在過去的20年里，信息技術(shù)的應(yīng)用從固定的辦公室和桌面計(jì)算轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)、社交媒體和移動(dòng)計(jì)算。近年來，即使將筆記本電腦歸入桌面式電腦的類別，智能手機(jī)和平板電腦的銷量也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)桌面式電腦。
雖然目前主流用戶界面還沒有完全從20世紀(jì)90年代的桌面計(jì)算（或者說是1981 Xerox Star）中脫離出來，但是當(dāng)今年輕一代獲取計(jì)算機(jī)知識的方式已經(jīng)改變：各種應(yīng)用和云計(jì)算在許多情況下取代了電腦桌面。計(jì)算已經(jīng)從一項(xiàng)在辦公室或書房中開展的工作轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時(shí)隨地進(jìn)行的活動(dòng)。
初識增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
隨著用戶逐漸遠(yuǎn)離電腦桌面，將真實(shí)世界融入我們的計(jì)算體驗(yàn)變得越來越重要�？紤]到真實(shí)世界既不是平面的，也不是由書寫文檔組成的，因此必須有一個(gè)新的用戶界面隱喻。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）有潛力成為用于情境計(jì)算的主流用戶界面隱喻。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有能將真實(shí)世界和與之相關(guān)的虛擬信息直接關(guān)聯(lián)的獨(dú)特性質(zhì)。整個(gè)世界變成了用戶界面，這引出了那句熟悉的宣言：
回到真實(shí)世界！
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的愿景是將我們自身沉浸于人造世界，這推動(dòng)了游戲設(shè)備的發(fā)展，帶來了令人驚艷的畫面效果，隨之而來的是各類頭戴式顯示器和手勢跟蹤器的出現(xiàn)。但即便如此，像虛擬現(xiàn)實(shí)這樣通過定義來獨(dú)占大眾注意力的用戶界面隱喻，也不一定是日常計(jì)算的最佳選擇。
相反，我們越來越依賴可以隨意使用并能提供容易理解的少量信息的計(jì)算界面。我們需要普適計(jì)算。這可以通過“寧靜”的計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)，這一過程會在后臺進(jìn)行，不需要用戶干涉，甚至根本不會引起用戶的注意。在需要普適交互時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)脫穎而出，成為合適的用戶界面技術(shù)。
為何寫作本書
多個(gè)相互交叉的研究領(lǐng)域聚焦于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，相關(guān)的知識體系也在快速完善。自20世紀(jì)90年代以來，我們一直以研究者的身份致力于該知識體系的相關(guān)工作。本書的主要?jiǎng)恿�來自我們所任教的格拉茨理工大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的課堂教學(xué)。在備課過程中，我們明顯感到目前沒有一本教材能夠覆蓋這個(gè)快速發(fā)展領(lǐng)域的廣度和深度。從2001年的SIGGRAPH會議開始，各種學(xué)術(shù)會議及研討會的部分演講稿都為備課提供了參考，我們也參與組織了其中的一些會議。許多基礎(chǔ)理論從那時(shí)起逐漸構(gòu)建起來，我們著眼于系統(tǒng)地匯集相關(guān)知識，同時(shí)注重新興概念與實(shí)踐信息。因此，這本書誕生了。
本書主要內(nèi)容
如書名所示，本書在原理和實(shí)踐之間力求平衡。我們的目標(biāo)是讓這本書既能服務(wù)于科學(xué)研究人員，又能服務(wù)于對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用感興趣的從業(yè)者，特別是工程師。因此，本書既可用作教材，又可用作參考讀物。為了充分利用本書，讀者需要對計(jì)算機(jī)科學(xué)有基本認(rèn)識，如果能夠了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的相關(guān)知識，或者對其感興趣，會對理解本書有所幫助�？紤]到篇幅的限制，我們無法進(jìn)一步提供必要背景技術(shù)的特定細(xì)節(jié)，而是給出了參考文獻(xiàn)。與此同時(shí)，本書謹(jǐn)慎地介紹并清楚地解釋了超出基礎(chǔ)知識的特定增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念，從而使本書自成體系。本書采用下面的篇章順序來介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)和基本方法。
第1章為本書奠定基調(diào)，介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義，簡略講述該領(lǐng)域的歷史，之后帶領(lǐng)讀者領(lǐng)略這項(xiàng)強(qiáng)大的真實(shí)世界用戶界面技術(shù)的多種應(yīng)用實(shí)例。小結(jié)部分介紹了一系列相關(guān)技術(shù)和研究領(lǐng)域的全景。
第2章的主題是顯示技術(shù)，這是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。根據(jù)視覺感知的基礎(chǔ)理論，討論了各種適用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)，尤其是頭戴式顯示、手持式顯示和投影式顯示。我們還討論了非視覺顯示技術(shù)，如聽覺和觸覺設(shè)備等。
第3章的主題是跟蹤技術(shù)，這是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的潛在核心技術(shù)之一。首先討論了理解跟蹤（廣義的定義是測量系統(tǒng)）的工作原理所需要掌握的特定知識，然后討論了傳統(tǒng)的固定跟蹤系統(tǒng)，并將其與移動(dòng)傳感器進(jìn)行比較。接下來，著重介紹了主流的光學(xué)跟蹤技術(shù)，并在最后簡述了傳感器融合的原理。
第4章繼續(xù)上一章中對光學(xué)跟蹤問題的討論，詳細(xì)介紹了用于實(shí)時(shí)位姿估計(jì)的計(jì)算機(jī)視覺算法，例如根據(jù)觀測圖像確定攝像機(jī)的位置與朝向。為了便于講解并使讀者更廣泛地了解背景知識，這一章由一系列案例研究組成。每一個(gè)案例研究僅介紹自身必需的相關(guān)知識，所以讀者不需要事先深入了解計(jì)算機(jī)視覺方面的知識。此外，本書對涉及高等數(shù)學(xué)的問題做了標(biāo)記，這些問題在實(shí)踐中通常依賴OpenCV等軟件庫來解決，因此可以被視為“黑箱”，不想深入研究的讀者可略過這部分內(nèi)容。
第5章討論用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的器件標(biāo)定和注冊方法。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，第3章所述的用于光學(xué)跟蹤的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)標(biāo)定技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可重復(fù)精確操作的必要前提。注冊是幾何上校準(zhǔn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)中的真實(shí)世界和虛擬世界的過程，從而有利于形成一致混合環(huán)境的錯(cuò)覺。
第6章聚焦于使真實(shí)和虛擬物體無縫融合的一系列計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，包括虛擬和真實(shí)物體之間正確的遮擋或陰影關(guān)系。我們也解釋了消隱現(xiàn)實(shí)，即消隱場景中的真實(shí)物體，并討論了物理攝像機(jī)的仿真。
第7章關(guān)注可視化技術(shù)，目的是使信息更容易理解。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，這意味著幾何注冊到真實(shí)場景物體上的計(jì)算機(jī)生成信息，必須按照便于用戶理解的方式擺放和設(shè)計(jì)。我們同時(shí)探討了二維增強(qiáng)（如文本標(biāo)簽）和