衡 軍

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266000)

0 引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)［1］(augment reality，AR)是借助三維顯示技術(shù)、自然人機(jī)交互技術(shù)、多種傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)以及多媒體技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息等融合到用戶所要體驗(yàn)的真實(shí)環(huán)境中的一種技術(shù)，其目的在于突破空間、時(shí)間及其他客觀限制，實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)，為虛擬世界和真實(shí)世界之間架起了一座橋梁，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展方興未艾，在實(shí)際的生產(chǎn)和生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。例如:在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位;在汽車工業(yè)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車造型、設(shè)計(jì)、工藝制造、虛擬試驗(yàn)當(dāng)中;在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將文化古跡“原景重現(xiàn)”，不但可以提供文字解說，還可以進(jìn)行互動(dòng);在軍事領(lǐng)域中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備與信息保障、作戰(zhàn)系統(tǒng)及模擬訓(xùn)練中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科教、軍事、工業(yè)制造等方面有著諸多成功應(yīng)用，但是對(duì)于船舶行業(yè)領(lǐng)域，有關(guān)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用相對(duì)較少，本文首先對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，然后對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在船舶制造、艦船仿真、船舶駕駛等方面的應(yīng)用與及發(fā)展進(jìn)行深入研究。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)涉及圖像處理、實(shí)時(shí)跟蹤、三維注冊(cè)、人機(jī)交互、場(chǎng)景融合、傳感器設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)學(xué)科。其關(guān)鍵技術(shù)包括虛實(shí)配準(zhǔn)技術(shù)、顯示技術(shù)、虛實(shí)融合技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。

1.1 虛實(shí)物體配準(zhǔn)

虛實(shí)配準(zhǔn)(三維注冊(cè))是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景圖像和計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的虛擬物體進(jìn)行無縫合成，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的首要目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是將“實(shí)景”與“虛物”進(jìn)行“對(duì)其”。首先，根據(jù)真實(shí)物體確定虛擬物體與觀察者之間的關(guān)系，然后通過正確的投影方法將虛擬物體投影至觀察者的視域范圍內(nèi)。虛實(shí)物體配準(zhǔn)技術(shù)要求無延時(shí)、快速準(zhǔn)確、無抖動(dòng)，不受光照、遮擋、運(yùn)動(dòng)等因素影響。比較常見的跟蹤配準(zhǔn)方法主要有以下3 類:

1)基于硬件跟蹤器的配準(zhǔn)

基于硬件跟蹤器的配準(zhǔn)方法一般建立在機(jī)械、磁力、光學(xué)、慣性等傳感器的基礎(chǔ)上［2］，相關(guān)方法比較分析如表1 所示。

表1 基于硬件跟蹤器的配準(zhǔn)方法比較分析Tab.1 The comparative analysis for registration methods based on hardware

2)基于視覺計(jì)算的配準(zhǔn)

基于視覺計(jì)算的配準(zhǔn)分為基于標(biāo)識(shí)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)和基于自然特征的跟蹤注冊(cè)技術(shù)兩類。其中，基于標(biāo)識(shí)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)性好，精度高，但其易受光照影響，在標(biāo)識(shí)被遮擋時(shí)，無法完成三維配準(zhǔn)?；谧匀惶卣鞯母欁?cè)技術(shù)使用范圍大，但其算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不高。

3)兩者混合的配準(zhǔn)

3 種虛實(shí)配準(zhǔn)方法對(duì)比分析如表2 所示。

表2 虛實(shí)配準(zhǔn)方法比較分析Tab.2 The comparative analysis for registration methods

1.2 顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過多種設(shè)備來顯示虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景的疊加，顯示技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在觀察者的眼睛和真實(shí)物體之間的光路上成像。根據(jù)光路成像位置的不同，顯示技術(shù)可分為頭戴式、手持式、時(shí)間顯示3 類，詳細(xì)對(duì)比分析如表3 所示。

表3 顯示方法比較分析Tab.3 The comparative analysis for display methods

1.3 虛實(shí)融合技術(shù)

虛實(shí)融合目標(biāo)是將真實(shí)場(chǎng)景和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體無縫合成，滿足幾何真實(shí)感、行為真實(shí)感和光照真實(shí)感，并最終使觀察者感覺不到真實(shí)物體和虛擬物體的區(qū)別，虛實(shí)融合技術(shù)主要包括虛實(shí)環(huán)境的注冊(cè)、虛擬物體和真實(shí)物體的遮擋處理、陰影和光照一致性和自然的交互［3］。

1.4 自然人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互一直伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展。它經(jīng)歷了語言命令交互階段、圖像用戶界面(GUI)交互階段、自然和諧的人機(jī)交互階段3 個(gè)階段。

自然人機(jī)交換強(qiáng)調(diào)以人為中心的交互方式，注重人和計(jì)算機(jī)、人和人的自然交流，包括語音交互、體態(tài)語言交互、其他姿態(tài)語言交互(如手勢(shì)交互)等。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，可以運(yùn)用多通道自然交互，例如，用戶可以使用語音、手勢(shì)、眼神、表情等自然的交互方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在船舶行業(yè)的應(yīng)用

2.1 船舶制造

人類造船已有悠久歷史，由于航運(yùn)的發(fā)展以及民用、軍事上的需求，船舶趨于專業(yè)化和大型化，造船技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。近年來，船舶綠色制造工藝和技術(shù)［4］成為船舶制造業(yè)發(fā)展重點(diǎn)和亮點(diǎn)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船舶工程設(shè)計(jì)和裝配維修技術(shù)，便是綠色制造工藝之中一種具有巨大潛力的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為船舶制造提供了新的科學(xué)輔助手段，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程協(xié)作

首先，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備實(shí)時(shí)展示和共享實(shí)物、模型、設(shè)計(jì)圖紙等信息，利用多通道人機(jī)自然交互技術(shù)，使得異地、多人可以實(shí)時(shí)互動(dòng)，溝通交流設(shè)計(jì)思想，修改與改進(jìn)方案。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可預(yù)先打造出“一艘完整的船”，在立體投影技術(shù)的幫助下，設(shè)計(jì)人員可以親身進(jìn)入船體內(nèi)部，體驗(yàn)、分析船體結(jié)構(gòu)是否合理、舒適，直觀了解艦船的各個(gè)工藝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，減少成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

2)復(fù)雜工藝模擬

在真實(shí)產(chǎn)品生產(chǎn)之前，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬、物理模擬和專家系統(tǒng)優(yōu)化工藝方案、確定最佳工藝參數(shù)、預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，從而有效地減少原材料和能源的消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在船舶平面分段生產(chǎn)線焊裝過程中，傳統(tǒng)的工藝手段是對(duì)照平面布局圖紙進(jìn)行圖上模擬作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)由于理解、表述不同導(dǎo)致進(jìn)度延誤，工藝質(zhì)量完全依賴經(jīng)驗(yàn)。而運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可搭建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)對(duì)各設(shè)備資源進(jìn)行整合，各工藝工作人員可同時(shí)分析作業(yè)，3D 模型的直觀展示及動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬可以有效解決協(xié)同作業(yè)難，工作效率低的問題。

3)設(shè)備裝配與維修

通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以將裝配維修的標(biāo)準(zhǔn)工作流程指南準(zhǔn)確地顯示給用戶，生動(dòng)的3D 影像信息較復(fù)雜的文字圖紙手冊(cè)而言，更能幫助指導(dǎo)用戶順利完成任務(wù)，提高工作效率［5］。

2.2 艦船仿真

艦船仿真是指利用數(shù)字模型代替物理原型，對(duì)艦船制造和生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬仿真，艦船仿真是艦船科技領(lǐng)域中信息化技術(shù)應(yīng)用的較高層次。傳統(tǒng)艦船仿真包括半實(shí)物仿真和分布交互仿真技術(shù)［5］，其仿真成果往往缺乏真實(shí)感與互動(dòng)感，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為艦船仿真提供了全新的技術(shù)平臺(tái)［6］，通過動(dòng)畫、聲音、三維模型等營(yíng)造真實(shí)建造場(chǎng)景，將艦船制造工藝流程真實(shí)呈現(xiàn)。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的艦船仿真，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船廠廠區(qū)、設(shè)施、艦船內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布置進(jìn)行3D 可視化虛擬展示，并通過人機(jī)互動(dòng)，與虛擬環(huán)境中的模型進(jìn)行交互。突破了傳統(tǒng)仿真軟件限制，更具擴(kuò)充性與可靠性。艦船三維模型如圖1 所示。

圖1 艦船三維模型Fig.1 3D model

2.3 船舶駕駛

傳統(tǒng)駕駛艙如圖2 所示，駕駛艙內(nèi)是各種復(fù)雜的儀表盤和按鈕。

圖2 傳統(tǒng)船艙駕駛室Fig.2 Traditional ship cab

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在船舶行業(yè)的應(yīng)用已有雛形出現(xiàn)。例如，芬蘭的一家技術(shù)研究中心展示的一套帶有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的貨船駕駛艙，如圖3 所示。駕駛艙變成一個(gè)擁有落地窗的工作站，各種海況信息和導(dǎo)航信息借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被顯示在落地窗上，這種方式有效解決了船員視野受限制問題，尤其是在霧天、雨天、夜晚等視線弱的情況下。

運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船艙駕駛室打破了傳統(tǒng)的艦船駕駛教學(xué)與訓(xùn)練方式，通過增強(qiáng)的船艙駕駛室，可以為駕駛教學(xué)與訓(xùn)練提供真實(shí)的環(huán)境，豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性。同時(shí)，也可大大增加學(xué)員實(shí)踐訓(xùn)練的時(shí)間與機(jī)會(huì)，為艦船操控人才的培養(yǎng)提供了有效手段。在未來的技術(shù)發(fā)展中，遠(yuǎn)程操控、無人駕駛將是船艙駕駛的發(fā)展方向。

圖3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船艙駕駛室Fig.3 Ship cab based on augmented reality

此外，在船舶行業(yè)領(lǐng)域中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有著廣泛的應(yīng)用空間，如在水上交通管制方面，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以擴(kuò)大監(jiān)視和控制范圍，提高目標(biāo)定位精度，保障海運(yùn)安全。在信息可視化方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的疊加技術(shù)可以提供多視角信息，如在顯示實(shí)時(shí)景象的同時(shí)，顯示紅外、熱度、夜視等圖像信息。在水上作戰(zhàn)指揮中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用可以使戰(zhàn)場(chǎng)各指揮人員實(shí)時(shí)共享戰(zhàn)況信息，對(duì)瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)情況做出快速反應(yīng)。

3 結(jié) 語

與國(guó)外增強(qiáng)技術(shù)比較而言，我國(guó)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還相對(duì)落后，尤其在船舶行業(yè)中的應(yīng)用方面，我國(guó)還處在起步和探討階段。雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著廣泛且巨大的應(yīng)用價(jià)值，但其實(shí)用程度受到軟、硬件技術(shù)、社會(huì)接受度等問題的限制，但隨著各項(xiàng)技術(shù)研究的日益成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)必將在船舶行業(yè)中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

［1］AZUMA R T.A survey of augmented reality［J］.Presence-Teleoperators and Virtual Environments，1997，6(4):355 -385.

［2］ROLLAND J P，DAVIS L，BAILLOT Y. A survey of tracking technology for virtual environments ［J］.Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality，2001:67 -112.

［3］趙沁平. 虛擬現(xiàn)實(shí)綜述［J］. 中國(guó)科學(xué)(F 輯)，2009，39(1):2 -46.

［4］王世明.綠色船舶的現(xiàn)狀和發(fā)展前景分析［J］. 中國(guó)造船，2008，49(1):48 -57.

［5］王天明，王玉，李煒，等.以虛擬仿真為基礎(chǔ)的艦船裝備研制方法研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2001，23(1):9 -14.

［6］何四華，李天偉，韓云東.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在航海仿真中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2004，26(5):54 -56.HE Si-hua，LI Tian-wei，HAN Yun-dong. Virtual reality technique and it′s application in navigation simulation［J］.Ship Science and Techndogy，2004，26(5):54 -56.