來源：AI公園作者：Nico Klingler編譯：ronghuaiyang

導(dǎo)讀

增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)正在徹底改變我們與外部世界的互動方式。即便是在引人入勝的沉浸式敘事和交互體驗背后，這一切魔法都是通過尖端技術(shù)的精妙協(xié)調(diào)創(chuàng)造出來的。

增強現(xiàn)實(AR)與虛擬現(xiàn)實(VR)：計算機視覺引領(lǐng)混合現(xiàn)實體驗

增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)正在徹底改變我們與外部世界的互動方式。即便是在引人入勝的沉浸式敘事和交互體驗背后，這一切魔法都是通過尖端技術(shù)的精妙協(xié)調(diào)創(chuàng)造出來的。

計算機視覺是其中的主要推動力，它默默地但強有力地引導(dǎo)著虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的順暢過渡。在本文中，我們將帶你深入了解計算機視覺在混合現(xiàn)實中的應(yīng)用：

AR/VR基礎(chǔ)知識及關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)知的挑戰(zhàn)

重要的實際應(yīng)用

最佳開源項目

AR和VR領(lǐng)域的頂級AI視覺趨勢

計算機視覺在AR和VR中的基礎(chǔ)

理解、分析并自動從數(shù)字圖像和視頻中提取數(shù)據(jù)是人工智能(AI)子領(lǐng)域計算機視覺的重點。增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)這兩種沉浸式技術(shù)正在深刻改變我們與環(huán)境的互動方式。而這些技術(shù)在很大程度上依賴于計算機視覺。

計算機視覺(CV)是能夠轉(zhuǎn)變行業(yè)并增強日常體驗的基礎(chǔ)構(gòu)建塊。這項技術(shù)通過在數(shù)字世界與物理世界之間架起橋梁，創(chuàng)造了無縫、沉浸式的AR和VR體驗。

在增強現(xiàn)實(AR)中，計算機視覺被用于：

物體檢測用于識別視覺數(shù)據(jù)中的物體

物體跟蹤用于理解物體的移動、計數(shù)人群和物體

同時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)使機器人能夠在地圖上定位自身

在虛擬現(xiàn)實(VR)中，計算機視覺被用于：

手部姿態(tài)估計和手勢跟蹤

視線跟蹤和注視識別

空間映射和點云技術(shù)

用于視線跟蹤的計算機視覺系統(tǒng)

高級追蹤與空間映射

為了實現(xiàn)流暢且沉浸式的AR/VR體驗，精確的追蹤與空間映射至關(guān)重要。這些技術(shù)使系統(tǒng)能夠識別三維空間中物體的形狀、位置和朝向。這些信息被用來創(chuàng)建各種增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。具體例子包括：

精確物體放置。虛擬物體可以準(zhǔn)確地放置并固定在現(xiàn)實世界中，實現(xiàn)真實的互動和遮擋效果。

自然導(dǎo)航。用戶可以在虛擬環(huán)境中自由移動或操縱物體，因為系統(tǒng)會追蹤他們的動作和手勢。

增強現(xiàn)實疊加。信息和圖形可以無縫地疊加到現(xiàn)實世界中，與實體對象和表面對齊。

沉浸式物體識別與互動

創(chuàng)建完全沉浸式的增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實體驗需要對物體檢測和互動有基礎(chǔ)的理解。這些技術(shù)讓用戶能夠輕松地與虛擬物體互動，就像它們真實存在一樣，從而提供了一種新的參與度和真實感。

接下來，我們將探討一些最受歡迎的AR/VR技術(shù)，這些技術(shù)推動了沉浸式物體互動和識別的極限。

沉浸式物體識別與互動

Occlusion-Aware Rendering（遮擋感知渲染）

為了讓增強現(xiàn)實體驗顯得可信，虛擬物體必須能夠準(zhǔn)確地與現(xiàn)實世界的物體互動并產(chǎn)生遮擋效果。因此，我們需要精確的深度估計和場景理解，以確定哪些物體位于其他物體前面，并相應(yīng)地調(diào)整顯示。

這可以通過使用深度感應(yīng)攝像頭進行立體視覺，以及基于學(xué)習(xí)的方法來實現(xiàn)。

計算機視覺技術(shù)可以增強和優(yōu)化虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的深度視覺圖像，以實現(xiàn)更加沉浸式的用戶體驗

實時物體操控

讓用戶能夠像對待真實物體那樣拾取、移動和與虛擬物體互動是沉浸式AR/VR體驗的關(guān)鍵。這需要準(zhǔn)確的物體識別、姿態(tài)估計、實時物理模擬，以及諸如碰撞檢測與響應(yīng)、抓取與操控技巧以及觸覺反饋等關(guān)鍵技術(shù)。

表面檢測與追蹤

準(zhǔn)確地檢測和追蹤現(xiàn)實世界的表面使虛擬元素能夠有效地附著并與之互動，從而在AR中創(chuàng)造出自然而直觀的互動。

多模態(tài)物體識別與互動

結(jié)合來自多個傳感器（相機、LiDAR、IMU）的信息可以帶來更強大和準(zhǔn)確的物體識別與互動，特別是在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。例如，LiDAR數(shù)據(jù)可以提供準(zhǔn)確的深度信息，而相機則提供了豐富的紋理和顏色細節(jié)。

物體屬性與行為識別

識別物體的屬性和行為（例如硬度、重量、易碎性）可以進一步增強互動的真實感。這可以通過分析物體形狀、材質(zhì)以及過去與物體的互動通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)來實現(xiàn)。

實時手勢識別

實時手勢識別是AR/VR中直觀和自然互動的核心。通過解讀手部和身體的動作，用戶可以控制虛擬物體、導(dǎo)航環(huán)境并在這些沉浸式世界中表達自己。接下來，我們將深入探討塑造這一激動人心領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用：

手部姿態(tài)估計

手勢識別的基礎(chǔ)在于準(zhǔn)確理解手部的姿態(tài)和配置。這是通過各種技術(shù)實現(xiàn)的：

混合方法。將標(biāo)記法和無標(biāo)記法相結(jié)合，通常使用標(biāo)記進行初始校準(zhǔn)和粗略追蹤。無標(biāo)記方法提供了手指運動更精細的細節(jié)。

基于標(biāo)記的追蹤。無需使用計算機視覺，而是將物理的小標(biāo)記附著在手套或手指上以測量和追蹤它們的移動。雖然簡單可靠，但這可能較為笨重且限制了自然的手勢。

無標(biāo)記追蹤。利用計算機視覺算法直接從相機圖像分析手部姿勢。深度學(xué)習(xí)模型通過在大量手部圖像數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練實現(xiàn)了令人印象深刻的準(zhǔn)確性，但需要相當(dāng)大的計算資源。

手勢識別與分類

一旦手部姿態(tài)被估計出來，就需要根據(jù)它們的意義來識別和分類手勢。這包括：

手勢庫。預(yù)定義的一組常見手勢及其關(guān)聯(lián)的手部姿態(tài)用于簡單的識別任務(wù)。

機器學(xué)習(xí)模型。通過在大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)算法可以準(zhǔn)確地識別復(fù)雜和動態(tài)的手勢。其他方法追蹤關(guān)鍵點來理解動作。

情境感知識別?？紤]周圍環(huán)境和用戶意圖以提高手勢識別的準(zhǔn)確性，尤其是在可能有多重解釋的情況下。

同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）

AR/VR中的一個重要組成部分是SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與地圖構(gòu)建）。這使得機器人或智能設(shè)備能夠在環(huán)境中追蹤自己的位置并同時創(chuàng)建地圖。SLAM技術(shù)對于在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航以及在繁忙情況下維持空間意識至關(guān)重要。

視覺SLAM。利用攝像頭捕捉視覺數(shù)據(jù)并提取特征，如邊緣和角點。算法隨后使用這些特征來估算設(shè)備的位置（位置和朝向），并相應(yīng)地更新地圖。

LiDAR SLAM。采用LiDAR傳感器來測量與物體的距離并生成環(huán)境的三維點云。這使得更準(zhǔn)確和更具彈性的地圖構(gòu)建成為可能，特別是在低紋理或光線不足的情況下。

融合型SLAM。結(jié)合來自多個傳感器（攝像頭、LiDAR、IMU）的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)更強大和更準(zhǔn)確的追蹤和地圖構(gòu)建，尤其是在單個傳感器可能難以應(yīng)對的具有挑戰(zhàn)性的條件下。

利用計算機視覺增強用戶界面

除了幫助AR和VR用戶理解他們周圍的環(huán)境外，計算機視覺還在改變這些沉浸式體驗中用戶與數(shù)字組件互動的方式。開發(fā)者可以利用從視覺數(shù)據(jù)中獲得的洞察來設(shè)計更直觀、自然且具有情境感知能力的用戶界面（UI）。

以下是一些最重要的技術(shù)：

視線跟蹤

自動化的視線跟蹤超越了眼睛注視檢測，理解用戶看向何處以及注視時間。這些信息可用于：

聚焦注意力。VR系統(tǒng)可以根據(jù)用戶注視的區(qū)域引導(dǎo)渲染資源，提高視覺保真度并減少計算負載。

自適應(yīng)內(nèi)容。通過根據(jù)用戶注視的地方調(diào)整內(nèi)容、細節(jié)水平或敘述，從而創(chuàng)建更個性化和更具吸引力的體驗。

使用視線檢測的虛擬現(xiàn)實

基于注視的互動

基于眼睛跟蹤，基于注視的互動消除了對物理控制器或傳統(tǒng)UI元素的需求。用戶可以通過注視虛擬物體或菜單并執(zhí)行預(yù)定義的動作（如停留時間選擇、注視手勢或虹膜跟蹤）直接與之互動。這創(chuàng)造了一個更加沉浸式且無需手部操作的互動體驗。

動態(tài)UI覆蓋

AR中的靜態(tài)UI覆蓋可能會打斷對現(xiàn)實世界的自然視野。計算機視覺使動態(tài)覆蓋成為可能，這些覆蓋能夠：

適應(yīng)環(huán)境。覆蓋層可以根據(jù)周圍物體和場景上下文調(diào)整其大小、位置和外觀，從而減少視覺雜亂并保持用戶的注意力集中。

執(zhí)行遮擋感知渲染。當(dāng)虛擬元素被現(xiàn)實世界中的物體遮擋時，可以選擇性地隱藏或透明渲染，確保物理世界和數(shù)字世界的無縫融合。

面部表情識別

通過面部表情理解用戶情緒可以以多種方式增強AR/VR界面：

適應(yīng)性互動。虛擬化身或系統(tǒng)可以對用戶的情緒做出同理心的反應(yīng)，提供個性化的反饋或相應(yīng)地調(diào)整體驗。

殘疾人士的無障礙功能。面部情感識別可用于開發(fā)針對言語或運動障礙個體的替代溝通方法。

計算機視覺在AR和VR中的挑戰(zhàn)

盡管計算機視覺為AR/VR開辟了一個充滿激動人心可能性的世界，但仍面臨重大挑戰(zhàn)：

計算限制。特別是對于包含高分辨率圖像和多個傳感器的復(fù)雜場景，實時處理視覺數(shù)據(jù)需要大量的計算資源。電池壽命和設(shè)備過熱可能成為移動AR/VR應(yīng)用的限制因素。

光照和環(huán)境變化。在不同的光照條件、陰影和遮擋下，算法模型表現(xiàn)可能會顯著下降。在光線昏暗或雜亂的環(huán)境中，準(zhǔn)確的物體識別和追蹤變得具有挑戰(zhàn)性。

遮擋處理。準(zhǔn)確處理被遮擋的物體并確保當(dāng)現(xiàn)實世界中的物體部分遮擋虛擬元素時實現(xiàn)無縫過渡仍然是一個技術(shù)難題。

數(shù)據(jù)和隱私問題。訓(xùn)練強大的計算機視覺模型需要大量的標(biāo)注數(shù)據(jù)。這引發(fā)了關(guān)于數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)集潛在偏見的擔(dān)憂。

推動前進的創(chuàng)新

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，研究人員和開發(fā)者仍在不斷推動計算機視覺在真實世界中的AR/VR邊界：

邊緣計算。將計算密集型任務(wù)從設(shè)備卸載到云端或邊緣網(wǎng)絡(luò)減輕了AR/VR設(shè)備的處理負擔(dān)，進而提高了性能和電池壽命。

輕量化深度學(xué)習(xí)模型。開發(fā)更小且更高效的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，在不犧牲準(zhǔn)確性的情況下優(yōu)化資源受限設(shè)備上的性能。

傳感器融合。結(jié)合來自多個傳感器（攝像頭、LiDAR、IMU）的數(shù)據(jù)提供了更豐富的環(huán)境信息，從而實現(xiàn)更強大和準(zhǔn)確的追蹤、地圖構(gòu)建和物體識別。

合成數(shù)據(jù)生成。生成具有可控光照變化、背景和遮擋的真實感合成數(shù)據(jù)可以增強真實世界數(shù)據(jù)集，并提高算法的魯棒性。

隱私保護技術(shù)。安全飛地和差異隱私方法可以在收集、處理和存儲期間保護用戶數(shù)據(jù)，解決了計算機視覺應(yīng)用中的隱私問題。

跨行業(yè)的AR/VR應(yīng)用

視頻游戲

在AR游戲中，現(xiàn)實世界通過數(shù)字疊加得到增強，允許玩家與環(huán)境互動。這項技術(shù)引入了基于地理位置的挑戰(zhàn)，將游戲帶入街道和公共空間。另一方面，VR游戲?qū)⑼婕規(guī)胪耆摂M的世界，提供一種沉浸感，使用戶感覺自己置身于游戲環(huán)境中。

運動控制器、觸覺反饋和逼真的模擬增強了游戲體驗，使其更加吸引人和真實。

教育與培訓(xùn)

增強現(xiàn)實(AR)利用計算機視覺精確地映射并將數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實世界的教育內(nèi)容上，使學(xué)生能夠與增強的內(nèi)容互動。在虛擬現(xiàn)實(VR)中，復(fù)雜的計算機視覺系統(tǒng)通過追蹤用戶的動作、手勢和互動來創(chuàng)建沉浸式的合成環(huán)境。這些技術(shù)使用復(fù)雜的CV模型進行實時物體識別、空間映射以及數(shù)字元素的精確對齊。

例如，虛擬環(huán)境可以讓建筑學(xué)學(xué)生探索和操作三維建筑模型，提供真實的比例感和比例感。學(xué)生可以虛擬地穿行于建筑物中，可視化不同的設(shè)計元素，并體驗空間是如何組合在一起的。

零售與產(chǎn)品可視化

在零售應(yīng)用中，AR/VR技術(shù)的實施遠遠超出了虛擬試穿體驗，對于轉(zhuǎn)變整體購物旅程起到了至關(guān)重要的作用。這些技術(shù)提供了沉浸式和交互式的特點，如增強的產(chǎn)品展示和虛擬展廳。顧客可以探索詳細的產(chǎn)品信息，比較選項，并體驗商店的虛擬游覽。

此外，AR應(yīng)用提供了有關(guān)產(chǎn)品的實時信息、促銷活動和個人化推薦，創(chuàng)造了一個動態(tài)且吸引人的購物環(huán)境。這不僅提升了顧客體驗，還為零售商提供了有關(guān)消費者偏好和行為的寶貴見解。

制造與設(shè)計

在制造領(lǐng)域，AR疊加提供了實時指導(dǎo)和信息，適用于裝配、維護和設(shè)計驗證等任務(wù)。工人可以在其物理環(huán)境中訪問關(guān)鍵數(shù)據(jù)和指令，從而提高效率和準(zhǔn)確性。這些技術(shù)通過讓工人能夠虛擬地可視化復(fù)雜的過程和機械，促進了增強型培訓(xùn)程序的實施。

此外，AR/VR應(yīng)用有助于設(shè)計驗證，使工程師能夠在物理生產(chǎn)之前在模擬環(huán)境中評估和改進原型。這種集成提高了整體生產(chǎn)力，減少了錯誤，確保了更順暢和有效的制造工作流程。

醫(yī)療保健

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，AR/VR解決方案的整合在遠程手術(shù)支持中發(fā)揮著核心作用，為外科醫(yī)生提供沉浸式和精確的可視化，從而增強他們在遠程執(zhí)行手術(shù)的能力。此外，AR/VR在康復(fù)鍛煉中也起到重要作用，通過提供交互性和個性化的模擬來幫助患者恢復(fù)。

醫(yī)療培訓(xùn)也從中受益，這些技術(shù)使醫(yī)療保健專業(yè)人士能夠接受現(xiàn)實且沉浸式的模擬訓(xùn)練。精確的追蹤和物體識別能力為這些應(yīng)用的準(zhǔn)確性和有效性做出了貢獻。這些進步體現(xiàn)在患者護理、手術(shù)程序和醫(yī)學(xué)教育等多個方面。

與人工智能的合作與集成

計算機視覺與人工智能（AI）之間的協(xié)同作用正在以前所未有的速度推動AR/VR的發(fā)展。通過結(jié)合各自的優(yōu)勢，這些技術(shù)正在解鎖沉浸式體驗中的新層次感知、理解和互動。

機器學(xué)習(xí)處于這種合作的核心，賦予計算機視覺算法以下能力：

從大規(guī)模數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)。經(jīng)過大量標(biāo)注視覺數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型能夠以越來越高的準(zhǔn)確性識別物體、追蹤動作和解釋手勢。

適應(yīng)多樣化的環(huán)境。通過從不同的光照條件、背景和物體變化中學(xué)習(xí)，算法變得更加健壯，并能很好地泛化到未知情景中。

推理和做決策。AI驅(qū)動的計算機視覺能夠識別物體，并推理它們之間的關(guān)系、互動及其在AR/VR環(huán)境中的含義。

協(xié)作創(chuàng)新的例子：

實時場景理解。AI可以實時分析視覺數(shù)據(jù)，理解AR/VR場景中的空間布局、物體和活動。這使得虛擬元素和內(nèi)容能夠根據(jù)上下文動態(tài)適應(yīng)。

個性化的AR體驗。AI算法可以通過學(xué)習(xí)用戶偏好來個性化AR體驗，定制內(nèi)容、互動和信息傳遞以滿足個人需求和興趣。

情感智能的VR化身。AI可以通過分析用戶的面部表情和語音模式來創(chuàng)建能夠同情地響應(yīng)并動態(tài)調(diào)整行為以適應(yīng)用戶情緒的虛擬化身。

AR應(yīng)用中的預(yù)測性維護。通過分析工業(yè)設(shè)備的視覺數(shù)據(jù)，AI驅(qū)動的計算機視覺可以預(yù)測潛在故障，并通過AR輔助的維修過程指導(dǎo)技術(shù)人員。

最佳的AR/VR開源項目

開源社區(qū)在推進AR/VR的計算機視覺方面發(fā)揮了核心作用。通過提供免費可用的平臺、庫和數(shù)據(jù)集等資源，開源社區(qū)賦予開發(fā)者和研究者創(chuàng)建突破性應(yīng)用的能力。

以下是社區(qū)為AR/VR工具做出的一些值得注意的貢獻：

OpenCV。這是一個靈活的庫，適用于實時計算機視覺應(yīng)用。OpenCV經(jīng)常被用于圖像處理、物體追蹤和AR/VR應(yīng)用。

ARKit。蘋果用于在iOS設(shè)備上構(gòu)建AR體驗的框架提供了訪問相機、LiDAR和運動追蹤等功能的能力。

ARCore。谷歌用于在Android設(shè)備上構(gòu)建AR體驗的框架提供了類似ARKit的功能。

斯坦福大學(xué)的SUN3D。這是一個包含帶有相應(yīng)3D場景注釋的大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)集，對于訓(xùn)練物體識別和場景理解算法非常有價值。

Matterport3D。這是一個全面收集的室內(nèi)環(huán)境3D掃描數(shù)據(jù)集，對于使計算機能夠開發(fā)和測試AR/VR中的空間映射和導(dǎo)航算法非常有用。

ReplicaNet。這是一個由合成生成的圖像和3D模型組成的數(shù)據(jù)集，提供了一個受控環(huán)境，用于在不同條件下訓(xùn)練和評估計算機視覺算法。

計算機視覺在AR和VR中的趨勢

計算機視覺在AR/VR領(lǐng)域的未來充滿了激動人心的可能性：

• 超現(xiàn)實體驗。

渲染技術(shù)、物體識別和場景理解的進步將創(chuàng)造出幾乎無法區(qū)分的物理世界與數(shù)字世界的融合。

• 情感計算。

VR/AR系統(tǒng)將通過面部表情、語音分析和生理數(shù)據(jù)識別并響應(yīng)用戶的情緒，從而創(chuàng)造出更加個性化和引人入勝的體驗。

• 混合現(xiàn)實(MR)。

AR與VR之間的界限將繼續(xù)模糊，創(chuàng)造出具有日益復(fù)雜互動的現(xiàn)實和虛擬環(huán)境。

• 無處不在的AR。

隨著AR設(shè)備變得更小巧并更緊密地融入日常穿戴設(shè)備中，計算機視覺將使人們能夠與數(shù)字世界互動。

總而言之，計算機視覺在AR/VR中的作用是構(gòu)建逼真且引人入勝體驗的基礎(chǔ)。憑借從手勢控制和物體識別到實時互動和空間映射的能力，計算機視覺正在改變我們與環(huán)境的互動方式。通過解決持久存在的問題、促進開源協(xié)作和擁抱持續(xù)創(chuàng)新，計算機視覺將繼續(xù)拓展虛擬世界的邊界。這將改變現(xiàn)實生活中的計算機交互方式，并顛覆眾多行業(yè)。