通過位置信標技術（即低功耗藍牙BLE和超寬帶UWB）實現AR同步解決方案

（中國AI網 2025年07月21日）跨會話/設備同步增強現實存在挑戰。在一項研究中，香港城市團隊大學團隊提出利用位置信標技術（即低功耗藍牙BLE和超寬帶UWB）實現AR同步解決方案，以討論現有AR系統中的可擴展性問題和不一致性。

相關框架分為兩種方法：BLE輔助和WEB輔助AR同步。BLE輔助方法利用iBeacon技術進行房間環境識別，并與蘋果的ARKit ARWorldMap和谷歌的ARCore Cloud Anchors相結合。UWB輔助解決方案采用精確的信標測距功能與設備的方位角融合，在AR會話/設備中建立固定的空間參考。

對比評估表明，UWB輔助方法在各種環境變化的可靠性方面優于BLE輔助方法，因為無論物理環境如何變化，UWB輔助方法都能成功解決虛擬錨點問題。然而，BLE輔助實現在解析虛擬錨點時往往更準確，位置誤差平均為0.02米，方向誤差在0.03弧度以內。在UWB輔助方法中，計算的固定空間參考的平均視差為0.04米，姿態為0.11弧度。UWB輔助方法是理想的場景，需要持續成功的定位和可接受的精度。相比之下，BLE輔助方法更適合在環境改變時要求更高精度的虛擬錨位和性能權衡，例如用于目標短期AR會話。

市場中的大多數AR應用都是多用戶支持，包括在所有會話和設備之間對齊坐標，以在物理世界中創建虛擬世界的恒定空間。現有的同步AR會話方法主要來源于基于視覺的環境理解，將全球坐標系統分解到每個本地AR會話中，例如ARKit中的ARWorldMap和ARCore中的Cloud Anchors，以在所有會話和設備之間進行持久的錨定。

然而，由于所述API主要依賴于視覺特征點映射，所以容易出現以下威脅：

在更大的工作空間中的可擴展性

在視覺環境變化下的可靠性

因此，前面提到的API設計為在一個房間大小的空間中，短時間內，而不是隨著時間的推移保存或重用。所以，我們需要額外的方法來增強AR體驗，以支持數字孿生世界的概念。其中虛擬世界與物理世界可以穩定地對齊，可以規模訪問，并且對周圍的視覺變化具有長期耐用性。

在一項研究中，香港城市大學團隊開發了兩種解決方案來改善AR會話的同步：

使用iBeacon技術廣播位置上下文，并應用于現有的AR同步框架，以基于房間的方式進行定位。

超寬帶輔助AR同步利用厘米級精確測距能力與磁羅經航向信息融合，建立固定參考姿態，用于承載和解析附近錨點。

通過利用BLE和UWB技術，研究實現了每個用戶在每個會話中的統一虛擬坐標。另外，通過UWB輔助AR同步，可以保證動態空間的AR體驗對環境變化的適應性。

BLE輔助AR同步的主要思想是將寬敞的工作空間（如建筑物）分解為多個房間，通過傳統的空間錨定框架優化AR體驗。這包括獲取用戶所在的當前房間環境，并相應地協調空間錨定框架。所提出方法將收聽來自ESP32的iBeacon廣播，而它作為放置在廣闊工作空間的信標來獲取房間上下文。

iBeacon標準允許設備確定廣播者（信標）和觀測者（AR設備）之間的距離，無論是直接的、近的還是遠的。因此，我們可以假設引用當前房間的最近信標，因為每個信標都以多對一的關系配準到一個虛擬房間。當當前的房間發生變化時，例如用戶進入了一個新的房間，將觸發空間錨定更新。

ARWorldMap的常見做法是將來自主機設備的正在進行的AR會話存檔為編碼數據，并通過網絡將它們傳輸，以便將其解存檔和本地化到接收器AR會話。在成功解析后，將應用主機AR會話的坐標，并將現有的錨傳遞給接收AR會話。通過提供房間上下文，所提出方法可以根據用戶位置下載和上傳縮小的ARWorldMap，從而防止在廣泛的可用區域內傳輸和定位壓倒性的地圖大小。但是，當多個用戶并發地更改映射時，必須處理繼承映射中的保存沖突。

與ARWorldMap中共享地圖的慣例相反，Cloud Anchors的實踐是托管和解析單個錨點到ARCore API服務器，其中每個錨點的生存時間（TTL）最多為一年。當一個新的錨添加到任何本地AR會話時，我們可以通過ARCore API托管錨點，并在我們的共享數據庫中記錄返回的錨標識符對與當前房間上下文。一旦進入一個新房間，所提出方案可以從共享數據庫中提取與房間相關的錨標識符列表，并在本地AR會話中解析它們，請求只解決附近的錨，以避免計算不必要的遠程錨。

從超寬帶信標和磁航向構造固定參考位姿空間位姿由位置和方向兩部分組成。為了建立一個固定的參考姿勢，必須在所有的會話中保持位置和方向的持久性。研究人員使用兼容FiRa標準的超寬帶模塊DWM3001CDK作為信標，而通過支持UWB的iPhone作為AR設備，可以通過Apple Nearby Interaction框架獲得信標在AR中的位置。

根據觀察，在初始測距期間，信標在AR中的位置是不一致的。因此，研究人員應用了一種穩定算法，一旦在一段時間內每次觀測之間連續保持在預定義的視差閾值內，就認為位置是有效的。目前，距離穩定是UWB輔助AR同步定位的主要延遲。由于UWB信標無法向設備顯示其方向，因此可以參考設備慣性測量單元（IMU）檢測到的地球磁場和重力來實現持續定向。通常，在AR框架中，AR坐標中的y軸平行于重力，導致xz平面平行于地面。我們可以從AR camera方向將設備方位角投影到地平面，并根據IMU的磁航向角度進行調整。

由于BLE輔助的實現依賴于光學參考，而UWB輔助依賴于無線電信號和磁場測量，所以BLE方法在姿態精度上更加精確。相比之下，UWB方法更差，但依然在合理的精度范圍內。團隊進一步研究了在UWB輔助實現中建立參考位姿的準確性，并顯示出有希望的結果。

在可靠性方面，UWB方法是理想的，始終如一地實現成功的定位，而BLE實現在嚴重變化的環境下無法執行。盡管UWB輔助AR同步的定位延遲并不令人愉快，但可以通過更有效的穩定算法或知道測距結果何時穩定的能力來增強。另外，在硬件級別上還有提高可擴展性的空間，以獲得更多的并發通信容量。

UWB方法的一個優點是能夠通過同質度量來操縱錨定，不需要AR會話，這與BLE方法不同，BLE方法通過現有的空間錨定框架來操作，托管錨點只能通過正在進行的AR會話來執行。在大范圍的AR同步工作中，BLE信標可以通過現有的空間錨定框架將地圖縮小到局部AR會話的房間，而靜止的UWB信標可以通過相對變換建立一個持久的姿態作為虛擬錨點的參考，實現AR會話間的一致錨點。

根據評估，BLE輔助AR同步在錨的姿勢上是準確的，但定位成功與否不一致。同時，在UWB輔助AR同步中，盡管定位始終成功，但姿態精度較低。與延時恒定的UWB方法不同，低頻段方法的定位延遲受環境變化的影響較大。盡管UWB方法的平均定位延遲不能令人滿意，但在各個部分都可以得到改進。

相關論文：A BLE and UWB Beacon-Assist Framework for Multiuser Augmented Reality Synchronization Across Multiple Devices in Shared Environments

https://arxiv.org/pdf/2504.05293

綜上所述，在強調成功的錨定分辨率而不是高精度時，UWB輔助AR同步適用于廣泛的工作區域。相比之下，由于在環境變化下無法分辨，BLE輔助AR同步是短期AR會話的理想選擇，在錨定時具有更高的準確性。