站在技术的前沿，紧跟视觉技术发展趋势

RAVV是位于美国硅谷的一家科技产业平台公司，专注于时代前沿的机器人、人工智能、无人驾驶、增强现实、计算机视觉应用等科技，致力于搭建一个以教育、科技、媒体、产品四个基础模块为架构的崭新平台。
RAVV教育的专家组成员囊括了加州大学伯克利分校、加州大学圣克鲁兹分校、香港理工大学、浙江大学等知名学府有关人工智能、计算机视觉应用等科技领域的学术精英。
本书为RAVV教育的教材之一，配套的RAVV课程可以让有志加入AR/VR行业的从业人员更好地增加知识、掌握技术，提高竞争力。

近年来，随着增强现实（AR）技术的火热，越来越多的人开始关注相关领域的动态及发展，尤其是相当一部分软件开发者及技术爱好者已经开始计划从事AR行业相关的研究或开发工作。由于增强现实技术近几年才进入公众的视野，且涉及众多计算机视觉的复杂概念，相关知识又有着相当的深度及广度，因此目前市面上还没有一本系统介绍增强现实相关理论基础、软硬件系统及应用案例的专业书籍。
本书从增强现实的基本概念出发，系统介绍AR相关的理论、系统设计、行业应用及发展趋势，可以作为计算机科学、电子工程及其他相关院系的计算机视觉或增强现实基础课程的参考教材，也可以作为有意从事AR相关行业的从业人员的业务参考书。同时，对增强现实技术感兴趣的读者，也可以通过本书对AR的不同方面有一个系统的认识，为之后进一步的研究打下良好的基础。
本书部分章节涉及一些数学公式及程序实例，若想透彻理解这些内容，需要读者有良好的高等数学基础并有一定的实用基础软件编程能力，例如C++或 C#。考虑到大多数读者的需要，本书第2章对增强现实相关的计算机视觉基本概念进行了简单描述。建议一般读者按照章节的顺序逐章进行阅读，有计算机视觉基础的专业读者则可按照自身情况选择相关内容进行阅读。对于非技术人员或者对AR应用及发展感兴趣的读者，可重点阅读第5~7章。在本书的编写过程中，我们得到了众多友人的支持。感谢浙江大学周泓教授为本书的修改多次提出宝贵意见，感谢香港理工大学池哲儒教授在百忙之中为本书写序。最后，感谢机械工业出版社的编辑为本书的出版付出的辛勤劳动。
虽然本书经过了多次校对，但难免会有疏漏之处。欢迎读者指出其中的错误，以便我们及时更正。
最后，愿广大读者朋友在本书的帮助下，都能很好地理解增强现实技术的各方面内容。愿本书能为增强现实在国内的普及以及在世界范围内的发展献上绵薄之力。

计算机\程序设计

本书从计算机视觉技术和增强现实的概述开始着笔，继而讨论增强现实理论基础，然后介绍增强现实系统，最后讨论增强现实行业应用及发展趋势。本书可作为高等院校计算机视觉或增强现实基础课程的参考教材，也可供有意从事AR相关行业的从业人员参考。

本书作者在增强现实的诸多研究方向都有建树，既有理论方面的准备，也有开发实际应用的宝贵经验；既有项目统筹的领导及组织才能，又有一线编程的能力。可以说，他们是编著本书的最佳人选。
增强现实是一门新兴学科，与计算机视觉紧密相关，本书将填补国内这方面的空白，为计算机科学、软件工程、电子工程、信息工程及其他相关学科的大专生、本科生和研究生教育提供一本值得信赖的教科书，也为专业的工程师、程序员及从业人员提供一本自学的有益读本。
本书从计算机视觉技术和增强现实的概述开始着笔，继而讨论增强现实理论基础，然后介绍增强现实系统，包括增强现实相关的人机交互系统，最后讨论增强现实行业应用及发展趋势。
本书的特色是在计算机视觉这个当前最有活力的领域展开系统性的讨论，既有理论基础，也有算法实现，以便读者融会贯通，方便他们在开发计算机视觉系统和增强现实系统时实现和应用书中介绍的算法。本书还介绍了现在市场上主流增强现实系统的硬件配置及主流增强现实引擎。在增强现实相关的人机交互系统方面，本书介绍了手势识别、语音识别及眼动追踪等交互系统，这些都是目前人工智能研究的热点。本书在增强现实的应用方面也着墨较多，讨论了增强现实在教育与技能培训、游戏娱乐、市场营销、文化旅游、工业与医疗及军事领域的应用。在展望未来增强现实的发展趋势时，作者特别讨论了深度学习和大数据分析在增强现实的研究和应用中所扮演的角色。
本书章节安排合理，内容组织紧贴计算机视觉和增强现实的最新研究动向，知识深度适中，适合不同领域的读者阅读，也适合各大专院校用作教材。我相信通过学习本书，读者们一定受益匪浅。

池哲儒
香港理工大学电子及资讯工程系
2017年6月

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序言
前言
第1章　计算机视觉与增强现实应用概论 1
1.1　计算机视觉概述 1
1.1.1　计算机视觉发展历程 2
1.1.2　计算机视觉常见模块 5
1.1.3　计算机视觉应用领域 8
小结 9
1.2　增强现实概述 9
1.2.1　增强现实发展历程 11
1.2.2　增强现实表现形式 14
1.2.3　增强现实应用领域 19
小结 21
第2章　增强现实理论基础 23
2.1　增强现实理论基础简介 23
2.2　增强现实的摄像机空间理论 25
2.2.1　摄像机透视模型 25
2.2.2　摄像机参数矩阵 27
2.2.3　双目摄像机立体视觉系统 32
小结 36
2.3　图像处理基本原理 37
2.3.1　数字图像的色彩模型 37
2.3.2　图像的截取与缩放 40
2.3.3　线性滤波器的运用 42
小结 46
2.4　图像局部特征的提取与匹配 46
2.4.1　SIFT特征描述子 47
2.4.2　ORB特征描述子 56
2.4.3　模板匹配 64
小结 66
2.5　图像的边缘检测 67
2.5.1　一阶导数边缘检测 67
2.5.2　二阶导数边缘检测 69
2.5.3　Canny算子边缘检测 73
2.5.4　基于二值图像的模板匹配 74
小结 80
2.6　位姿估计 80
2.7　用于运动状态预测的滤波器 83
2.7.1　贝叶斯滤波器 83
2.7.2　粒子滤波器 85
2.7.3　卡尔曼滤波器 90
小结 95
2.8　即时定位与地图构建系统 95
2.8.1　单目LSD-SLAM 97
2.8.2　单目ORB-SLAM 104
小结 107
第3章　增强现实系统简介 108
3.1　增强现实软件系统 108
3.1.1　增强现实软件系统概述 108
3.1.2　基于平面图像识别的增强现实系统 110
3.1.3　基于实物识别的增强现实系统 113
3.1.4　基于SLAM的增强现实系统 116
小结 117
3.2　增强现实硬件系统 117
3.2.1　基于高清摄像机的舞台增强现实系统 117
3.2.2　基于普通智能手机的增强现实系统 119
3.2.3　基于包含深度摄像模块的手持设备增强现实系统 119
3.2.4　基于单目智能眼镜的增强现实系统 122
3.2.5　基于双目可穿透式智能眼镜的增强现实系统 124
3.2.6　基于投影的增强现实系统 125
小结 127
3.3　国际主流增强现实引擎简介 127
第4章　增强现实相关的人机交互系统简介 129
4.1　手势识别交互系统 129
4.1.1　2D静态手势识别 129
4.1.2　2D动态手势识别 130
4.1.3　3D手势识别 130
4.2　语音识别交互系统 132
4.3　眼动追踪交互系统 134
小结 135
第5章　增强现实行业应用 136
5.1　增强现实在教育和技能培训领域的应用 136
5.1.1　早教类增强现实应用 137
5.1.2　学科教学类增强现实应用 138
5.1.3　工业培训类增强现实应用 140
5.2　增强现实在游戏娱乐领域的应用 141
5.3　市场营销类增强现实应用 143
5.4　文化旅游类增强现实应用 146
5.5　工业和医疗类增强现实应用 147
5.6　军事类增强现实应用 149
小结 150
第6章　增强现实系统发展趋势 151
6.1　增强现实软件发展趋势 151
6.1.1　深度学习与增强现实的结合 151
6.1.2　云计算技术与增强现实的结合 155
6.1.3　大范围三维重建技术 156
小结 160
6.2　增强现实硬件发展趋势 160
6.2.1　基于光场成像技术的增强现实系统 160
6.2.2　基于半导体光学的增强现实系统 169
小结 172
6.3　增强现实人机交互技术发展趋势 172
6.3.1　新形态用户界面 172
6.3.2　新形态交互技术 181
小结 182
第7章　结语 183