satoです。

拡張現実（Augmented Reality、AR）というものがあります。
似たような単語に仮想現実（Virtual Reality、VR）というものがありますが、VRは完全な仮想空間に対して現実のデバイスでアクセスするのに対し、ARは現実空間に対して仮想空間を「拡張」するものです。
わかりやすい例だと、テレビ番組で実際の人間とCGのキャラが喋っているようなものです。

なにやら難しそうに見えますが、これを手軽に作るARToolKitというものが存在します。
このサイトのトップページに出ている画像がサンプルそのものなのですが、これは特定の現実空間にあるマーカー（実際はカメラから取り込んだ動画）上に3Dオブジェクトを配置するという処理を簡略化するためのライブラリです。



このようなものが簡単に作れてしまいます。
WindowsでOpenGLのプログラミング経験のある方ならすぐ作れると思います。

実際の使用方法などは、「攻殻機動隊」「電脳コイル」の世界を実現！ - ARToolKitを使った拡張現実感プログラミングで詳しく紹介されているので、興味のある方は読んでみてください。Visual C++ 2008 Express Editionでビルドができるので、無料で一通りの環境は揃います。（カメラは自前で用意してください）

またこのARToolKitは、WindowsMobileやiPhoneにも移植されています。



若干処理は重そうですが、持ち運びできるデバイスでARを簡単に実現できるのはいろいろ使い道がありそうです。（例えば、展示品をiPhoneを通して見ると3Dキャラクターが解説してくれるとか）

ARを扱うライブラリは他にもあるので（マーカー不要のものとかも研究されています）、いろいろ試してみてください。