增强现实：基于标记跟踪的深入探讨

增强现实 (AR) 正在迅速改变我们与世界互动的方式，将数字信息与我们的真实世界环境融合在一起。在各种 AR 技术中，基于标记的跟踪作为一种基础且广泛使用的方法脱颖而出。本文全面探讨了基于标记的 AR、其基本原理、多样化的应用和未来的发展轨迹。

什么是基于标记的增强现实？

基于标记的 AR，也称为图像识别 AR，依赖于特定的视觉标记——通常是黑白方块或自定义图像——来触发和锚定增强内容。当 AR 应用程序通过设备的摄像头（智能手机、平板电脑或专用 AR 眼镜）检测到其中一个标记时，它会将数字元素叠加到真实世界的视图上，并相对于标记精确定位。可以将其视为物理世界中的数字锚点。

这与其他 AR 技术形成对比，例如：

• 基于位置的 AR：使用 GPS 和其他位置数据来放置增强内容（例如，Pokémon GO）。
• 无标记 AR：依赖于环境映射和特征检测来锚定内容，而无需预定义的标记（例如，ARKit、ARCore）。

基于标记的 AR 具有以下几个优点，包括：

• 简单性：与无标记解决方案相比，相对容易实现。
• 准确性：提供增强内容的精确跟踪和定位。
• 稳健性：不易受环境因素（如光照变化）的影响。

基于标记的跟踪如何工作：分步指南

基于标记的 AR 过程涉及几个关键步骤：

1. 标记设计和创建：标记经过专门设计，以便 AR 应用程序可以轻松识别。常用的方形标记具有不同的图案，例如由 ARToolKit 或类似库生成的图案。也可以使用自定义图像，但它们需要更复杂的图像识别算法。
2. 标记检测：AR 应用程序持续分析来自设备摄像头的视频流，搜索预定义的标记。这涉及图像处理技术，如边缘检测、角点检测和模式匹配。
3. 标记识别：一旦检测到潜在的标记，应用程序会将其模式与已知标记的数据库进行比较。如果找到匹配项，则识别该标记。
4. 姿态估计：应用程序计算标记相对于摄像头的位置和方向（即其“姿态”）。这涉及解决透视 n 点 (PnP) 问题，该问题根据标记的已知 3D 几何体及其在图像中的 2D 投影来确定摄像头的位置和方向。
5. 增强内容渲染：基于标记的姿态，AR 应用程序渲染虚拟内容，使其与真实世界视图中的标记精确对齐。这涉及将正确的变换（平移、旋转和缩放）应用于虚拟内容的坐标系。
6. 跟踪：应用程序持续跟踪标记，因为它在摄像头的视野范围内移动，实时更新增强内容的位置和方向。这需要强大的算法，可以处理光照变化、遮挡（标记的部分阻塞）和摄像头移动。

标记的类型

虽然基本原理保持不变，但不同类型的标记可满足特定需求和应用要求：

• 方形标记：最常见的类型，其特征是方形边框和内部的独特图案。ARToolKit 和 OpenCV 等库提供了生成和检测这些标记的工具。
• 自定义图像标记：使用可识别的图像（徽标、艺术品、照片）作为标记。这些提供了更具视觉吸引力和品牌一致性的体验，但需要更复杂的图像识别算法。自定义图像标记的稳健性在很大程度上取决于图像的独特性以及算法处理光照、比例和旋转变化的能力。
• 圆形标记：不如方形标记常见，但在特定应用中可能很有用。

基于标记的增强现实的应用

基于标记的 AR 在广泛的行业和用例中都有应用。以下是一些值得注意的例子：

教育

基于标记的 AR 可以通过将教育材料变为现实来增强学习体验。想象一下，学生将平板电脑指向教科书中的标记，然后看到出现一个 3D 人体心脏模型，他们可以随后对其进行操作和探索。例如，芬兰的一所学校使用支持 AR 的教科书来教授科学和数学中的复杂概念。

• 交互式教科书：使用 3D 模型、动画和交互式模拟来增强传统教科书。
• 教育游戏：创建引人入胜的游戏，将数字元素叠加到真实世界环境中，从而通过游戏促进学习。
• 博物馆展览：用附加信息、历史背景和互动体验来增强博物馆展览。例如，史密森尼学会一直在探索使用 AR 来增强访客参与度。

营销和广告

AR 提供了创新的方式来吸引客户和推广产品。家具零售商可以允许客户使用目录中打印的标记将虚拟沙发放置在他们的客厅中。化妆品品牌可以通过将手机指向杂志广告上的标记，让用户虚拟试用不同色号的口红。

• 产品可视化：允许客户在购买前在自己的环境中可视化产品。
• 交互式包装：将交互式元素添加到产品包装中，为客户提供附加信息、促销优惠或娱乐。
• 印刷广告：将静态印刷广告转变为互动体验，从而提高参与度和品牌知名度。例如，杂志广告可以通过视频或互动游戏变得栩栩如生。

工业培训和维护

AR 可以通过提供叠加在真实世界设备上的分步说明来简化培训和维护程序。维修复杂机器的技术人员可以使用 AR 眼镜直接在机器上看到必要的步骤，从而减少错误并提高效率。例如，波音公司已使用 AR 来协助飞机组装。

• 指导组装：提供组装复杂产品的一步步说明。
• 远程协助：允许远程专家指导技术人员完成维护程序，从而减少停机时间和差旅费用。
• 安全培训：在安全且受控的环境中模拟危险情况，从而提高工人安全和准备程度。

医疗保健

AR 可以协助医疗保健专业人员执行各种任务，从外科手术计划到患者教育。外科医生可以使用 AR 将患者解剖结构的 3D 模型叠加到真实身体上，从而辅助外科手术计划和执行。物理治疗师可以使用 AR 来指导患者进行锻炼，确保正确的姿势和技巧。例如，可以使用 AR 应用程序来可视化静脉，从而更轻松地进行 IV 插入。

• 外科手术计划：可视化患者解剖结构的 3D 模型，以辅助外科手术计划和执行。
• 患者教育：使用交互式可视化来教育患者了解他们的病情和治疗方案。
• 康复：指导患者进行锻炼，并提供有关他们表现的实时反馈。

游戏和娱乐

AR 游戏可以将虚拟元素与现实世界融合在一起，从而创造身临其境且引人入胜的体验。想象一下，玩一款策略游戏，其中您的餐桌变成了战场，虚拟单位在其表面上移动和战斗。例如，AR 棋盘游戏可以通过智能手机或平板电脑变得栩栩如生。

• AR 棋盘游戏：使用数字元素增强传统棋盘游戏，从而添加新的游戏玩法和互动层。
• 基于位置的游戏：创建寻宝游戏和其他基于位置的游戏，这些游戏利用放置在现实世界中的标记。
• 沉浸式故事讲述：讲述在用户环境中展开的故事，将虚拟角色和事件与现实世界融合在一起。

基于标记的 AR 的优势和劣势

与任何技术一样，基于标记的 AR 也有其优势和劣势：

优势

• 简单易于实施：与无标记 AR 相比，相对容易开发和部署。
• 准确性和稳定性：提供精确且稳定的跟踪，尤其是在光线充足的环境中。
• 低计算要求：与无标记 AR 相比，需要的处理能力更少，使其适用于移动设备。
• 经济高效：通常比无标记 AR 解决方案的实施成本更低。

劣势

• 对标记的依赖：需要在环境中存在物理标记，这可能会限制其适用性。
• 有限的沉浸感：标记的存在可能会分散整体沉浸式体验。
• 标记遮挡：如果标记部分或完全被遮挡，则可能会丢失跟踪。
• 标记设计限制：标记设计可能会受到跟踪算法要求的限制。

基于标记的 AR 开发的关键技术和工具

几个软件开发工具包 (SDK) 和库促进了基于标记的 AR 应用程序的创建。一些最受欢迎的包括：

• ARToolKit：一种广泛使用的开源 AR 库，提供强大的标记跟踪功能。
• Vuforia：一个商业 AR 平台，支持基于标记和无标记的 AR，提供对象识别和云识别等高级功能。
• Wikitude：另一个商业 AR 平台，提供一套全面的工具来开发 AR 应用程序，包括标记跟踪、基于位置的 AR 和对象识别。
• AR.js：一个轻量级的开源 JavaScript 库，用于创建基于 Web 的 AR 体验。
• 带有 AR Foundation 的 Unity：一个跨平台游戏引擎，提供了一个统一的 API，用于在 iOS 和 Android 上开发 AR 应用程序，支持基于标记和无标记的 AR。

这些 SDK 通常提供用于以下操作的 API：

• 标记检测和识别
• 姿态估计
• 增强内容渲染
• 摄像头控制

基于标记的 AR 的未来

虽然无标记 AR 正在获得越来越多的关注，但基于标记的 AR 仍然具有相关性并不断发展。以下是一些正在塑造其未来的趋势：

• 混合方法：结合基于标记和无标记的 AR 技术来利用两者的优势。例如，使用基于标记的跟踪进行初始锚点放置，然后切换到无标记跟踪以实现更强大和无缝的跟踪。
• 高级标记设计：开发更复杂、不那么突兀且更具视觉吸引力的标记设计。这包括使用隐形标记或将标记嵌入现有对象中。
• AI 驱动的标记识别：利用人工智能 (AI) 来提高标记识别的准确性和稳健性，尤其是在光线不足或部分遮挡等具有挑战性的条件下。
• 与 5G 和云计算集成：利用 5G 网络的 speed 和带宽以及云计算的处理能力来支持更复杂和沉浸式的 AR 体验。

最终，AR 的未来可能涉及不同跟踪技术的组合，这些技术针对特定应用程序和用户需求量身定制。基于标记的 AR 将继续发挥重要作用，尤其是在准确性、稳定性和简单性至关重要的情况下。

实施基于标记的 AR 的实用技巧

为确保成功实施基于标记的 AR，请考虑以下提示：

• 选择正确的标记类型：选择最适合您应用程序要求的标记类型。方形标记通常适用于简单的应用程序，而自定义图像标记则提供更具视觉吸引力。
• 优化标记设计：确保 AR 应用程序可以轻松识别您的标记。使用高对比度图案并避免复杂的设计。
• 确保适当的光照：充足的光照对于准确的标记检测至关重要。避免眩光或阴影过多的环境。
• 考虑标记尺寸和放置位置：标记的尺寸和放置位置应适合观看距离和摄像头的视野范围。
• 优化性能：优化 AR 应用程序的性能，尤其是在移动设备上。使用高效的算法并最大限度地减少要渲染的虚拟对象的数量。
• 彻底测试：在各种环境中和使用不同设备彻底测试您的 AR 应用程序，以确保其可靠运行。

结论

基于标记的增强现实提供了一种强大而便捷的方式，可以将数字内容与现实世界融合在一起。它的简单性、准确性和稳健性使其成为广泛应用的宝贵工具，从教育和营销到工业培训和医疗保健。虽然无标记 AR 正在迅速发展，但基于标记的 AR 仍在继续发展和适应，并在特定用例中保持其相关性。通过了解其原理、优势和局限性，开发人员可以利用基于标记的 AR 来创造引人入胜且有影响力的增强现实体验。