吳勤

增強現(xiàn)實技術(shù)是將計算機生成的虛擬信息合成到用戶感知的真實世界中的一種技術(shù)，可以實現(xiàn)對真實世界的增加和強化。從武器裝備設(shè)計研制、維修保障、作戰(zhàn)訓練到作戰(zhàn)指揮，增強現(xiàn)實技術(shù)均能大顯神通。作為一項重要的軍民通用前沿技術(shù)，目前增強現(xiàn)實技術(shù)的許多應(yīng)用已經(jīng)令人矚目，隨著研究和應(yīng)用的日趨成熟，必將對未來作戰(zhàn)產(chǎn)生深遠和顛覆性的影響。

從“人適應(yīng)世界”到“世界適應(yīng)人”

增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該技術(shù)將計算機生成的虛擬物體、場景、聲音或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實場景的增強，增加用戶對現(xiàn)實世界的感知。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀世界中所經(jīng)歷的，而且能夠突破空間、時間以及其他限制，感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

增強現(xiàn)實技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，通過真實世界和虛擬世界相互結(jié)合，使真實世界得到增加和加強，從而以新的方式大幅提升了人們認知和改造真實世界的能力，出現(xiàn)了從“人適應(yīng)世界”到“世界適應(yīng)人”的重大變化。

增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要區(qū)別在于虛擬現(xiàn)實技術(shù)是創(chuàng)造一個全新的虛擬世界出來，用戶將完全沉浸于一個虛擬的合成世界中，無法看到所處的現(xiàn)實世界。而增強技術(shù)則是強調(diào)虛實結(jié)合，讓用戶看到真實世界的同時也能看到疊加在真實世界上的虛擬對象。增強現(xiàn)實系統(tǒng)中真實物體和虛擬物體必須無縫結(jié)合在一起，并能夠進行交互。在增強現(xiàn)實的環(huán)境中，使用者可以在看到周圍真實環(huán)境的同時，看到計算機產(chǎn)生的增強信息。這種增強的信息可以是在真實環(huán)境中與真實環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實物體的非幾何信息。增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、3D定位3種主要功能，整個系統(tǒng)由信息輸入、信息處理和信息輸出3部分組成。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要采用圖形圖像渲染技術(shù)、界面和可視化技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、標定技術(shù)、模式識別技術(shù)等。其中圖形圖像渲染技術(shù)用于渲染虛擬物體和場景；界面和可視化技術(shù)用于實現(xiàn)友好的人機交互界面，并將渲染的物體和場景清晰顯示出來；跟蹤和定位技術(shù)與標定技術(shù)共同完成對位置與方位的檢測，并將數(shù)據(jù)報告給增強現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)被跟蹤對象在真實世界里的坐標與虛擬世界中的坐標統(tǒng)一，達到讓虛擬物體與用戶環(huán)境無縫結(jié)合的目標。為了生成準確定位，增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要進行大量的標定，測量值包括攝像機參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對象定位以及變形等。模式識別技術(shù)用于圖像等特征信息的識別和提取。

增強現(xiàn)實技術(shù)的研究，最早可以追溯至1968年美國麻省理工學院研制出的，世界上第一臺采用陰極射線管的光學透明頭戴式顯示器，用于實時顯示計算機生成的圖形，在這項研究的基礎(chǔ)上，此后的頭戴顯示器在飛機、地面車輛以及艦只訓練方面都取得了不俗的成績。1986年，美國北卡大學研制出用于實現(xiàn)生物、化學和建筑可視化的STHMD系統(tǒng)。20世紀90年代，波音公司設(shè)計了一個輔助飛機線纜連接與裝配的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，工程師在該系統(tǒng)的指導(dǎo)下，完成飛機線纜的布線工作。進入21世紀，增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，逐步從實驗室走向工程應(yīng)用。2003年，歐洲Starmate系統(tǒng)和德國Arvika系統(tǒng)的研制成功，顯示了增強現(xiàn)實技術(shù)在復(fù)雜機電系統(tǒng)維修裝配領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。2007年，牛津大學研究人員開發(fā)了實時追蹤與繪圖并行的增強現(xiàn)實系統(tǒng)。2009年，哥倫比亞大學開發(fā)了基于移動增強現(xiàn)實的城市設(shè)計規(guī)劃輔助軟件。2012年谷歌眼鏡的推出以及微軟2015年展示的HoloLens增強現(xiàn)實設(shè)備，進一步激發(fā)了全球增強現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的新熱潮。

經(jīng)過多年的發(fā)展，各國研究者在跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)、交互技術(shù)等增強現(xiàn)實關(guān)鍵與支撐技術(shù)上不斷取得突破，其應(yīng)用領(lǐng)域也在被不斷擴展。當前，隨著計算機軟硬件計算能力的提高，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐步從實驗室理論研究階段開始轉(zhuǎn)入大眾與行業(yè)應(yīng)用階段，為人們提供了認知與體驗周圍事物的全新方式，被眾多知名機構(gòu)預(yù)測為未來最有前景的技術(shù)之一。

多領(lǐng)域應(yīng)用前景令人矚目

由于具有對真實環(huán)境進行增強輸出的特性，增強現(xiàn)實技術(shù)在武器裝備研制、軍事作戰(zhàn)、裝備組裝與維修、工程設(shè)計、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓練、醫(yī)療救護、娛樂與藝術(shù)等多個領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。

在工業(yè)領(lǐng)域，增強現(xiàn)實技術(shù)可用于工業(yè)設(shè)計、復(fù)雜機械的裝配、維護和維修。未來增強現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)上的發(fā)展趨勢，將從工業(yè)設(shè)計、運動裝配、維修過程，擴展到制造業(yè)的各個階段，在國外的一些發(fā)達工業(yè)國，已經(jīng)在開始設(shè)想增強現(xiàn)實技術(shù)在未來的智慧工廠中的應(yīng)用。美國Marine公司使用哥倫比亞大學圖形和用戶界面實驗室設(shè)計制造的增強現(xiàn)實輔助維修系統(tǒng)（頭戴式顯示器），將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于裝甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增強現(xiàn)實樣機系統(tǒng)能通過頭盔顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等。

在航天方面，增強現(xiàn)實技術(shù)在太空維修、航天員訓練、輔助操作等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力已逐漸顯現(xiàn)出來。2009年，歐洲航天局設(shè)計了WEAR可穿戴增強現(xiàn)實系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了空間站上的工作計算機，集成了頭戴跟蹤與顯示系統(tǒng)，在一只眼睛的視場中添加了三維圖形與指示數(shù)據(jù)，并驗證了增強現(xiàn)實技術(shù)在國際空間站上應(yīng)用的可行性。2015年3月，美國航空航天局（NASA）宣布在未來的航天任務(wù)中使用ODG公司的智能眼鏡。該智能眼鏡將會被用于地面及太空中的訓練，解放宇航員的雙手以提高工作效率，宇航員將直接通過他們的增強現(xiàn)實眼鏡接收重要信息和指令，以減少不必要的搜索時間。2015年6月，微軟增強現(xiàn)實設(shè)備HoloLens獲得了美國NASA的垂青，將作為Sidekick項目的關(guān)鍵工具，隨著SpaceX公司的太空飛船登陸太空，Sidekick項目能夠幫助宇航員更快適應(yīng)空間站環(huán)境，從而縮短訓練時間、提升任務(wù)效率。

醫(yī)學領(lǐng)域是增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用研究的一個新熱點，利用增強現(xiàn)實技術(shù)可以將病人的各類信息疊加在病人身體或?qū)嵨锶梭w模型上，幫助醫(yī)生進行手術(shù)方案的制定、手術(shù)時的精確定位與輔助指引、模擬的手術(shù)訓練等。麻省理工學院的人工智能實驗室已經(jīng)進行了增強現(xiàn)實技術(shù)在腦外科手術(shù)中的應(yīng)用研究。2012年，在歐洲航天局的資助下，比利時空間應(yīng)用服務(wù)部門研制了一種新型增強現(xiàn)實系統(tǒng)——電腦輔助醫(yī)療診斷和外科手術(shù)系統(tǒng)，其使用立體聲頭戴式顯示器和超聲診斷工具，通過紅外攝像機對患者病灶處進行跟蹤治療，可以為航天員提供即時的專業(yè)醫(yī)療診斷服務(wù)。

此外，日常生活中還有很多可以應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)的地方，其中最典型的就是游戲娛樂、模擬裝修、模擬試衣、活動演出等。索尼公司推出的EyePet游戲就是典型的相關(guān)應(yīng)用。

隨著移動智能終端CPU、GPU等處理器性能的提升，大尺寸、高分辨率觸摸屏的使用，攝像頭成像質(zhì)量的提高，手機天線、無線數(shù)據(jù)傳輸能力的提升，以及移動智能終端相關(guān)軟件應(yīng)用的不斷豐富，將使越來越多的移動互聯(lián)網(wǎng)用戶通過移動智能終端體驗增強現(xiàn)實技術(shù)的魅力。

巨大軍事價值日益顯現(xiàn)

國防先進制造 通過增強現(xiàn)實顯示設(shè)備可以實時展示和共享實物、模型、設(shè)計圖紙等信息，利用多通道人機自然交互技術(shù)，使得異地、多人可以實時互動，溝通交流設(shè)計思想，修改與改進方案；增強現(xiàn)實技術(shù)還可為用戶提供先期演示，讓研制者和用戶同時進入虛實結(jié)合的作戰(zhàn)環(huán)境中操作武器系統(tǒng)，檢驗武器系統(tǒng)的設(shè)計方案、戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能指標及其操作的合理性；通過增強現(xiàn)實系統(tǒng)，可以將裝配維修的標準工作流程指南準確地顯示給用戶，提高工作效率。2015年，由美國國防部牽頭成立的數(shù)字化制造與設(shè)計創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)布了七大研發(fā)項目，其中之一就是“基于增強現(xiàn)實和可穿戴計算的生產(chǎn)車間布局”。

武器裝備綜合維修保障 將增強現(xiàn)實技術(shù)用于裝備維修中，可以直接在實際設(shè)備中添加多種信息，一步一步地提示技術(shù)人員應(yīng)該做什么以及如何做，方便裝備的維修，降低了裝備拆裝、保養(yǎng)、維修的難度，極大提高了裝備保障的效率。例如，歐洲空中客車公司利用Arvika系統(tǒng)來解決歐洲某型戰(zhàn)斗機布線問題，操作工人可以通過語音調(diào)用虛擬提示，輕松地按照每步的提示，完成高密度的布線工作。DART510型航空發(fā)動機應(yīng)用增強現(xiàn)實維修系統(tǒng)后，其維修時間減少了56%。

戰(zhàn)場環(huán)境增強顯示 可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)來增強戰(zhàn)場環(huán)境信息，在真實環(huán)境中融合虛擬物體，可以增強真實的戰(zhàn)場場景。美國的SIMNET系統(tǒng)在1995年融入了增強現(xiàn)實技術(shù)，通過一些特殊的頭盔式顯示器和測距儀，使配備該設(shè)備的戰(zhàn)斗人員能夠看見其他作戰(zhàn)單位的增強信息。2012年，美國國防高級研究計劃局在“士兵視覺增強系統(tǒng)”項目下開始研發(fā)一種隱形眼鏡，該隱形眼鏡可以增強作戰(zhàn)人員的正常視力，佩戴該隱形眼鏡的作戰(zhàn)人員可以看到虛擬的、增強現(xiàn)實的圖像，整個過程無需借助龐大笨重的儀器。近年來，美軍開發(fā)了“戰(zhàn)場增強現(xiàn)實系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括可穿戴式增強現(xiàn)實系統(tǒng)和三維交互命令環(huán)境，其系統(tǒng)樣機已實現(xiàn)了指揮中心與各戰(zhàn)斗員之間的信息傳輸，未來將滿足城市作戰(zhàn)中提供單兵環(huán)境位置及協(xié)同信息的需求。

航空作戰(zhàn)環(huán)境感知 利用現(xiàn)實增強技術(shù)，在飛行員座艙的前方玻璃上或者他們的頭盔顯示器上，可將矢量圖形疊加到飛行員的視野中，不僅能向飛行員提供導(dǎo)航信息，還提供了包括敵方隱藏力量的增強戰(zhàn)場信息。2011年，泰萊斯公司在巴黎航展上展示了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的“頂點貓頭鷹”頭盔瞄準顯示器，該系統(tǒng)可直接將相關(guān)信息投影于駕駛員的頭盔取景器上，為其提供直升機周邊虛擬的畫面，使其在各類惡劣的地理和氣象條件下，作戰(zhàn)場景或目標還可以增強現(xiàn)實的方式加以顯示。系統(tǒng)現(xiàn)已部署于位于阿富汗的法軍和美軍的“虎”、NH90、AH-1Z“眼鏡蛇”等直升機上。美軍近期即將為F-35戰(zhàn)斗機配備多功能頭盔，除了傳統(tǒng)的供氧作用外，該頭盔還擁有通信聯(lián)絡(luò)、信息顯示和武器瞄準等多種功能，其中最具特色的部分就是采用了先進的傳感技術(shù)，通過分布在機身的高清和紅外攝像機，做到360°觀察機身周圍。該頭盔還采用了增強現(xiàn)實技術(shù)和頭部跟蹤系統(tǒng)，飛行員頭轉(zhuǎn)向哪一方，頭盔便會顯示該方向的即時態(tài)勢。英國BAE公司正在研制“可穿戴式駕駛艙”，通過該系統(tǒng)飛行員將會看到增強現(xiàn)實的圖像，替換了以往作戰(zhàn)飛機中的物理圖像和控制信息。

軍事訓練與演習 增強現(xiàn)實技術(shù)可以為部隊的訓練提供新方法，通過增強的軍事訓練系統(tǒng)，可以為軍事訓練提供比傳統(tǒng)訓練和演習更加真實的戰(zhàn)場環(huán)境，進一步提升軍事訓練的實戰(zhàn)化水平。2014年，美軍展示了“增強現(xiàn)實沙盤”系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直觀反映戰(zhàn)場真實地形地貌，使作戰(zhàn)人員能身臨其境地了解作戰(zhàn)地形，這將對未來作戰(zhàn)演練、兵棋推演等產(chǎn)生重大影響。2015年6月，美國海軍陸戰(zhàn)隊在弗吉尼亞州展示了一種能夠模擬戰(zhàn)場環(huán)境的增強現(xiàn)實眼鏡，并將其接入到了名為“增強沉浸式團隊訓練器”的大型訓練系統(tǒng)當中，全套系統(tǒng)集成了武器、望遠鏡和其他可能出現(xiàn)在戰(zhàn)場上的物理裝備。

戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮 將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中，可以允許各級指揮員同時觀看、討論戰(zhàn)場以及與虛擬場景交互，實現(xiàn)整個戰(zhàn)場信息的高度共享，這將更有利于各級指揮員快速、正確理解上級意圖。通過增強的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，指揮員能實時掌握各個作戰(zhàn)單元的情況，有利于指揮員及時做出正確的作戰(zhàn)決策。

結(jié) 語

國外媒體將增強現(xiàn)實技術(shù)列為2014年十五大科技發(fā)展趨勢之一，2015年，增強現(xiàn)實的相關(guān)應(yīng)用全球下載量預(yù)計將高達14億次，較2010年增長超過100倍。未來，通過技術(shù)的突破，內(nèi)容的精良化，沉浸式虛實融合的有效互動，硬件設(shè)備性能的完善，再加上云計算和云存儲的發(fā)展，增強現(xiàn)實的研究和應(yīng)用將日趨成熟，必將在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

責任編輯：劉靖鑫