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拡張現実とは–テクノロジー、例、歴史

what is augmented reality technology

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この包括的なチュートリアルでは、拡張現実とは何か、そしてそれがどのように機能するかについて説明します。 ARのテクノロジー、例、歴史、アプリケーションについても学びましょう。

このチュートリアルは、拡張現実（AR）とは何か、どのように機能するかなど、拡張現実（AR）の基本を説明することから始まります。次に、リモートコラボレーション、健康、ゲーム、教育、製造など、ARの主なアプリケーションを豊富な例とともに見ていきます。また、拡張現実で使用されるハードウェア、アプリ、ソフトウェア、およびデバイスについても説明します。

このチュートリアルでは、拡張現実市場の見通しと、さまざまな拡張現実のトピックに関する問題と課題についても説明します。

拡張現実チュートリアル

学習内容：

拡張現実とは何ですか？

ARを使用すると、仮想オブジェクトを実世界の環境にリアルタイムでオーバーレイできます。下の画像は、IKEA ARアプリを使用して夢の家を設計、改良、生活している男性を示しています。

IKEAARアプリを使用している男性

(画像 ソース )

拡張現実の定義

拡張現実は、ARデバイスを使用して現実世界のオブジェクトと環境を3D仮想オブジェクトでオーバーレイし、仮想が現実世界のオブジェクトと相互作用して意図した意味を作成できるようにするテクノロジーと方法として定義されます。

現実の環境全体を再現して仮想環境に置き換えようとする仮想現実とは異なり、拡張現実とは、コンピューターで生成された画像とデジタル情報で現実世界の画像を豊かにすることです。ビデオ、インフォグラフィック、画像、音声、その他の詳細を追加することで、認識を変えようとしています。

ARコンテンツを作成するデバイスの内部。仮想3D画像は、幾何学的な関係に基づいて実世界のオブジェクトにオーバーレイされます。デバイスは、他のオブジェクトに関するオブジェクトの位置と方向を計算できる必要があります。結合された画像は、モバイルスクリーン、ARメガネなどに投影されます。

反対側には、ユーザーがARコンテンツを表示できるようにするためにユーザーが着用するデバイスがあります。とは異なり バーチャルリアリティヘッドセット ユーザーをシミュレートされた世界に完全に没頭させるものですが、ARメガネはそうではありません。メガネを使用すると、仮想オブジェクトを実際のオブジェクトに追加、オーバーレイできます。 例えば、 修理エリアをマークするためにマシンにARマーカーを配置します。

ARメガネを使用しているユーザーは、周囲の実際のオブジェクトや環境を見ることができますが、虚像で豊かになります。

1990年の用語の造語以来、最初のアプリケーションは軍事およびテレビでしたが、ARは現在、ゲーム、教育およびトレーニング、およびその他の分野で適用されています。そのほとんどは、電話やコンピューターにインストールできるARアプリとして適用されます。今日では、GPS、3G、4Gなどの携帯電話技術とリモートセンシングで強化されています。

ARの種類

拡張現実には、マーカーなし、マーカーベース、投影ベース、および重ね合わせベースのARの4つのタイプがあります。それらを一つ一つ詳しく見ていきましょう。

＃1）マーカーベースのAR

3Dデジタルアニメーションを開始するために、特別な標識などの特別な視覚オブジェクトであるマーカーとカメラが使用されます。システムは、コンテンツを効果的に配置するために、市場の方向性と位置を計算します。

マーカーベースのARの例： マーカーベースのモバイルベースのAR家具アプリ。

マーカーベースのモバイルベースのAR家具アプリ

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＃2）マーカーレスAR

イベント、ビジネス、ナビゲーションアプリで使用され、 例えば、 このテクノロジーは、ロケーションベースの情報を使用して、ユーザーが特定のエリアで取得または検索するコンテンツを判別します。携帯電話で使用できるように、GPS、コンパス、ジャイロスコープ、および加速度計を使用できます。

次の例は、マーカーのないARが、実世界の空間にオブジェクトを配置するために物理的なマーカーを必要としないことを示しています。

マーカーのないARの例

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＃3）プロジェクトベースのAR

この種類は、物理的な表面に投影された合成光を使用して、ユーザーと表面との相互作用を検出します。スターウォーズや他のSF映画のようにホログラムに使用されます。

以下の画像は、ARプロジェクトベースのARヘッドセットでの剣の投影を示す例です。

プロジェクトベースのAR

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＃4）スーパーインポーズベースのAR

この場合、元のアイテムは、完全にまたは部分的に拡張に置き換えられます。以下の例では、ユーザーがIKEAカタログアプリの目盛り付きの部屋の画像の上に仮想家具アイテムを配置できるようにしています。

IKEAはスーパーインポーズベースのARの例です。

重ね合わせベースのARの例

ARの簡単な歴史

1968年 ： IvanSutherlandとBobSproullは、原始的なコンピュータグラフィックスを備えた世界初のヘッドマウントディスプレイを作成しました。

ダモクレスの剣
ダモクレスの剣

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1975 ： ARラボであるVideoplaceは、MyronKruegerによって作成されました。使命は、デジタルのものと人間の動きの相互作用を持つことでした。この技術は、後にプロジェクター、カメラ、および画面上のシルエットに採用されました。

マイロン・クルーガー
マイロン・クルーガー

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1980年： スティーブ・マンによって開発された、目の前で勝った最初のポータブルコンピュータであるEyeTap。 EyeTapは画像を記録し、他の画像を重ね合わせました。それは頭の動きによって再生される可能性があります。

スティーブマン
ジェネレーション4グラスを身に着けているスティーブマン

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1987年 ： ヘッドアップディスプレイ（HUD）のプロトタイプは、ダグラスジョージとロバートモリスによって開発されました。実空の天文データを表示しました。

自動車用HUD
自動車用HUD

1990年 ： 拡張現実という用語は、ボーイング社の研究者であるトーマス・コーデルとデビッド・ミゼルによって造られました。

デビッドミゼル
デビッドミゼル

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トーマス・コーデル
トーマス・コーデル

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1992年： ARシステムであるVirtualFixturesは、米空軍のLouiseRosenbergによって開発されました。

仮想備品：
仮想備品

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1999年： FrankDeigadoとMikeAbernathyとその科学者チームは、ヘリコプターのビデオから滑走路と道路のデータを生成できる新しいナビゲーションソフトウェアを開発しました。
2000年： オープンソースのSDKであるARToolKitは、日本の科学者加藤博和によって開発されました。その後、Adobeで動作するように調整されました。
2004年： TrimbleNavigationが提供する屋外ヘルメット搭載ARシステム。
2008年： Wikitude製のAndroidモバイルデバイス向けARトラベルガイド。
2013年から現在まで： Bluetoothインターネット接続を備えたGoogleGlass、Windows HoloLens – HDホログラムを表示するセンサーを備えたARゴーグル、モバイルデバイス向けのNianticのPokemonGoゲーム。

スマートグラス：
スマートグラス

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ARはどのように機能するか–その背後にあるテクノロジー

1つ目は、実世界の環境の画像の生成です。 2つ目は、実世界のオブジェクトの画像に3D画像をオーバーレイできるテクノロジーを使用することです。 3つ目は、テクノロジーを使用して、ユーザーがシミュレートされた環境と対話および操作できるようにすることです。

ARは、画面、メガネ、ハンドヘルドデバイス、携帯電話、およびヘッドマウントディスプレイに表示できます。

また読む= >> 最高のARスマートグラス

そのため、モバイルベースのAR、ヘッドマウントギアAR、スマートグラスAR、およびWebベースのARがあります。ヘッドセットは、モバイルベースや他のタイプよりも没入型です。スマートグラスは、一人称視点を提供するウェアラブルARデバイスですが、Webベースではアプリをダウンロードする必要はありません。

ARメガネの構成：

ARメガネの構成

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S.L.A.Mを使用しています。他の技術に加えて、技術（同時ローカリゼーションとマッピング）、センサーデータを使用してオブジェクトまでの距離を計算するための深度追跡技術。

拡張現実技術

ARテクノロジーにより、リアルタイムの拡張が可能になり、この拡張は環境のコンテキスト内で行われます。アニメーション、画像、ビデオ、および3Dモデルを使用でき、ユーザーは自然光と合成光でオブジェクトを見ることができます。

ビジュアルベースのSLAM：

SLAM

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同時ローカリゼーションおよびマッピング（SLAM）テクノロジー は、ローカリゼーションとマッピングの同時問題を解決するアルゴリズムのセットです。

SLAMは、機能ポイントを使用して、ユーザーが物理的な世界を理解できるようにします。このテクノロジーにより、アプリは3Dオブジェクトとシーンを理解できます。それは即座に物理的な世界の追跡を可能にします。また、デジタルシミュレーションのオーバーレイも可能です。

SLAMは、モバイルデバイステクノロジーなどのモバイルロボットを使用して周囲の環境を検出し、仮想マップを作成します。その地図上でその位置、方向、経路を追跡します。 ARの他に、ドローン、航空機、無人機、ロボット掃除機に採用されています。 例えば、 人工知能と機械学習を使用して場所を理解します。

特徴の検出とマッチングは、さまざまな視点から特徴点を収集するカメラとセンサーを使用して行われます。次に、三角測量手法により、オブジェクトの3次元位置が推測されます。

ARでは、SLAMは仮想オブジェクトを実際のオブジェクトにスロットしてブレンドするのに役立ちます。

認識ベースのAR： マーカーが検出された場合にオーバーレイできるようにマーカーを識別するのはカメラです。このデバイスは、マーカーの位置と方向を検出して計算し、実際のマーカーを3Dバージョンに置き換えます。次に、他の人の位置と向きを計算します。マーカーを回転させると、オブジェクト全体が回転します。

ロケーションベースのアプローチ。 ここでtシミュレーションまたは視覚化は、GPS、デジタルコンパス、加速度計、および速度計によって収集されたデータから生成されます。スマートフォンでは非常に一般的です。

深度追跡技術： Microsoft Kinectなどの深度マップ追跡カメラは、さまざまなテクノロジーを使用して、追跡領域内のオブジェクトとカメラからのリアルタイムの距離を計算することにより、リアルタイムの深度マップを生成します。テクノロジーは、オブジェクトを一般的な深度マップから分離して分析します。

以下の例は、深度アルゴリズムを使用したハンドトラッキングの例です。

深度追跡技術

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自然な特徴追跡技術： メンテナンスまたは組み立て作業で剛体を追跡するために使用できます。多段追跡アルゴリズムは、オブジェクトの動きをより正確に推定するために使用されます。代わりに、キャリブレーション手法とともにマーカー追跡が使用されます。

仮想3Dオブジェクトとアニメーションの実世界のオブジェクトへのオーバーレイは、それらの幾何学的関係に基づいています。拡張顔追跡カメラが、TrueDepthカメラを搭載したiPhoneXRなどのスマートフォンで利用できるようになりました。これによりARエクスペリエンスが向上します。

ARのデバイスとコンポーネント

Kinect ARカメラ：

KinectARカメラ

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カメラとセンサー： これには、ARカメラまたはその他のカメラが含まれます。 例えば、 スマートフォンでは、実世界のオブジェクトの3D画像を撮影して、処理のために送信します。センサーは、ユーザーのアプリや仮想オブジェクトとのやり取りに関するデータを収集し、処理のために送信します。

処理装置： ARスマートフォン、コンピューター、および特殊デバイスは、グラフィックス、GPU、CPU、フラッシュメモリ、RAM、Bluetooth、WiFi、GPSなどを使用して3D画像とセンサー信号を処理します。彼らは速度、角度、向き、方向などを測定するかもしれません。

プロジェクター： AR投影では、生成されたシミュレーションをARヘッドセットレンズまたはその他の表面に投影して表示します。ミニチュアプロジェクターを採用。

これがビデオです：最初のスマートフォンARプロジェクター

リフレクター： ミラーなどのリフレクターは、人間の目が仮想画像を見るのを助けるためにARデバイスで使用されます。小さな曲面鏡または両面鏡の配列を使用して、ARカメラとユーザーの目に光を反射し、主に画像を適切に位置合わせすることができます。

モバイルデバイス： 最新のスマートフォンは、GPS、センサー、カメラ、加速度計、ジャイロスコープ、デジタルコンパス、ディスプレイ、GPU / CPUが統合されているため、ARに非常に適しています。さらに、ARアプリをモバイルデバイスにインストールして、モバイルARエクスペリエンスを実現できます。

以下の画像は、iPhoneXでのARを示す例です。

iPhoneのAR

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ヘッドアップディスプレイまたはHUD： ARデータを透明なディスプレイに投影して表示する特別なデバイス。最初は軍の訓練で使用されましたが、現在は航空、自動車、製造、スポーツなどで使用されています。

スマートグラスとも呼ばれるARメガネ： スマートグラスは通知を表示するためのものです 例えば、 スマートフォンから。 Google Glasses、Laforge ARアイウェア、LasterSee-Thruなどが含まれます。

ARコンタクトレンズ（またはスマートレンズ）： これらは目に触れるために着用されます。ソニーなどのメーカーは、写真を撮ったりデータを保存したりする機能などの追加機能を備えたレンズに取り組んでいます。

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ARコンタクトレンズは目と接触して着用されます：

ARコンタクトレンズ

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仮想網膜ディスプレイ： 彼らは、レーザー光を人間の目に投影することによって画像を作成します。

これがビデオです：仮想網膜ディスプレイ

ARのメリット

あなたのビジネスや組織にとってのARのいくつかの利点と、それを統合する方法を見てみましょう。

  • 統合または採用は、ユースケースとアプリケーションによって異なります。メンテナンスや生産作業の監視、不動産物件の仮想ウォークスルーの実行、製品の宣伝、リモートデザインの強化などに使用できます。
  • 今日、仮想試着室は、購入の返品を減らし、購入者による購入決定を改善するのに役立ちます。
  • 営業担当者は、興味深いブランドのARコンテンツを作成して公開し、広告を挿入して、コンテンツを視聴したときに製品を知ることができます。 ARはエンゲージメントを向上させます。
  • 製造において、製造装置の画像上のARマーカーは、プロジェクトマネージャーが作業をリモートで監視するのに役立ちます。これにより、デジタル地図や植物を使用する必要性が減ります。 例えば、 デバイスまたはマシンを場所に向けて、その位置に収まるかどうかを判断できます。
  • 没入型の実生活シミュレーションは、学習者に教育学的なメリットをもたらします。ゲームベースの学習とトレーニングのシミュレーションには、心理的なメリットがあり、研究者が示すように、学習者の共感を高めます。
  • 医学生は、ARおよびVRシミュレーションを使用して、多額の予算や患者への不必要な怪我をせずに、最初にできるだけ多くの手術を試すことができます。これらはすべて、没頭とほぼ現実の経験があります。

以下の画像は、ARが外科診療の医療トレーニングにどのように適用されるかを示しています。

ARは、外科診療の医学教育に適用されます。

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  • ARを使用すると、将来の宇宙飛行士は最初または次の宇宙ミッションを試すことができます。
  • ARは仮想観光を可能にします。たとえば、ARアプリは、目的地への道順を示したり、道路の標識を翻訳したり、観光に関する情報を提供したりできます。 A 良い手本 GPSナビゲーションアプリです。 ARコンテンツは、たとえば、美術館に現実を追加するなど、新しい文化体験の制作を可能にします。
  • 拡張現実は 2020年までに1,500億ドルに拡大 。 300億ドルに対し、仮想現実よりも1,200億ドル拡大しています。 AR対応デバイスは2023年までに25億に達すると予想されています。
  • 独自のブランドアプリケーションを開発することは、企業がARテクノロジーに取り組むために使用している最も一般的な方法の1つです。企業は引き続き、サードパーティのARプラットフォームとコンテンツに広告を掲載したり、開発したソフトウェアのライセンスを購入したり、ARコンテンツとオーディエンスのためにスペースを借りたりすることができます。
  • 開発者は、ARKitやARCoreなどのAR開発プラットフォームを使用して、アプリケーションを開発し、ARをビジネスアプリケーションに統合できます。

拡張現実対仮想現実対複合現実

拡張現実は、仮想現実と複合現実に似ており、どちらも現実世界のオブジェクトの3D仮想シミュレーションを生成しようとします。複合現実は、実際のオブジェクトとシミュレートされたオブジェクトを混合します。

上記のすべてのケースでは、センサーとマーカーを使用して、仮想オブジェクトと実世界のオブジェクトの位置を追跡します。 ARはセンサーとマーカーを使用して、実際のオブジェクトの位置を検出し、シミュレートされたオブジェクトの位置を決定します。 ARは、ユーザーに投影する画像をレンダリングします。数学アルゴリズムも採用しているVRでは、シミュレートされた世界はユーザーの頭と目の動きに従って反応します。

ただし、VRはユーザーを現実世界から隔離して、シミュレートされた世界に完全に没頭させますが、ARは部分的に没入型です。

=>推奨読書– ARとVR：比較

複合現実感は、ARとVRの両方を組み合わせたものです。これには、実世界と仮想オブジェクトの両方の相互作用が含まれます。

拡張現実アプリケーション

応用説明/説明
医学/ヘルスケア ARは、医療従事者をリモートでトレーニングしたり、健康状態を監視したり、患者を診断したりするのに役立ちます。
ゲーム ARを使用すると、ゲームの場が仮想球から移動され、プレーヤーが実際のアクティビティを実行してプレイできる実際のエクスペリエンスが含まれるため、より良いゲームエクスペリエンスが可能になります。
小売および広告 ARは、製品の3Dモデルを顧客に提示し、不動産などの製品の仮想ウォークスルーを提供することで顧客がより良い選択を行えるようにすることで、顧客体験を向上させることができます。
これは、顧客を仮想店舗や部屋に導くために使用できます。お客様は、家具を購入するときなど、スペースに3Dアイテムを重ねて、サイズ、形状、色、タイプなど、スペースに最適なアイテムを選択できます。
広告では、ARコンテンツに広告を含めて、企業がコンテンツを視聴者に広めるのに役立てることができます。
製造とメンテナンス メンテナンスでは、修理技術者は専門家からリモートで指示され、専門家がその場所を移動することなく、ARアプリを使用して地上で修理やメンテナンス作業を行うことができます。これは、その場所に移動するのが難しい場所で役立ちます。
教育 ARインタラクティブモデルは、トレーニングと学習に使用されます。
ミリタリー ARは、高度なナビゲーションを支援し、オブジェクトをリアルタイムでマークするのに役立ちます。
観光 ARは、ARコンテンツに広告を掲載するだけでなく、ナビゲーション、目的地、道順、観光に関するデータの提供にも使用できます。

実生活でのARの例

  • Elements 4Dは、ARを使用して化学をより楽しく、魅力的にする化学学習アプリケーションです。これを使用して、生徒は要素ブロックから紙の立方体を作成し、デバイスのARカメラの前に配置します。その後、化学元素、名前、原子重量の表現を見ることができます。生徒はキューブをまとめて、反応するかどうかを確認したり、化学反応を確認したりできます。

Elements 4D

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  • Googleが段ボールを使用しているGoogleExpeditionsでは、世界中の学生が歴史、宗教、地理の研究のための仮想ツアーを行うことがすでに許可されています。
  • Human Anatomy Atlasを使用すると、学生は7つの言語で10,000を超える3D人体モデルを探索し、パーツ、その動作方法を学習し、知識を向上させることができます。
  • Touch Surgeryは、手術の練習をシミュレートします。 AR企業であるDAQRIと提携して、医療機関は学生が仮想患者の手術を行っているのを見ることができます。
  • IKEA Mobile Appは、不動産および家庭用品のウォークスルーとテストで有名です。他のアプリには、ゲーム用の任天堂のポケモンゴーアプリが含まれます。

詳細= >> 拡張現実アプリケーションの例

ARの開発と設計

AR開発プラットフォームは、ARアプリを開発またはコーディングできるプラットフォームです。 例 ZapWorks、ARToolKit、MAXST for Windows ARおよびスマートフォンAR、DAQRI、SmartReality、ARCore by Google、WindowsのMixed Reality ARプラットフォーム、Vuforia、ARKit byAppleが含まれます。モバイル向けのアプリ、PC向けのアプリ、さまざまなオペレーティングシステムでの開発を許可するアプリもあります。

AR開発プラットフォームを使用すると、開発者は、Unity、3Dトラッキング、テキスト認識、3Dマップの作成、クラウドストレージ、シングルカメラと3Dカメラのサポート、スマートグラスのサポートなど、他のプラットフォームのサポートなど、さまざまな機能をアプリに提供できます。

さまざまなプラットフォームで、マーカーベースおよび/またはロケーションベースのアプリの開発が可能です。プラットフォームを選択する際に考慮すべき機能には、コスト、プラットフォームサポート、画像認識サポート、3D認識が含まれ、追跡は最も重要な機能であり、ユーザーがARプロジェクトをインポートおよびエクスポートし、他のプロジェクトと統合できるUnityなどのサードパーティプラットフォームのサポートです。プラットフォーム、クラウドまたはローカルストレージのサポート、GPSサポート、SLAMサポートなど。

これらのプラットフォームで開発されたARアプリは、無数の機能をサポートしています。それらは、事前に作成されたARオブジェクトを備えた1つまたは一連のARメガネでコンテンツを表示できるようにし、オブジェクトに反射がある反射マッピングのサポート、リアルタイムの画像トラッキング、2Dおよび3D認識、

SDKまたはソフトウェア開発キットの中には、ドラッグアンドドロップ方式でアプリを開発できるものもあれば、コーディングの知識が必要なものもあります。

一部のARアプリでは、ユーザーがARコンテンツを最初から開発、アップロード、編集して所有することができます。

結論

この拡張現実では、テクノロジーによって現実世界の環境またはオブジェクトに仮想オブジェクトをオーバーレイできることがわかりました。 SLAM、深度追跡、自然特徴追跡、オブジェクト認識などのテクノロジーを組み合わせて使用​​します。

この拡張現実チュートリアルでは、ARの紹介、その操作の基本、ARのテクノロジー、およびそのアプリケーションについて説明しました。最終的に、ARの統合と開発に関心のある人のためのベストプラクティスを検討しました。

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