鄭 耀 謝 天 解利軍 杜昌平 潘海斌

（浙江大學(xué)航空航天學(xué)院）

1 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality,AR）最早可以追溯到上世紀(jì)60年代Sutherland[1]首次用透視式頭盔顯示器（Head-Mounted Display,HMD）展現(xiàn)三維物體。到本世紀(jì)初，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的科學(xué)研究領(lǐng)域。它借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)環(huán)境中并不存在的虛擬對(duì)象，通過跟蹤注冊(cè)技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確地“放置”在真實(shí)環(huán)境中，然后借助顯示設(shè)備或者人機(jī)交互設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境在感官上融為一體。在Milgram[2]定義的虛實(shí)環(huán)境集概念中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality,MR）的子集（圖1）。它與增強(qiáng)虛擬（Augmented Virtuality,AV）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Environment,VE）最大的不同，就是它所呈現(xiàn)的環(huán)境主體是真實(shí)的而非虛擬的。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體只是在局部區(qū)域疊加于真實(shí)場(chǎng)景之中，具有虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互和輔助增強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。

圖1 Milgram的虛實(shí)集定義[2]

40年來(lái)，各國(guó)研究者除了在跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)、交互技術(shù)這三個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的支撐技術(shù)上不斷突破外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域也在被不斷擴(kuò)展[4]。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)逐步從桌面展示、電腦游戲等小型室內(nèi)環(huán)境，向工廠車間、戶外等大的應(yīng)用環(huán)境延伸。諸如波音公司[17]、美國(guó)陸軍[18]等，都已將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為主導(dǎo)技術(shù)用于大型航空和軍械設(shè)備的維修誘導(dǎo)系統(tǒng)。

在我國(guó)載人航天工程的許多實(shí)踐（例如太空維修和大時(shí)延遙操作等）中，如果對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)加以研究、發(fā)展和利用，必然可以發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的支撐技術(shù)

2.1 跟蹤注冊(cè)技術(shù)

虛擬物體在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中是否能完美融合，意味著觀察者在改變自身位置和觀察角度的同時(shí)，觀察中的虛擬物體能否融洽地與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景保持一致。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先必須明確虛擬物體將要合并到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的準(zhǔn)確位置，其次要實(shí)時(shí)地檢測(cè)觀察者在場(chǎng)景中的位置、視角，甚至是運(yùn)動(dòng)方向，然后才能計(jì)算出該時(shí)刻虛擬物體應(yīng)該具備的顯示方式，同時(shí)按照觀察者的視場(chǎng)重建坐標(biāo)系。這個(gè)過程就是跟蹤注冊(cè)（Tracking Techniques），目前常用的方法可以分為以下三種[4]：

（1）基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)（Sensor-Based Tracking Techniques）是在觀察者頭部安裝跟蹤器來(lái)探測(cè)和跟蹤真實(shí)環(huán)境中目標(biāo)的位置和方向。這類跟蹤器包括電磁跟蹤器、超聲波定位器、慣性跟蹤器、測(cè)距儀、全球定位系統(tǒng)等，相應(yīng)的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)［5］中已有詳盡的介紹。

（2）基于視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)

基于視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)（Vision-Based Tracking Techniques）是通過對(duì)一幅或多幅視頻圖像的圖像處理，來(lái)計(jì)算獲得固定在觀察者頭部的攝像機(jī)在真實(shí)場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)。此類方法又分為基于特征（Feature-Based）和基于模型（Model-Based）兩種，其中后者最為常用，通常為各向互異的規(guī)則圖案（圖2）。

因?yàn)槠湟组_發(fā)性和魯棒性，基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊(cè)技術(shù)的研究在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域一直處于主導(dǎo)地位。依據(jù)對(duì) ISMAR（International Symposium on Mixed and Augmented Reality）國(guó)際會(huì)議論文的統(tǒng)計(jì)，近十年來(lái)該會(huì)議接收的有關(guān)跟蹤注冊(cè)技術(shù)的論文中，基于視覺的注冊(cè)技術(shù)的研究占80%以上[4]。

（3）混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)

在某些特殊的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，僅用基于視覺的跟蹤注冊(cè)難以達(dá)到魯棒的注冊(cè)效果，因此需要一些基于傳感器的跟蹤注冊(cè)技術(shù)的輔助?；旌细欁?cè)技術(shù)（Hybrid Tracking Techniques）就是指基于視覺和基于傳感器共存的跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

2.2 顯示技術(shù)

如何簡(jiǎn)單便捷地讓用戶感知現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體的融合，是顯示技術(shù)所必須解決的問題。目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要使用透視式頭盔顯示器，而透視式頭盔顯示器又分為光學(xué)透視式頭盔顯示器（Optical See-Through HMD）和視頻透視式頭盔顯示器（Video See-Through HMD）兩種。圖3是這兩種頭盔顯示器的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖3 透視式頭盔顯示器原理圖[16]

其中，光學(xué)透視式頭盔顯示器通過半透明鏡片可以直接觀察到真實(shí)場(chǎng)景，虛擬物體通過鏡片上方的顯示器投影至鏡片上，形成虛實(shí)疊加。這類顯示器可以實(shí)時(shí)觀察到真實(shí)場(chǎng)景，但虛實(shí)間由于處理時(shí)差會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)滯。而視頻透視式頭盔顯示器會(huì)將拍攝到的真實(shí)場(chǎng)景與虛擬物體合成完整后才播放出來(lái)，虛實(shí)間保持同步，沒有時(shí)滯。

目前在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域中，生產(chǎn)透視式頭盔顯示器最著名的幾家公司包括Sony公司[2]、Micro－Vision 公司[9]、MicroOptical公司[10]和 Minolta 公司[11]等[12]，他們的部分產(chǎn)品如圖4所示。

2.3 交互技術(shù)

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，人們常?？释钭匀坏慕换シ椒?，比如可以“觸摸”到虛擬物體，可以隨意拿起放下，并且感覺到虛擬物體的硬軟輕重等。但實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)這樣的交互是較為困難的。

目前常用的交互工具包括手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、力反饋設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、六自由度鼠標(biāo)、特制標(biāo)志等。這些工具都需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先設(shè)定各種命令對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，以便在系統(tǒng)識(shí)別時(shí)對(duì)照先驗(yàn)知識(shí)來(lái)進(jìn)行操作。它們有各自的應(yīng)用環(huán)境，針對(duì)不同的應(yīng)用要求有不同的組合。

圖4 透視式頭盔顯示器實(shí)例

近幾年提出的凝視交互[8]是一個(gè)具有重要應(yīng)用意義的交互方式。其硬件設(shè)備比普通HMD多了一個(gè)眼追蹤器，使設(shè)備可以檢測(cè)到觀察者所凝視的方向，然后針對(duì)凝視的區(qū)域執(zhí)行相應(yīng)的操作或給出用戶可能感興趣的信息。這一技術(shù)在維修誘導(dǎo)、戶外環(huán)游等應(yīng)用環(huán)境中必將帶來(lái)一次革新。因?yàn)楦鶕?jù)用戶的凝視來(lái)判斷用戶想要獲取的知識(shí)是十分合理且高效的，比以往將所有信息同時(shí)呈現(xiàn)在視野或需要借助別的設(shè)備來(lái)選取信息的做法，明顯簡(jiǎn)潔和便利許多。

3 在載人航天工程中的潛在應(yīng)用

3.1 維修誘導(dǎo)

航天設(shè)備往往都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)電系統(tǒng)，其拆裝和維修十分困難，不僅費(fèi)用昂貴，而且對(duì)維修人員要求極高。在現(xiàn)有復(fù)雜的地面維修中，維修人員往往都是一邊翻閱紙質(zhì)文件或查看電子手冊(cè)，一邊對(duì)照設(shè)備進(jìn)行維修。這種方式效率低下，易受環(huán)境影響，出錯(cuò)率高，而且過于依賴專業(yè)維修人員的個(gè)人技能和經(jīng)驗(yàn)。這種方法在地面操作中就已存在不小隱患，更加難以適應(yīng)太空維修的各種苛刻環(huán)境。

因此，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的維修誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。如上文所述，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化技術(shù)，可以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中融入原本不存在的虛擬對(duì)象。這樣，針對(duì)維修或裝配，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以智能化地提供誘導(dǎo)信息，比如提供觀察者視野中各部件的具體信息（圖5），提供當(dāng)前步驟應(yīng)該執(zhí)行的操作提示（圖 6）等。

圖5 維修誘導(dǎo)實(shí)例——各部件信息提示[17]

在這種條件下，操作者不需精通太多領(lǐng)域的專業(yè)維修知識(shí)，也不需繁瑣的翻閱其他任何說明文件，只需在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的誘導(dǎo)提示下就可正確無(wú)誤地完成維修任務(wù)。這種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化維修受外界環(huán)境的干擾較小，所需設(shè)備簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、攜帶方便，將是太空維修的不二之選。

圖6 維修誘導(dǎo)實(shí)例——操作提示[18]

圖7是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修誘導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流框圖，整個(gè)系統(tǒng)包括三大子系統(tǒng)，分別為交互系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、智能信息提供系統(tǒng)。

交互系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)感知模塊、運(yùn)動(dòng)感知數(shù)據(jù)庫(kù)、命令解釋模塊、命令數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中運(yùn)動(dòng)感知模塊用于監(jiān)測(cè)和獲取用戶的運(yùn)動(dòng)類交互式輸入，讀取數(shù)據(jù)手套、眼動(dòng)檢測(cè)儀、空間鼠標(biāo)、移動(dòng)鍵盤等外設(shè)的數(shù)據(jù)，通過與運(yùn)動(dòng)感知數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比識(shí)別解析出交互指令，發(fā)送給命令解釋模塊。命令解釋模塊處理運(yùn)動(dòng)感知模塊發(fā)出的交互指令和維修人員發(fā)出的語(yǔ)音命令，然后將這兩者轉(zhuǎn)換為對(duì)維修操作指導(dǎo)內(nèi)容的請(qǐng)求。

圖7 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修誘導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流框圖

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由場(chǎng)景分析模塊、虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、信息增強(qiáng)模塊組成。其中場(chǎng)景分析模塊能夠持續(xù)地跟蹤維修場(chǎng)景的變化，并對(duì)維修人員所處的真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行分析，解釋來(lái)自用戶所處真實(shí)環(huán)境的變化，進(jìn)行環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)如位置、視點(diǎn)位置等的更新，為系統(tǒng)提供用戶所在場(chǎng)景的變化數(shù)據(jù)。信息增強(qiáng)模塊完成整個(gè)維修誘導(dǎo)系統(tǒng)的信息輸出，將工作流控制模塊提供的虛擬信息疊加到對(duì)維修人員所在的真實(shí)環(huán)境中。

智能信息提供系統(tǒng)由信息獲取模塊、工作流控制模塊、技術(shù)資料數(shù)據(jù)庫(kù)和案例/知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中信息獲取模塊根據(jù)場(chǎng)景分析結(jié)果和工作流請(qǐng)求指令，面向具體的維修任務(wù)，從維修資料數(shù)據(jù)庫(kù)和案例／知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取與維修場(chǎng)景相關(guān)的技術(shù)資料，并對(duì)獲取的信息進(jìn)行處理；它所提取與場(chǎng)景變化相適應(yīng)的虛擬信息，可為控制模塊提供依據(jù)。工作流控制模塊作為整個(gè)維修誘導(dǎo)系統(tǒng)的核心，具有兩個(gè)功能：一是對(duì)維修誘導(dǎo)流程進(jìn)行控制，對(duì)輸入信息進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)輸出信息進(jìn)行管理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)；二是處理各個(gè)模塊之間可能的沖突，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

整個(gè)系統(tǒng)以工作流控制模塊為核心，以命令解釋模塊和運(yùn)動(dòng)感知模塊為數(shù)據(jù)輸入，以信息增強(qiáng)模塊為輸出，通過場(chǎng)景分析模塊和信息獲取模塊的輔助，完成整個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修誘導(dǎo)過程。

這一由三個(gè)子系統(tǒng)緊密有序分工合作所形成的工作框架，可適用于絕大多數(shù)的應(yīng)用環(huán)境。基于此框架的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修誘導(dǎo)、操作指導(dǎo)或是訓(xùn)練等，在載人航天工程的未來(lái)實(shí)踐中，將能有效地提高工作效率、縮小培訓(xùn)周期、減少人為差錯(cuò)，因此具有非常現(xiàn)實(shí)的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3.2 遙操作

在載人航天工程中，遙操作是一種廣泛采用的控制技術(shù)，它使操作者能在危險(xiǎn)環(huán)境或人類無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境中，進(jìn)行指揮作業(yè)并安全完成作業(yè)任務(wù)。但遠(yuǎn)距離通信導(dǎo)致的時(shí)延問題一直是遙操作系統(tǒng)的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

過大的時(shí)延很容易引起控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而大大降低系統(tǒng)的可操作性。研究表明，當(dāng)延遲大于0.25s時(shí)，操作人員就能明顯感覺到延遲的存在。而在航天工程領(lǐng)域，遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸所導(dǎo)致的大時(shí)延幾乎是不可避免的，從幾秒甚至到幾分鐘都有可能。一旦產(chǎn)生大時(shí)延，操作者將無(wú)法實(shí)時(shí)地獲取被控物體的信息，被控物體也不可能實(shí)時(shí)響應(yīng)操作指令，這將對(duì)操作者的判斷產(chǎn)生很大的干擾。

圖8 使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙操作系統(tǒng)組成

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，可以很大程度上彌補(bǔ)大時(shí)延對(duì)遙操作的影響。早在1990年，美國(guó)NASA的JPL 實(shí)驗(yàn)室就提出了“Phantom Robot”的概念[14]，指出了用仿真圖像對(duì)視頻圖像進(jìn)行疊加增強(qiáng)，以便克服時(shí)延對(duì)遙操作的影響。這一方法在1996年NASA Godard太空飛行中心得到驗(yàn)證，操作時(shí)間節(jié)約了近50%。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在真實(shí)場(chǎng)景中仿真出被控物體的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，將真實(shí)場(chǎng)景和仿真圖像兩者完美地融合[15]，使操作者可以清晰明確地實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)各種指令的可能結(jié)果，及時(shí)做出下一個(gè)判斷，以此補(bǔ)償時(shí)延滯后。待新的場(chǎng)景信息返回后，可以對(duì)原預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行修正，并改進(jìn)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)不斷的迭代學(xué)習(xí)和持續(xù)預(yù)測(cè)。

圖8示出了一個(gè)典型的使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙操作系統(tǒng)。操作者可以通過被增強(qiáng)的視頻信息，方便地觀測(cè)到被操作物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)之間的直觀差異，也可以使用力反饋設(shè)備進(jìn)行雙向的力傳遞和預(yù)測(cè)。同時(shí)，還可以如維修誘導(dǎo)一般，直觀實(shí)時(shí)地獲得虛擬的輔助信息和操作提示（如三維動(dòng)畫和文字），并加入語(yǔ)音、手勢(shì)、操作桿等多種交互指令，以保證及時(shí)發(fā)送一些常用指令，這可以提高操作者對(duì)未知環(huán)境的適應(yīng)能力，有效地保證遙操作的效率和精度。

采用這種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的遙操作技術(shù)，使虛擬的預(yù)測(cè)被控物和真實(shí)的遠(yuǎn)程工作環(huán)境相互融合，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使虛擬被控物對(duì)真實(shí)被控物的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、仿真，這既可進(jìn)行直觀高效的人性化交互，又避免了直接與遠(yuǎn)程被控物交互的時(shí)延，將能大幅度地提高遙操作系統(tǒng)的可操作性、安全性和穩(wěn)定性，這在載人航天工程中必將有所作為。

4 結(jié)束語(yǔ)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在載人航天工程中的太空維修、大時(shí)延遙操作等領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文回顧了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的三大支撐技術(shù)，展望了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在載人航天工程中的潛在應(yīng)用，分析了其中的技術(shù)難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的方案。對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深入研究，一定能為我國(guó)載人航天工程的實(shí)踐提供有力的技術(shù)支撐。 ◇

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