学领域的权威专家,关注增强现实技术很多年,有不少代表性专业著作,在许多国际会议上做过图形和数字媒体技术新趋势的专题讲座,并在多个会议、组织或公司的顾问委员会任职。本书内容深入浅出,以通俗的应用视角讲解深奥的技术问题,还不乏众多领域的典型案例,不仅适合具有一定技术基础的专业人员阅读,还可以作为公众领域人员了解、掌握增强现实技术的入门读物。无论是经验丰富的专家,还是初次接触增强现实的读者,都会从本书中获得优秀而富有想象力的信息!
    本书翻译工作的完成,不仅是向广大读者提供精彩的内容分享,也是我们在增强现实领域学习、工作的小结,希望能够为增强现实的研究与普及尽一份微薄之力。感谢国防科技创新研究院各级领导和部门的关心与支持。感谢天津(滨海)人工智能创新中心为团队提供了安静舒适的办公环境,特别感谢刁兴春主任、史殿习副主任的关心和指导,感谢秦伟、徐明中两位部长的大力支持。与王彦臻主任及micROS团队的学习交流,也让我们受益匪浅。在整本书的翻译过程中,得到我所带领的国防科技创新研究院人机共融技术研究团队的全力支持与配合。另外,还要感谢我的研究生刘璇恒、庞巧遇对部分章节所做的翻译、校对工作;感谢张明佳助理对译稿的细心整理,她的辛苦付出大大减轻了我的校对工作量;感谢王晶晶助理为本书出版所做的联系沟通工作;感谢杨超工程师对有关光学章节进行的修订工作。最后,还要特别感谢我的父母、爱人和儿子,是他们默默无私的付出与大力支持,才使我拥有足够的工作及加班时间,也给予我莫大的前进动力,他们始终是我奋斗路上的坚强后盾。让我们共同努力,推动增强现实在更多领域落地生根!
    邓宝松  2019年10月1日于天津滨海
    
    
    Thomas A. Furness为本书作序
    在20世纪80年代中期,媒体对我在美国俄亥俄州赖特帕特森(Wright-Patterson)空军基地主持的“超级驾驶舱”(Super Cockpit)①项目进行了集中报道。曾经有人就此事向我咨询,是否有可能在军事领域之外应用这种虚拟界面技术呢?我当时觉得这类问题难以直接给出答案。其中有个人是来自澳大利亚的高尔夫球职业选手,他想创造一种更好的培训方法来指导高尔夫球新手如何进行挥杆操作。他还告诉我,他曾经试验过很多方法:首先对这些新手说,“看着我”和“照我的样子做”,然后演示如何站起来、握住球杆、挥动球杆等;他会给新手看他们自己挥杆动作流程的视频,指出并纠正其中的错误;当新手紧握着球杆击球时,他会试图站在身后近距离指导……可是,尝试过所有这些方法之后,新手们仍然没有搞明白如何操作;最后,这个专家非常沮丧地问我,你有没有办法用类似这种虚拟界面的东西把我放进学生的身体里……就像个幽灵一样呢?这样,当学生戴上头戴设备时,他们会看到我的胳膊和脚从他们自己的身体里“长”出来,反之,他们只需要把自己真正的脚、手和球杆放在我所放的位置上,然后再把自己的操作放入这种虚拟界面中展示出来即可。这样他们就有了一种“切身体会”或“从内向外”的视角,而不是传统培训里典型的“从外向内”的旁观者视角。高尔夫球职业选手与新手之间的问题显然只是其中一个典型例子……也就是说,需要从传统第三人,或者从“外在→内在”的视角,转变为第一人的视角。
    这个问题为虚拟界面的其他领域的应用打开了一个新的思路,而不仅仅是我当时所追求的军事领域的应用。我想到了虚拟嵌入式专家的概念,可以用于教育培训、远程操作和物理治疗等多个领域。例如,一位与人“耦合”的嵌入式专家可以向人们展示如何修理喷气式发动机、如何进行脑部手术或进行物理治疗(告诉他们“将胳膊抬到我所抬的位置上”或“把手放在我所放的位置上”)。例如,就像我的妻子可以向我建议说,“让我来教你如何从我的角度编织毛衣或学习美国手语”。非常有意思的是,这种合作可以在距离很远的“合作者”之间对等地完成,因为不同的“合作者”不必处在同一物理位置上。通过这种方式,远程外科医生可以实时地向战场上的医务人员展示如何在他们自己的视角下完成伤员救治流程,然后告诉战地医务人员:“跟随我的手,做我指示你做的事情就可以了。”
    哇,这种视角上的转变具有重要的意义!
    1966年,我开始研发和应用虚拟界面,当时我被任命为空军工程部门官员,负责管理赖特帕特森空军基地的空军研究实验室。我的工作是研究、设计、建造和测试更好的战斗机座舱人机接口,这将提升飞行员及其所操纵飞机在军事行动中的系统整体性能,但显然这件事做起来并不容易。最让人望而生畏的制约因素是,我们需要在很狭窄的驾驶舱空间中放置大量的仪器和控制装置(可能有大约300个开关和75个仪表显示器)。这样,如果在此基础上再增加新型传感器图像显示设备(这样飞行员还可以在夜间看到周边环境)几乎是不可能的。那是促使我转向“超级驾驶舱”项目研究的主要原因①,其目的就是研究一种将飞行员的感知能力与复杂机器更好地结合起来的方法。如果虚拟图像能够叠加在飞行员的头盔上,我们就可以创造出与飞行员眼睛(视场角)相匹配,并且具有足够大小和分辨率的传感显示器。增加对头盔的位置、姿态的跟踪功能,使我们能够根据飞行员头部的运动,同步这些传感器的感知信息,从而创建一个可移动的界面或“图像窗口”,以便在驾驶舱中和夜间都能看到这些传感器所获取的实时信息。此外,这些虚拟信息可用图形或符号的方式显示,用于展示飞行员所面临的威胁程度,或飞机当前的飞行动力学相关信息,例如位置、方向、空速、高度和其他参数等。此外,这种头盔位姿跟踪能力还允许飞行员将各种武器系统及其瞄准视线结合起来,直接用于作战打击。值得注意的是,所有这些关键功能都将在不占用任何驾驶舱空间的情况下按需添加!
    我不是第一个想到这些问题的人②。在早期的陆军海军仪器(Army Navy Instrumentation)项目(开始于1953年)中,已经发展了许多关于在先进驾驶舱中使用虚拟界面(如头盔显示器和能在外部世界上叠加虚拟图形对象的显示器)的最初概念性想法。该项目的动机是采用以用户为中心的驾驶舱设计方法,即从飞行员角度出发设计驾驶舱内的仪器、仪表结构,而不是传统的从机器到飞行员角度的工作方式。正是这个项目建立的平台框架激发了我在虚拟界面、视觉耦合辅助设备,最终在超级驾驶舱方面的进一步研究工作。
    当然,我愿意走上这条虚拟化技术道路的另一个原因是我对科幻小说的痴迷。从我的童年,也就是大约20世纪40年代开始,我就是一个科幻迷和梦想家,我最喜欢的作品之一是:James Blish的They Shall Have Stars(《他们应该有星星》),这是James Blish的系列小说Cities in Flight(《飞行中的城市》)的第一部。有趣的是,在1956年首次出版时,这个小说的原名叫做Year 2018(《2018年》)。小说中生动地描述了建筑工人在木星上用冰冻氨建造一座奇特的桥的过程,由于木星上生存环境非常恶劣,工作人员只能被安顿在一颗围绕木星运行的卫星上,但他们可以在木星的“表面”上实现“远程呈现”(telepresent),这是通过在两端安装传感器和显示器,将施工人员的“眼睛”和“手”传送到处在一定距离之外木星表面上的施工设备来实现的。其他同类小说进一步扩展了这些概念,如Heinlein的Waldo(《瓦尔多》)和Starship Troopers(《星际飞船士兵》)。Edward Elmer Smith的Lensman(《伦斯曼》)空间歌剧系列解放了我的思维,让我想到使用虚拟界面(Virtual Interface)命令和控制应用程序,通过虚拟图像投影和手势来控制远处的物体。
    现在,这些当时的梦想和早期的发展已经演变成我们这个时代的新型工具。我把他们的到来比作“原子裂变”,释放出巨大能量来进一步解放和连接我们的思想。这种解放来自增强现实、虚拟现实和混合现实技术带给我们(例如,高尔夫球职业选手)的前所未有的视角转变。就像打碎了显示屏上的玻璃,我们能够走进虚拟空间,并且能够驻留在那里。我们还可以进一步扩展我们所处的现实世界,或者在虚拟世界中实现共享和协同。我们的研究成果已经显示出这样做所带来的惊人效果,特别是在教育和培训领域。不知何故,“打破玻璃”会释放出更多的空间记忆,它允许我们以图形或图像的形式对真实或虚拟世界进行叠加或嵌入,这些图形或图像将自己“附加”到该空间中……,这为我们提供了一种对这些空间对象进行表达和展现的更好方法。在某种程度上,这唤醒了我们很久以前的记忆,它类似于早期希腊人所说的“位置”记忆法,也就是说,通过将事物与其空间位置联系起来,从而强化对事物的记忆。这里的关键创意在于,当事物在空间上与三维空间中的位置相关联时,我们往往能更好地理解并记住它们,而不只是有简单而抽象的想法。
    多年以来,我们一直在为现实世界添加人造的东西,例如在电视情景喜剧中添加笑声,或者在电视足球比赛中的球场上(出现在球员下方)叠加显示首次进攻路线。我们为什么要这样做呢?试想一下军用驾驶舱中的平视显示器,它能够使飞行员将抽象的图形、符号信息与现实世界在其视野中紧密联系起来,例如导航中的航路控制点和着陆投影点。真实和虚拟的完美结合强化了我们对知识的理解和认知,从而帮助我们更好、更有效地做事情。但同时我们也要小心,不要让这些虚拟图像把现实世界中的重要信息给遮挡住。
    当我问Jon Peddie写这本书的动机是什么时,他说:“我真诚地相信我们都会使用增强现实技术,因为它将永远地改变我们的生活……”,我赞同Jon的这份热情和对将来的预测。但是,当我们对虚拟空间中所发生的事情感到兴奋时,却忽略了我们不应该简单地被这些技术所陶醉的警告。实现这些技术工具本身不是目的,而只是达到目的的手段。我们不仅要知其然,还要知其所以然!这意味着我们的观念发生了转变,从仅仅因为我们可以做到而推动技术,转变为另一种开发技术的模式,即因为它有助于解决问题并为出现的技术提供新的解决途径,所以我们才推动它。下面进一步解释一下这个问题。
    我觉得我们需要通过应用来“拉动”过去从未有过的技术。在我从事这项工作的半个世纪的历程中,我和其他人一样,对虚拟界面技术可能带来进步的过度宣传而感到过内疚。与其说是发展这项技术本身的问题,不如说是我们在现实生活中真正需要的问题。当然,我们可以预测其在军事、医学、设计、培训和教育等领域的垂直市场应用,但对于那些不从事这些专业的日常人员来说,这又有什么好处呢?我们都知道对谷歌眼镜(Google Glass)在社交体验中的调查结果:人们与戴着这些眼镜的人进行交流时十分谨慎,这使得推广遭受了很大的现实阻力。所以,当前的解决方案是要“拉动”那些可以从虚拟增强现实中获益的应用领域。技术的“推动”与解决问题的“拉动”相结合,可以促进技术的发展和应用。
    当前,我们还没有真正实现增强现实、虚拟现实或混合现实的成熟硬件开发,当然,这里具体怎样命名可以根据你的理解和喜好。为了使设备舒适、实用和成功,在这项技术上还有很多的工作要做。在现实世界中覆盖虚拟图像时,跟踪和光照是两个很大的难题。但最重要的是,我们需要解决人为因素,而不仅仅是舒适的人体工程学。我们需要记住,这项技术与人类的感官紧密相连,我们不想受到任何伤害。这应该是我们的根本原则:不要伤害!Jon用了很大篇幅在书中讨论这些问题。
    正如Jon在这本书中所讨论的,增强现实产业被预测为市场巨大……非常巨大,远远超过了虚拟现实产业。这就是为什么这本书很重要的原因。一段时间以来,我们需要一本关于增强现实的权威著作来与所有关于虚拟现实的著作进行比较,比如Jason Jerald博士所著的The VR Book《虚拟现实》一书。Jon Peddie博士本人是数字媒体和图形领域的先驱,在早期的研究工作中,他采取了理解树木(局部)的方法,但要超越这一点,必须在产业布局的背景下观察整个森林(全局)。他目前的工作是用他对前沿技术及应用进步的深刻见解来指导这个行业的发展,尤其是在这种增强现实新应用不断涌现的情况下。
    接着阅读本书,你将体验到对增强现实这个专题的权威、全面和现代的分析理解。作者说这是给外行看的……这一点确实是写作的初衷,但绝对不应该止步于此。它对相关硬件和软件开发人员也有所帮助,因为这本书是建立在许多先驱学者的学术工作基础之上的,如Ronald T. Azuma①的开创性工作。在这本书中,Jon Peddie积累并整合了一套完整的材料,最终将其汇总在一起。这本身就是一个巨大的启动平台,可以在这个不断增长的行业中实现人们所预测的数十亿美元市场。
    Jon的书也很有趣,充满了讽刺和幽默,这可能是作者的自娱自乐吧。它给我带来了很多回忆,但更重要的是,它让我再次对这个时代的伟大工具所带来的可能性而感到兴奋。
    Thomas A. Furness   美国华盛顿西雅图   2017年1月28日
    
    Steve Mann为本书作序
    从孩提时代起,也就是40多年以来,我一直生活在一个被称为“增强现实”的以计算机为媒介的宇宙中,在那里我可以看到其他人看不见的无线电波、声波以及通过神经元传输的电信号。
    在接下来的很多年里,这将是“我们所有人所生活”的宇宙空间。
    人工智能(Artificial Intelligence, AI)领域之父Marvin Minsky,世界上最著名的未来学家Ray Kurzweil,以及我本人都提出了一种观点,即人工智能和机器学习正在将世界变成一个单边控制系统,朝着能够全面感知我们生活的方向不断发展,与此同时,我们仍然感觉世界对我们是完全不透明的[Minsky,Kurzweil,Mann,2013]。我们都主张提出一种不同类型的智能,称为人本主义智能(Humanistic Intelligence,HI),这其实就是增强现实的重要基础。
    HI也是一种智能,它通过我们称为sousveillance①或逆向监视(inverse surveillance)的东西,使自己对人类可见、可理解。我们不仅要让机器感知到我们,我们也要感知和理解机器。HI是一种使人类保持在这个回路中的智能。
    这条原则是我童年时代着迷的核心,我希望能够看到并揭示机器所隐藏的世界,以及它们神秘的感官形态世界。
    在我的童年时代,通过发明一种可穿戴的计算机增强现实设备,我解决了3个基本问题:
    1. 空间(Space)一致性。用于显示增强虚拟对象的光线必须与它所代表的真实物体在空间上完全一致,当你的眼睛注视并聚焦于现实世界时,这些光线需要以相同的方式在人眼中聚焦并成像。
    2. 时间(Time)一致性。用于显示增强虚拟对象的光线必须与它所代表的真实物体在时间上完全一致,反馈方面的时间延迟将不能被接受。
    3. 光照(Tonality)一致性。光线本身需要在色调(即对比度)方面是正确的、协调的,以使用于显示增强虚拟对象的光线与它应该表示的真实物体相匹配。
    这三条标准就像一个三脚架,支撑着人们对增强现实的体验。如果某一条无法满足,体验就是失败的。然而,许多公司的解决方案都未能真正满足这三条标准的要求。
    这也就是为什么我参与组建这个领域中的一些机构的重要原因之一。
    我坚信,我们所需要做的,不是建立一个充满人工智能和机器学习的监狱式世界,而是要建立一个充满HI和AR的世界,并且我们都将生活在其中,在这个世界里我们将保持人类本性而茁壮成长。在我所生存的以计算机为媒介的现实生活中,我一直梦想着有一天,通过一种新颖且可实现的技术,我们都能过上更好、更安全、更健康的生活。
    今天,随着Jon这本书的出版,许多人将能够更深入、更广泛地了解到,AR可以给所有行业及个人带来的巨大便利。这本书很好地分析了AR的好处和机遇,以及可能延迟其设计与实现的各种现实障碍。这本书展示了AR如何使人们变得更加健康和自信,不仅安全,而且能够实现“自我看护”(self-care):AR并不是一种监视(安全)装置,更重要的是,它是一种灵魂感应装置(实现“自我看护”)。从这个意义上讲,你的眼镜将作为你的个人生活记录和信息保管员,这样就能随身携带关于你的最新医疗记录。它还将是你实时的保健、健身和健康顾问,以及私人教练/助理。
    AR的出现和电灯的出现同等重要,二者很可能是几千年来最重要的发明,因为它们都为人类带来了光明。
    要想制造出一款符合三条基本标准(空间、时间和光照),并且看起来可以被社会所接受的增强现实设备,我们需要很多年时间来应对并解决所面临的挑战,但这条道路是清晰而明确的,我们正在朝着这个目标持续前进。这本书将帮助我们踏上这段旅程。
    
    Steve Mann    Meta公司首席科学家
    
    前言
    
    
    本书的目的是解释增强现实概念及应用上的许多细微差别,以及增强现实到底是什么。增强现实通常会与虚拟现实和混合现实相混淆,因此本书的目标是要在增强现实与其他相似技术之间建立清晰的界限,而这些技术的唯一共同点是最终都体现在显示上,而不是体现在内容、相似度或难点等方面。
    增强现实技术有望永远地改变和改善我们的生活。它将使我们从压抑中解放出来,提供实时且无限的信息来源,以及彼此相互交流、沟通和理解的新方式。即使我们相互之间处在很远的距离,也能够互相协同,获得彼此的帮助,同时提高公共服务、健康福利、维修、设计和教育的质量。当然,我们也会从中得到更多的乐趣。这不是科幻小说,尽管这些概念都起源于此类小说。
    
    
    这不是一本科幻书,嗯,至少不完全是。但它关乎我们的未来,并且是一个非常可能成为现实的未来。
    哲学家、科学家、未来学家和其他一些人都在推测:在某一时刻,计算机将达到并迅速超过人类的处理速度、内存访问能力,并最终会超越人类。当机器能够以闪电般的速度处理海量数据时,人类与生俱来的自卑感就会促使我们内心揣测:这些机器或许终究会发现我们人类无关紧要,缺乏竞争力,并总是在滥用资源。不能将这种揣测和分析简单地直接进行类比,毕竟,尽管我们有时不负责任地对待和饲养其他动物,如家禽和水生物种,但我们从来没有蓄意或恶意地(除了少数存在争议的事件)灭绝它们。当然,对某些有害的昆虫则是另外一回事。
    那么,基于我们的道德、文化和历史观念制造的超级智能机器(你也可能说,它是在成长过程中逐步形成的),为什么会有不同的行为表现呢?很多人回答是因为逻辑。因为以逻辑为基本DNA构建的超级智能机器,将以冷酷无情且毫不妥协的逻辑进行评估、裁决和最终执行;而这种逻辑不利于人的行为,反之亦然。因此,当前比较流行的观念是,计算机会轻易地淘汰掉我们。
    另一种可能性是,当机器逐步发展到看似具有感知能力时,它们将成为人类的伙伴。因为机器缺乏(并且永远无法完全获得)人类所特有的想象力,它们会依赖于我们提出下一个想法、下一个目标、下一个艺术表达,以及下一个对当前事件或人物行为的解释。
    那么,增强现实是如何融入这一切的呢?当我们能够更方便、更舒适地实时访问信息时,我们将从字面上和形象上得到增强,尽管不是物理上的真正增强——至少短期内还是如此。但是,我们将获得更多、更及时的信息。当我们学习如何吸收、处理和使用这种增强的能力时,我们会变得更有创造力、想象力和趣味性。当我们这样做的时候,新兴的,甚至是有意识的新机器都会被我们击败,尽管它们有着惊人的处理速度和内存访问能力,但可以说它们总是落后我们一步。
    然而,为了增强我们的能力,必须随时与数据库和数据分析工具保持联系,因此需要拥有实时的、不显著的本地化信息,特别是关于我们所处位置的信息,以及我们周围所有事物的信息。
    要与数据库和数据分析工具之间保持关联,需要具备无线通信能力和实时更新手段。为了实时并且自然地捕捉局部环境信息,我们必须拥有智能隐形眼镜,并最终实现这些设备的小型化甚至植入化。
    所以,科幻小说中的场景是,我们将拥有增强现实隐形眼镜,当计算机接近或可能具备感知能力时,不会因为人类成为不相关或没有用的资源而淘汰甚至消灭人类,它们终将依赖人类的洞察力、想象力和应对挑战的能力;讽刺地说,这也许是一种必要的邪恶。
    本书将为对增强现实的基本概念、发展历史和工程实践感兴趣的技术人员、营销和管理人员、教育工作者、学者和公众,以及新型显示手段升级背后的视觉和感官科研人员提供启示。从人机交互的角度来讲,通过对视觉显示和信息访问系统的详细描述,本书使读者进一步了解这些相关问题的定义、构建和解决方法,包括我们对其所代表事物的感知,以及最终我们如何消化和应对这些信息(见图1)。
    Zenka①是一位艺术领域的专家,同时也是一位博物馆馆长,他还是研究增强现实和虚拟现实头戴设备的历史学家,他认为,增强现实将我们从信息时代弹射到知识时代。
    本书内容结构
    增强现实是一个如此复杂、涉及面如此广泛的主题,很难用逻辑概括的方式来组织它所包含的所有内容。但是,我们也没有其他更好的办法,所以将这本书划分成10章:第1章介绍了增强现实的优点和潜在危险,概述了其典型应用领域,讨论了针对增强现实所提出的规则、法律和定义,以及增强现实在虚拟世界中的地位。第2章介绍了增强现实的分类,以及增强现实的实现策略,第3章接着概述了增强现实是如何使我们所有人都成为视觉领域的信息技术专家的。
    在第4章中,我们将讨论在增强现实中涉及的视觉方面的技术问题,以及这些技术所面临的挑战。第5章是对增强现实起源的简要历史概述(比大多数人想象的更早)。
    接下来,第6章将分析一些典型的应用,并区分商业应用和消费者应用两大类。但是,有些应用存在交叉重叠。例如,在房地产领域中使用增强现实既可以归类为面向商业的(面向房地产代理商),也可以归类为面向消费者的(面向寻找房屋的购房者),这一章是内容最多的一章,但仍不能涵盖增强现实的所有当前或未来可能的应用。增强现实本身看上去并不是很重要,但它将会涉及人们生产、生活的方方面面。
    第7章简要介绍了一些软件工具,第8章将从技术角度深入研究人眼的生理机能、显示器的类型和相关技术,并举例介绍了该领域典型厂商的产品及解决方案。第9章对一些供应商进行了简短的讨论(注意,实际上还有很多其他供应商)。最后,第10章给出了同样非常重要的结论,以及非常简短的未来愿景。
    增强现实将触及我们生活的方方面面、我们所生存的社会,以及我们所遵循的各项规则。当我们适应增强现实所赋予我们的新质能力和力量时,我们将不得不变换方式来思考问题,并丢弃那些可能自认为宝贵的想法和幻想。它终将改变我们的社会习俗和生存规则,挑战那些独断专行的掌权者。
    研究增强现实就像沿着曼德尔布洛特(Mandelbrot)螺旋下降,逐渐揭示出越来越精细的递归细节。我们不停地往下走,便进入永无止境的兔子洞(可能会有很多通道和出口),因为研究了某一件事,却可能了解了另外的三件事,如此往复。
    
    Jon Peddie
    美国加利福尼亚州提布隆
    
    
    
    
    致谢
    没有任何一本书能在没有别人帮助的情况下由作者独立完成。一本书是大家共同的努力,是一个团队的努力,是由很多朋友、同事、亲人和编辑们共同奉献、编纂、校订,以及辛苦阅读大量文献后完成的。仅仅列出他们的名字就能填满整个版面,如果详细列出他们的贡献可能需要更多的版面,需要以类似电影片头的方式来呈现。
    但我还是尽力去做到这一点,否则将不够礼貌,还会让我成为这个世界上不懂得感恩的人(也由此想到了任性和自私)。
    那么,第二个问题是如何列出这些人的名单?按出现的顺序?按投入时间的顺序?按字母顺序?还是按主题顺序?我最终还是选择了最简单的方法,按字母顺序。我想这样做有两点原因:一是为了让他们能够快速找到自己的名字,以确认我没有忘记他们(很遗憾,我在其他书中出现过这样的失误);二是确认他们的贡献后,很容易在列表中添加他们的名字。
    正是有了这些人的帮助,才使得本书的出版成为可能。如果你认识他们,请拍拍他们的后背,告诉他们,Jon非常感谢你。
    Beverley Ford,我在斯普林格(Springer)的赞助者,一个善于怀疑且有辨别力的好朋友。
    Bob Raikes,一位不知疲倦的作家和All Things Display(《万物展示》)的编辑,也是我亲爱的老朋友。
    Douglass Magyari,FOV①之王,伟大的工程师和好朋友。
    James Robinson,斯普林格出版商的助理编辑,非常坚持原则,与之进行对接交流有时会让你感到头疼。
    Karl Guttag,VRAM②和其他神奇图形设备的发明者,为本书的显示相关的部分章节提供了巨大帮助,也是我的伟大的朋友。
    Kathleen Maher,我的导师,合伙人,缪斯(喜欢沉思),最好的朋友。
    Khaled Sarayeddine,Lumus光学公司首席技术官。
    Mark Fihn,作家,出版商,展览展示专家,好朋友。
    Michael Burney,热情的技术专家,企业家,非常愿意读我所写的文章。
    Robert Dow,我的研究人员,也是忠实的读者和好朋友。
    Ron Padzensky,一位优秀的AR博客作者,也是一位乐于助人的评论家,他对本书的内容分类有很大的帮助。
    Soulaiman Itani,一位非常有幽默感的增强现实科学家。
    Steve Mann,增强现实之父,对本书给予了巨大的帮助和指导。
    Ted Pollak,经常与我畅谈游戏,非常固执己见,是能够与我产生共鸣的宣传者。
    Tom Furness,增强现实之祖父,也是最慷慨的顾问。
    Tracey McSheery,一位增强现实科学家、朋友和伟大思想的先锋。
    还要感谢其他很多人,包括Garth Webb博士,Ori Inbar,Jay Wright,Tom Defanti,Oliver Ktrylos,Jean-Franois Chianetta,Khaled Sarayeddine,Christine Perey和Neal Leavitt,等等。
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