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本书系统论述了增强现实理论、技术及应用的方方面面。全书分成理论篇、技术篇和应用篇，共11 章。其中理论篇侧重讨论增强现实概念和发展历史、人类视觉成像基本原理、视觉三维感知基础理论，光场概念及其研究进展；技术篇讲解了增强现实涉及的各方面技术，包括三维图形绘制技术、位姿跟踪注册技术、虚实融合呈现技术和自然人机交互技术；应用篇讨论了增强现实系统基本组成、典型领域应用前景分析，并给出了军事领域应用前景分析。全书架构清晰，内容完整，层次递进，可以为增强现实相关行业提供技术参考和方向指引。

理  论  篇
第1章  增强现实概念和发展历史	2
1.1  相关概念介绍	2
1.1.1  虚拟现实	3
1.1.2  增强现实	4
1.1.3  混合现实	6
1.1.4  虚实统一体	7
1.1.5  增强现实与虚拟现实的区别	7
1.1.6  “人-机-环境”关系	9
1.1.7  元宇宙	10
1.2  增强现实呈现手段	11
1.2.1  视觉呈现	12
1.2.2  听觉呈现	12
1.2.3  触觉呈现	13
1.2.4  嗅觉和味觉呈现	14
1.3  增强现实应用的发展	14
1.3.1  增强现实用于电视转播	15
1.3.2  首款增强现实游戏原型	16
1.3.3  谷歌眼镜和微软HoloLens	17
1.4  增强现实关键技术	17
1.4.1  位姿跟踪注册技术	17
1.4.2  虚实融合呈现技术	18
1.4.3  自然人机交互技术	19
1.5  增强现实应用领域	20
第2章  人类视觉成像基本原理	21
2.1  人眼基本生理结构	21
2.1.1  眼球组织的分层构造解析	21
2.1.2  视觉感知流程	23
2.1.3  视觉感知类型	24
2.1.4  视觉基本概念	26
2.2  人眼立体视觉感知	30
2.2.1  心理立体感知	30
2.2.2  生理立体感知	31
2.3  视觉感知的四个层级	33
2.3.1  传统平面显示屏	34
2.3.2  影院式立体眼镜	34
2.3.3  沉浸式立体显示	35
2.3.4  光场式立体呈现	37
第3章  视觉三维感知基础理论	38
3.1  分层射影几何	38
3.1.1  分层射影几何基本概念	38
3.1.2  二维射影空间	40
3.1.3  三维射影空间	42
3.2  相机成像模型	43
3.2.1  小孔相机模型	44
3.2.2  图像的像素化	44
3.2.3  坐标系的变换	45
3.2.4  完整变换过程	45
3.2.5  成像矩阵表示	46
3.3  多视图几何理论	47
3.3.1  两幅图像的对极几何关系	47
3.3.2  基本矩阵的估计方法	48
3.3.3  三幅图像的多焦距张量	49
3.3.4  三焦距张量的估计方法	52
3.4  三维重建与增强现实的关系	53
第4章  光场概念及其研究进展	54
4.1  光场基本概念	54
4.1.1  光场的参数表示	54
4.1.2  光场的四维表示	55
4.1.3  光场的几何解释	59
4.1.4  光场的魔盒解释	60
4.2  光场数据采集	61
4.2.1  基于相机阵列的光场数据采集	61
4.2.2  基于微透镜阵列的光场数据采集	66
4.2.3  基于编码掩膜的光场数据采集	73
4.2.4  光场数据采集方案的对比分析	75
4.3  光场数据处理	75
4.3.1  光场数据的可视化处理	75
4.3.2  基于光场数据的重聚焦	77
4.3.3  基于光场数据的深度估计	79
4.4  光场数据显示	84
4.4.1  体三维显示	84
4.4.2  多视投影阵列显示	86
4.4.3  集成成像显示	88
4.4.4  多层液晶张量光场显示	89
4.5  光场研究意义	93
4.5.1  理论研究价值	93
4.5.2  潜在的应用领域	94
4.5.3  与增强现实的关系	95
技  术  篇
第5章  增强现实中的三维图形绘制技术	98
5.1  计算机图形学基础	98
5.1.1  基本图形元素	99
5.1.2  矢量几何含义	100
5.1.3  几何拓扑关系	105
5.1.4  几何实体定义	106
5.2  三维实体模型绘制	107
5.2.1  图形系统基本组成	107
5.2.2  图形绘制基本流程	108
5.3  视图模型变换过程	108
5.3.1  成像过程	108
5.3.2  模型变换	110
5.3.3  投影变换	111
5.3.4  裁剪变换	112
5.3.5  视口变换	112
5.3.6  矩阵堆栈	113
5.4  图形绘制相关技术	113
5.4.1  纹理映射	113
5.4.2  光照模型	114
5.4.3  视点漫游	116
5.4.4  GPU加速绘制	117
5.4.5  云绘制技术	120
5.5  常用图形开发接口	124
5.5.1  OpenGL	125
5.5.2  Direct3D	125
第6章  增强现实中的位姿跟踪注册技术	126
6.1  位姿跟踪注册框架	126
6.1.1  对位姿跟踪的基本要求	126
6.1.2  位姿跟踪注册方法	127
6.2  基于视觉的位姿跟踪技术	128
6.2.1  跟踪基本流程	128
6.2.2  图像特征匹配	129
6.2.3  空间位姿解算	130
6.2.4  相关数学算法	131
6.3  基于惯导的位姿跟踪技术	132
6.3.1  IMU运动模型	133
6.3.2  IMU预积分	133
6.4  其他位姿跟踪技术	134
6.4.1  基于卫星的位置跟踪	134
6.4.2  基于实时动态定位技术的位置跟踪	135
6.4.3  基于超宽带技术的位置跟踪	136
6.5  多传感器融合跟踪技术	139
第7章  增强现实中的虚实融合呈现技术	141
7.1  近眼光学微显示技术	142
7.1.1  液晶显示技术	143
7.1.2  硅基液晶显示技术	144
7.1.3  有机发光二极管显示技术	146
7.1.4  数字光处理技术	147
7.1.5  微型有机电激光显示技术	150
7.1.6  微发光二极管显示技术	151
7.1.7  其他光学显示技术	153
7.2  近眼光路组合技术	154
7.2.1  棱镜光路技术	155
7.2.2  Birdbath光路技术	155
7.2.3  自由曲面反射镜光路技术	157
7.2.4  自由曲面棱镜光路技术	157
7.2.5  光波导技术	159
7.3  环境光自适应控制技术	166
7.3.1  环境光感知技术	166
7.3.2  电致变色技术	168
7.4  近眼显示系统相关问题	170
7.4.1  光学转换效率	170
7.4.2  移动时间延迟	170
7.4.3  杂散光影响	171
7.4.4  视觉舒适性	171
第8章  增强现实中的自然人机交互技术	173
8.1  多模态人机交互框架设计	173
8.2  基于语音识别的人机交互技术	174
8.2.1  研究及应用场景	175
8.2.2  端到端语音识别	176
8.2.3  无声语音识别技术	177
8.2.4  视听语音识别技术	179
8.2.5  小结	180
8.3  基于手势识别的人机交互技术	181
8.3.1  研究及应用场景	181
8.3.2  基于计算机视觉的手势识别技术	181
8.3.3  基于生物电信号的手势识别技术	183
8.3.4  基于传感手套的手势识别技术	184
8.3.5  小结	185
8.4  基于眼动追踪的人机交互技术	185
8.4.1  研究及应用场景	185
8.4.2  眼动追踪处理流程	186
8.4.3  二维注视估计	186
8.4.4  眼动注视追踪	187
8.4.5  三维注视估计	188
8.4.6  典型应用分析	189
8.4.7  小结	191
8.5  基于触觉反馈的人机交互技术	191
8.5.1  研究及应用场景	191
8.5.2  基于引脚阵列的触觉反馈技术	192
8.5.3  基于力向量的触觉反馈技术	192
8.5.4  基于振动的触觉反馈技术	192
8.5.5  其他触觉反馈相关技术	192
8.5.6  基于可穿戴织物的增强现实触觉设备	193
8.5.7  小结	194
8.6  多模态交互融合案例分析	194
8.6.1  研究及应用场景	194
8.6.2  基于视觉和语音的双模态交互	195
8.6.3  基于手势和语音的双模态交互	195
8.6.4  基于语音、触摸、移动的多模态交互技术	201
8.6.5  基于语音与触控的多模态交互技术	201
8.6.6  基于人脸识别与触控的多模态交互技术	202
8.6.7  基于多种感官的多模态交互	203
8.6.8  基于混合脑机接口的交互	203
8.6.9  小结	204
8.7  总结	204
应  用  篇
第9章  增强现实系统基本组成	208
9.1  增强现实系统架构	209
9.2  增强现实主流硬件	210
9.2.1  感知单元	211
9.2.2  计算单元	214
9.2.3  显示单元	214
9.2.4  交互单元	215
9.3  增强现实开发工具包	218
9.3.1  发展过程	219
9.3.2  ARKit工具包	219
9.3.3  ARCore工具包	223
9.3.4  Vuforia工具包	226
9.3.5  Augument工具包	227
9.4  增强现实绘制引擎	228
9.4.1  开发者社区方面	229
9.4.2  程序开发方面	229
第10章  典型领域应用前景分析	231
10.1  工业领域应用	231
 10.1.1  建筑设计领域应用	231
 10.1.2  工业设计领域应用	232
 10.1.3  装配维修领域应用	233
 10.1.4  工业数字孪生应用	234
10.2  医疗领域应用	236
10.3  教育领域应用	238
10.4  文娱领域应用	240
第11章  军事领域应用前景分析	242
11.1  典型军事应用需求分析	242
 11.1.1  战场态势感知增强	242
 11.1.2  新型作战指挥模式	245
 11.1.3  模拟仿真训练应用	247
 11.1.4  装备辅助维修应用	249
11.2  美军的集成视觉增强系统	250
11.3  电子沙盘指控应用案例	253
 11.3.1  电子沙盘应用背景	253
 11.3.2  应用案例框架设计	253
 11.3.3  主要信息处理流程	254
 11.3.4  典型场景应用验证	255
 11.3.5  案例实践总结分析	258
11.4  班组战斗协同应用案例	260
 11.4.1  战斗协同应用背景	260
 11.4.2  应用案例框架设计	260
 11.4.3  典型场景应用验证	262
 11.4.4  主要技术难点分析	263
11.5  协同标绘应用案例	265
 11.5.1  协同标绘应用背景	265
 11.5.2  应用案例框架设计	265
 11.5.3  主要技术难点分析	267
参考文献	268

前    言
增强现实技术的目标是将计算机生成的虚拟物体、虚拟场景或提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实场景的增强。该技术能够将虚拟信息应用到真实世界，通过计算机系统提供的信息及虚实融合的手段，有效地提高用户对现实世界的感知能力和交互体验，因而该技术受到了研究人员和相关领域用户的高度关注。
作为曾经从事过虚拟现实、增强现实领域研究的也算是科班出身的科研人员，在多年解决工程技术领域现实问题的实践积累基础上，本人前几年再次受到院校思维的熏陶，对学术领域理论问题有了更深刻的理解，下决心结合自身实践写一本书，全面讨论增强现实这一连接现代和未来世界的技术方向，也算是对自己阶段性研究工作的总结。
人们认识世界的最终目的是改造世界。同样，做科研需要考虑贯通其转化过程的完整链路，因此本人从理论、技术和应用三个层面对增强现实进行了较为系统的阐述。其中，理论篇强调了其基础性和学术性，包括增强现实概念和发展历史、人类视觉成像基本原理、视觉三维感知基础理论，最后是光场概念及其研究进展；技术篇则采取并行结构，从三维图形绘制技术、位姿跟踪注册技术、虚实融合呈现技术和自然人机交互技术四个方面进行介绍，这也是实现增强现实系统的支撑技术；应用篇首先讨论了增强现实系统基本组成，然后按民用和军用两大领域进行了应用前景分析。全书架构清晰，内容完整，层次递进，可以为增强现实相关从业人员提供技术参考和方向指引，也可以作为感兴趣人士的科普资料。在思考本书架构和实际编写的过程中，本人搜集了国内外大量相关资料信息，也学习和参考了大量文献，在此对各位科研同行表示感谢。
由于多方面的原因，最主要还是自身原因，这本书出版得有些晚。不过，凡事有利也有弊，现在看来这个出版节点也不一定是坏事，就好像增强现实本身的发展，也受到了各方面的现实约束。应该说，经过几年的行业探讨和媒体关注，特别是前几年被资本领域竞相运作之后，增强现实行业逐渐回归理性，开始变得更冷静、更务实、更踏实，特别是很多小企业研发出了特定领域能用、管用的产品，通过具体场景牵引形成了自己的用户、市场及生态。实际上，本人在几年之前就预料到了这个结果，所以本书的问世正好契合了领域发展的这种态势。
真诚希望本书能够对读者在增强现实领域的学习和研究有所帮助，同时也希望它能够激发读者对增强现实领域的进一步思考与探索。衷心感谢读者的阅读和支持。由于编者水平有限，加之时间仓促，不足之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

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