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AR增强现实50年(1966-2017)发展历史 从无到爆发!

2017年06月08日 14:49:044930中国AR网

AR增强现实50年(1966-2017)发展历史 从无到爆发! AR资讯

1966年:第一台AR设备

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

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。

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:

2001:可扫万物的AR浏览器

Kooper和MacIntyre开发出第一个AR浏览器RWWW,一个作为互联网入口界面的移动AR程序。这套系统起初受制于当时笨重的AR硬件,需要一个头戴式显示器和一套复杂的追踪设备。到了2008年Wikitude在手机上实现了类似的设想。

2009年:平面媒体杂志首次应用 AR 技术

当把这一期的《Esquire》杂志的封面对准笔记本的摄像头时,封面上的罗伯特唐尼就跳出来,和你聊天,并开始推广自己即将上映的电影《大侦探福尔摩斯》。这是平面媒体第一次尝试 AR 技术,期望通过 AR 技术,能够让更多人重新开始购买纸媒。

2012年:谷歌AR眼镜来了!

2012年4月,谷歌宣布该公司开发Project Glass增强现实现实眼镜项目。这种增强现实的头戴式现实设备将智能手机的信息投射到用户眼前,通过该设备也可直接进行通信。当然,谷歌眼镜远没有成为增强现实技术的变革,但其重燃了公众对增强现实的兴趣。2014年4月15日, Google Glass 正式开放网上订购。

从谷歌眼镜在2012年横空出世之后,增强现实突然又来到的大众的面前。不过价格依然还是太高。不仅如此,谷歌眼镜那怪异的造型以及不太舒服的佩戴感受,甚至让用户发明出了“Glassholes”这样的贬义词。2015年1月份,谷歌停止销售第一版谷歌眼镜,并将谷歌眼镜项目从Google X研究实验室拆分至一个独立部门。再一次,增强现实技术又一次开始沉寂。不过,2015年3月23日,谷歌执行董事长埃里克·施密特表示,谷歌会继续开发谷歌眼镜,因为这项技术太重要了,以至于无法放弃。

2013年:专注AR解决方案的幻实科技成立

深圳市幻实科技有限公司是一家为企业和消费者提供增强现实AR解决方案的高科技公司,主要致力于AR技术的研究和应用,公司的增强现实AR产品和项目涉及玩具、教育、影视娱乐、广告传媒、婚纱摄影、服装、金融、旅游、展览等行业。

幻实科技的主要服务产品有“扫动APP”、《魔法百科》AR学习卡、AR棒棒涂色、AR魔方、AR地球仪、“幻实影像”、AR游戏幻实英雄、AR软件定制等。幻实科技在2015年和腾讯《洛克王国4》合作推出AR广告宣传活动。

2014年:首个获得成功的 AR 儿童教育玩具

Osmo 是前 Google 员工 Pramod Sharma 和 Jerome Scholler 创立的一家生产 AR 儿童益智玩具的公司。它由一个 iPad 配件和一个 App 组成。Osmo 包含一个可以让 iPad 垂直放置的白色底座和一个覆盖前置摄像头的红色小夹子,夹子内置的小镜子可以把摄像头的视角转向 iPad 前方区域,并用该区域玩识字、七巧板、绘画等游戏。

2014年5月,Osmo 开始在官网众筹,当时预售价格为49美元,共计筹款200万美元。截至2016年底,Osmo 已经被全球超过 22000 所学校使用,累计融资金额达到3600万美元。

2015年:现象级 AR 手游《Pokémon GO》

《Pokémon GO》是由任天堂公司、Pokémon 公司授权,Niantic 负责开发和运营的一款 AR 手游。在这款 AR 类的宠物养成对战游戏中,玩家捕捉现实世界中出现的宠物小精灵,进行培养、交换以及战斗。

市场研究公司 App Annie 发布的数据显示,增强现实游戏《Pokémon GO》只用了63天,通过 iOS 和 Google Play 应用商店在全球就赚了5亿美元,成为史上赚钱速度最快的手游。《Pokémon GO》日前也在苹果发布会上宣布,《Pokémon GO》下载量已超过5亿次,手环 Pokémon Go Plus 也将推出,届时用户不需掏出手机就能捕捉精灵。

同年,微软 发布了 AR 头戴显示器 Hololens,被誉为目前已发布的体验最好的 AR 设备。但是它并不便宜,目前分为两个版本,开发版需要3000美元,商业版需要5000美元。

2016年:神秘AR公司Magic Leap获得巨额融资

 Magic Leap 是 AR 领域最著名的创业公司,在2016年获得一轮7.935亿美元的C轮融资。

本轮融资由阿里巴巴领投,其他新投资者还包括华纳兄弟、Fidelity Management & Research Co、摩根大通和摩根士丹利投资管理公司。此外,当前股东Google和Qualcomm Ventures也参与了本轮融资。

Magic Leap 与 Hololens 最大的不同是显示部分的区别。Magic Leap 是用光纤向视网膜直接投射整个数字光场(Digital Lightfield),以此产生了所谓的电影级现实(Cinematic Reality)。

最让人不可思议的是,如今估值高达45亿美元的Magic Leap甚至还没有推出一款商用产品,所以在外界看来是一家非常神秘的AR技术公司。据悉,Magic Leap的最终的产品很可能是一款“头盔式”设备,可将电脑生成的图像投射到人眼上,最终在现实图像上叠加一个虚拟图像,就像把《黑客帝国》和《哈利·波特》结合在一起一样。

2017年:科技巨头苹果打造最大AR开发平台

 2017年6月6日WWDC17大会上,苹果宣布在iOS 11中带来了全新的增强现实组件ARKit,该应用适用于iPhone和iPad平台,使得iPhone一跃成为全球最大的AR平台。从功能上来看,苹果ARKit所展示的功能与谷歌早前推出的Tango很相似。

ARKit 的“World Tracking”使用的技术名为“visual-inertial odometry”(视觉惯性测程法)。使用 iPhone 和 iPad 的相机和动作传感器,ARKit 能够在环境中寻找几个点,然后当你移动手机的时候也能够进行保持追踪,构造出的虚拟物体会被钉在原处,即便你把手机移开,但当你再次对准原区域,虚拟物体仍然会在那里。此外 ARKit 还能够寻找环境中的平面,这能够使虚拟物体放在桌上的场景更加逼真。经过实测,iPhone 6s Plus 能够保持 60 fps 的稳定刷新率,偶尔出现掉帧。

作者:安福双,AR行业分析师,AR出版、AR教育、AR玩具行业的从业者和观察者

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