“You can’t really understand what is going on now without understanding what came before.” — Steve Jobs
作者｜胡佛
编辑｜喵君
增强现实－Augmented Reality (AR)
是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。- Wikipedia
近几年，AR技术越来越备受关注，从娱乐、电商、教育、旅游、医疗、到可穿戴等等...似乎你所关注的一切领域，都有可能出现。其实AR技术本身并不是一项新技术，甚至已经经历的几十个年头的漫长演变发展到今天。下面我们就一起来回顾一下 AR技术的发展历程。
演进史：
1. 科幻作家的想象
1901年：《The Master Key》by Frank Baum
2. 实验室研究
1968年：达摩克利斯之剑
1975年：Videoplace，首次实现人与虚拟元素互动
3. 进入专业应用领域
1992年："Augmented Reality" 首次出现
1993年：KARMA，AR 协助维修打印机
1993年：Chameleon，手持 AR 设备的先驱
1994年：AR 首次应用于医疗领域
1995年：NaviCam，最早的 Marker-based AR
1996年：Studierstube，首次应用于教育领域
1997年：Touring Machine，第一个室外 AR 系统
1998年：Map-in-the-Hat / Tinmith，第一款著名的室外 AR 游戏
1999年：ARToolKit，第一个 AR 开源框架
1999年：ARVIKA，AR 首次大规模服务于工业生产
4. 走进普通用户
2003年：NFL 中首次应用 1st＆Ten® 黄线技术
2009年：《Esquire》杂志，平面媒体首次应用 AR 技术
2013年：Osmo，首个获得成功的 AR 儿童教育玩具
2015年：现象级 AR 手游《Pokémon GO》
2015年 ~ 现在：Hololens 等新一代 AR 头显
5. 最后：AR 距离我们到底还有多远？
1. 科幻作家的想象
1901年：《The Master Key》by Frank Baum
《The Master Key》是一本1901年的科幻小说，故事的主人公是一个名叫 Rob 的小男孩。他是一个很狂热的科技爱好者，每天都在家鼓捣一些电气方面的小发明。偶然的一个机会，当他接通一个开关的时候，一道闪光，出现了一个自称是「电魔鬼」的人。
电魔鬼很像大家熟悉的多啦a梦，每周都会给 Rob 三个来自未来的小礼物。在第二周，电魔鬼给了 Rob 一副神奇的眼镜。这副眼镜的神奇之处在于，当你带上它之后，你面前的每个人的额头上，都会显示一个标记，用于标识他/她的性格。如果是一个好人，会显示 G，代表 Good；如果是一个坏人，会显示 E，代表 Evil；如果是个智者，会显示 W，代表 Wise；如果是一个笨蛋，会显示 F，代表 Foolish……
这是有据可查人类第一次将 AR 的应用场景如此清晰的描述出来，它包含了一个 AR 应用几乎所有的特点：可穿戴、目标识别、目标追踪等等。
2. 实验室研究
1968年：达摩克利斯之剑
达摩克利斯之剑（The Sword of Damocles）是人类实现的第一个 AR 设备。它是由 1988 年计算机图灵奖获得者，号称「计算机图形学之父」的 Ivan Sutherland 教授主导研发的。
在 1965 年，Ivan 就在一篇文章中描述了如下的场景：
最终极的显示设备，能够让计算机控制房间中的物品是否存在。这个房间中一个虚拟的椅子能很自然的放在地面上，就好像马上可以坐上去一样。通过恰当的编程和场景设计，能够让人感到仿佛如同爱丽丝梦游仙境一般。
1968 年，他与他的学生 Bob Sproull 共同完成了「达摩克利斯之剑」项目。这个项目设计了一个头戴式显示器（head-mounted display, 简称 HMD），可以在现实中叠加一个透明的立方体。
视频
1975年：Videoplace，首次实现人与虚拟元素互动
Myron Krueger 于 1975 年创建了 Videoplace 项目，他想让 Videoplace 可以直接响应用户的动作或手势，并且无需用户佩戴任何头戴设备或手套。
Videoplace 使用了投影仪、摄像机以及一些特有的硬件来把用户的剪影与虚拟场景混合。当用户位于实验室不同的房间时，依然可以通过这个系统进行交互。具体效果如视频：https://www.youtube.com/watch?v=d4DUIeXSEpk
Videoplace 可以直接捕获用户的手势或动作的图像信息，与虚拟元素进行互动。这应该算是最早实现人与虚拟元素进行实时互动的例子了。
3. 进入专业应用领域
1992年："Augmented Reality" 首次出现
1992 年，波音公司的研究员 Caudell 和 Mizell 在论文《Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes》中首次使用了 Augmented Reality 这个词来描述增强现实这项技术。他们用一个 HMD 来给制造飞机的工人显示电路装配图。
1993年：KARMA，AR 协助维修打印机
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。
1993年：Chameleon，手持 AR 设备的先驱
视频：https://www.youtube.com/watch?v=Ov8VbxyQ8Yc&usg=AFQjCNEdOE_-8EmbiuFa3bjjWxsmLseIGw
多伦多大学在 1993 年完成的 Chameleon 项目，是通过将一个手持的 LCD 显示器、动作传感器以及一个 SGI 的图形工作站连接在一起，从而在真实环境下虚拟出一个 3D 的汽车模型，随着 LCD 显示器的移动，显示器中的跑车模型也会做出相应的变化，仿佛这个 3D 模型就真的存在在真实世界一样。这个应用场景与现在许多智能手机的 AR 应用非常相似，因此，它被认为是手持 AR 设备的先驱。
1994年：AR 首次应用于医疗领域
北卡罗来纳大学教堂山分校的 Andrei State 等人开发了一个医疗领域的 AR 应用，用以实时的在孕妇的身体上展示胎儿的情况。尽管到目前为止，在人体上准确的展示 3D 模型依然是一个巨大的挑战，但这个项目让人们看到了 AR 在医疗领域应用的巨大潜力，并且启发了许多后来 AR 与医疗领域结合的研究。
1995年：NaviCam，最早的 Marker-based AR
NaviCam 是由索尼计算机科学实验室的长尾确和历本纯一开发的，被认为是真正意义上第一个手持 AR 设备。它在一个手持的显示器上配备了一个摄像头，用于实时接收真实世界的图像信息，并传给工作站进行图像分析和处理。他们发明了一个类似条形码的颜色条标识，当摄像头监测到特定的颜色条时，就能在屏幕实时的展示出预先为颜色条设定好的描述信息，可以算是最早的 Marker-based AR。
1996年：Studierstube，首次应用于教育领域
Studierstube 是 Schmalstieg 等人开发的第一个可协作的 AR 应用。在这个系统中，每一个用户通过一个 HMD 和地磁传感器，就能在各自的视野中体验到同一个虚拟物品。一个典型的应用就是 Kaufmann 通过 Studierstube 系统在高中几何课上教学生立体几何的知识。
1997年：Touring Machine，第一个室外 AR 系统
1997 年，哥伦比亚大学开发了第一个室外 AR 系统：Touring Machine。它配备了一个拥有 GPS 和方向跟踪的 HMD，以及一个装有计算机、传感器的背包和一个用于输入的平板电脑。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：Map-in-the-Hat / Tinmith，第一款著名的室外 AR 游戏
1998 年，Bruce Thomas 等人开发了一套户外 AR 导航系统，名叫 Map-in-the-Hat. 而它的继任者——Tinmith（This is not map in the hat 的缩写）成为了一个著名的室外 AR 平台。使用这个平台开发的最著名的应用是名叫 ARQuake的 AR 游戏。ARQuake 是著名的第一人称游戏 Quake 移植到 Tinmith 上的版本，下面这幅图演示了在一个真实的停车场里打僵尸的场景。
1999年：ARToolKit，第一个 AR 开源框架
加藤博一教授和 Mark Billinghurst 共同开发了第一个 AR 开源框架：ARToolKit。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。
1999年：ARVIKA，AR 首次大规模服务于工业生产
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。
4. 走进普通用户
2003年：NFL 中首次应用 1st＆Ten® 黄线技术
Sportvision 公司 2003 年在 NFL 的橄榄球比赛转播中推出了 1st＆Ten® 系统，该系统可以在球场上直接叠加一条黄线，用于标示攻方的首攻（first-down）线。通过上图可以看到，这条虚拟的黄线与球场、球员融合得非常自然，因此 1st＆Ten 系统一经推出就不断得到观众和比赛解说员的一致好评。现在 1st＆Ten 的黄线已经成为了每场橄榄球赛的的必备元素之一，类似的技术随后也大量的使用在其他体育比赛中。
2009年：《Esquire》杂志，平面媒体首次应用 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。
视频：https://www.youtube.com/watch?v=wp2z36kKn0s
2013年：Osmo，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。
2015年 ~ 现在：Hololens 等新一代 AR 头显
2015年，Microsoft 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。
而 Magic Leap 是 AR 领域最著名的创业公司，Magic Leap 与 Hololens 最大的不同应该是显示部分的区别。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）。阿里巴巴、Alphabet、Andreesen Horowitz、摩根大通和华纳兄弟公司等已向其投资了大约14亿美元。
Meta 是与 Hololens 类似的头显产品，但价格相比与 Hololens 便宜了不少，目前的预售价是949美元。
5. 那么：AR 距离我们到底还有多远？
随着智能手机的普及，移动 App 中也出现了许多 AR 方面的应用。近几年，阿里巴巴和蚂蚁金服在 AR 领域也做了很多探索和实践，比如2016年天猫11·11购物节的「捉猫猫」、聚划算大促中的「扫 logo」、「全民扫钱」，支付宝2017年春节的 「AR 红包」等活动，都大大拉近了普通用户和 AR 之间的距离。那么，AR 技术是不是马上就要走入每一个人的生活了呢？我们先来了解一下，一项新技术从产生到普及的发展规律。
新技术从产生到成熟大致要经历四个阶段。
第一阶段，是对于这项技术使用场景的想象，一般只出现在科幻小说或人们的幻想之中，这一阶段明确了这项技术的应用场景；
第二阶段，是使用这项技术实现的第一版产品。由于新事物给人带来的震撼和新奇感，往往让人一下子就被深深的吸引。但由于这一阶段的产品重心在于突破技术难题，而非解决实际需求，导致这一阶段的产品距离普通用户使用还有较大的距离；
第三阶段，是在第一个阶段产品的基础上，充分结合了用户实际的使用场景，生产出的解决用户实际问题的产品。但这个阶段的产品有一个缺点：贵。由于技术发展的客观限制，导致这个阶段的产品成本居高不下，因此它一般只能成为高端人士或企业用户专享的产品；
第四阶段，是在第三阶段的基础上，解决了成本的问题，这样这项技术就能真正意义上被普及开了。
以我们目前大家都在使用的视窗操作系统为例：
第一阶段是科幻作家和科学家对于未来计算机的描述和想象；
第二阶段就是施乐 PARC 研究中心的图形操作系统，尽管很粗糙且不是很实用，但前来参观的乔布斯用敏锐的眼光发现了这就是未来；
第三阶段是苹果公司生产的基于视窗操作系统的 Macintosh 电脑，它已经能够解决用户日常操作计算机的许多问题，但由于 Macintosh 电脑昂贵的价格，导致普通人依然无法使用；
第四阶段的图形操作系统就是大家每天都在使用的基于 Windows 操作系统的电脑了，它比苹果的电脑便宜了很多，才使得视窗操作系统真正走入了普通百姓的家庭。
对应到 AR 技术，文中介绍的许多项目都是第二阶段的产品，而现今的 Hololens、Meta 等产品，已经达到或接近了第三阶段，除了价格比较昂贵之外，它们已经可以解决用户的许多实际问题。
不过除成本因素以外，一些技术问题仍然有待解决。
下一篇文章，将给大家介绍一下 《AR 算法原理及深度学习在计算机视觉中的应用》敬请期待...
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