顛覆未來作戰的前沿技術系列之增強現實

吳勤

增強現實技術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，可以實現對真實世界的增加和強化。從武器裝備設計研制、維修保障、作戰訓練到作戰指揮，增強現實技術均能大顯神通。作為一項重要的軍民通用前沿技術，目前增強現實技術的許多應用已經令人矚目，隨著研究和應用的日趨成熟，必將對未來作戰產生深遠和顛覆性的影響。

從“人適應世界”到“世界適應人”

增強現實技術是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的，該技術將計算機生成的虛擬物體、場景、聲音或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實場景的增強，增加用戶對現實世界的感知。使用者不僅能夠通過虛擬現實系統感受到在客觀世界中所經歷的，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歷的體驗。

增強現實技術的最大優勢在于，通過真實世界和虛擬世界相互結合，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，出現了從“人適應世界”到“世界適應人”的重大變化。

增強現實與虛擬現實技術的主要區別在于虛擬現實技術是創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，無法看到所處的現實世界。而增強技術則是強調虛實結合，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。增強現實系統中真實物體和虛擬物體必須無縫結合在一起，并能夠進行交互。在增強現實的環境中，使用者可以在看到周圍真實環境的同時，看到計算機產生的增強信息。這種增強的信息可以是在真實環境中與真實環境共存的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息。增強現實系統具有虛實結合、實時交互、3D定位3種主要功能，整個系統由信息輸入、信息處理和信息輸出3部分組成。

增強現實系統需要采用圖形圖像渲染技術、界面和可視化技術、跟蹤和定位技術、標定技術、模式識別技術等。其中圖形圖像渲染技術用于渲染虛擬物體和場景；界面和可視化技術用于實現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；跟蹤和定位技術與標定技術共同完成對位置與方位的檢測，并將數據報告給增強現實系統，實現被跟蹤對象在真實世界里的坐標與虛擬世界中的坐標統一，達到讓虛擬物體與用戶環境無縫結合的目標。為了生成準確定位，增強現實系統需要進行大量的標定，測量值包括攝像機參數、視域范圍、傳感器的偏移、對象定位以及變形等。模式識別技術用于圖像等特征信息的識別和提取。

增強現實技術的研究，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生物、化學和建筑可視化的STHMD系統。20世紀90年代，波音公司設計了一個輔助飛機線纜連接與裝配的增強現實系統，工程師在該系統的指導下，完成飛機線纜的布線工作。進入21世紀，增強現實技術發展迅速，逐步從實驗室走向工程應用。2003年，歐洲Starmate系統和德國Arvika系統的研制成功，顯示了增強現實技術在復雜機電系統維修裝配領域的巨大應用潛力。2007年，牛津大學研究人員開發了實時追蹤與繪圖并行的增強現實系統。2009年，哥倫比亞大學開發了基于移動增強現實的城市設計規劃輔助軟件。2012年谷歌眼鏡的推出以及微軟2015年展示的HoloLens增強現實設備，進一步激發了全球增強現實技術研發與應用的新熱潮。

經過多年的發展，各國研究者在跟蹤技術、顯示技術、交互技術等增強現實關鍵與支撐技術上不斷取得突破，其應用領域也在被不斷擴展。當前，隨著計算機軟硬件計算能力的提高，以及物聯網、大數據等新一代信息技術的發展，增強現實技術已經逐步從實驗室理論研究階段開始轉入大眾與行業應用階段，為人們提供了認知與體驗周圍事物的全新方式，被眾多知名機構預測為未來最有前景的技術之一。

多領域應用前景令人矚目

由于具有對真實環境進行增強輸出的特性，增強現實技術在武器裝備研制、軍事作戰、裝備組裝與維修、工程設計、數據模型的可視化、虛擬訓練、醫療救護、娛樂與藝術等多個領域展示了廣闊的應用前景。

在工業領域，增強現實技術可用于工業設計、復雜機械的裝配、維護和維修。未來增強現實技術在工業上的發展趨勢，將從工業設計、運動裝配、維修過程，擴展到制造業的各個階段，在國外的一些發達工業國，已經在開始設想增強現實技術在未來的智慧工廠中的應用。美國Marine公司使用哥倫比亞大學圖形和用戶界面實驗室設計制造的增強現實輔助維修系統（頭戴式顯示器），將增強現實技術應用于裝甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增強現實樣機系統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、被維修設備的內部結構、被維修設備零件圖等。

在航天方面，增強現實技術在太空維修、航天員訓練、輔助操作等領域的巨大應用潛力已逐漸顯現出來。2009年，歐洲航天局設計了WEAR可穿戴增強現實系統，該系統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，在一只眼睛的視場中添加了三維圖形與指示數據，并驗證了增強現實技術在國際空間站上應用的可行性。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，微軟增強現實設備HoloLens獲得了美國NASA的垂青，將作為Sidekick項目的關鍵工具，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空間站環境，從而縮短訓練時間、提升任務效率。

醫學領域是增強現實技術應用研究的一個新熱點，利用增強現實技術可以將病人的各類信息疊加在病人身體或實物人體模型上，幫助醫生進行手術方案的制定、手術時的精確定位與輔助指引、模擬的手術訓練等。麻省理工學院的人工智能實驗室已經進行了增強現實技術在腦外科手術中的應用研究。2012年，在歐洲航天局的資助下，比利時空間應用服務部門研制了一種新型增強現實系統——電腦輔助醫療診斷和外科手術系統，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醫療診斷服務。

此外，日常生活中還有很多可以應用增強現實技術的地方，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應用。

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，攝像頭成像質量的提高，手機天線、無線數據傳輸能力的提升，以及移動智能終端相關軟件應用的不斷豐富，將使越來越多的移動互聯網用戶通過移動智能終端體驗增強現實技術的魅力。

巨大軍事價值日益顯現

國防先進制造 通過增強現實顯示設備可以實時展示和共享實物、模型、設計圖紙等信息，利用多通道人機自然交互技術，使得異地、多人可以實時互動，溝通交流設計思想，修改與改進方案；增強現實技術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合的作戰環境中操作武器系統，檢驗武器系統的設計方案、戰術、技術性能指標及其操作的合理性；通過增強現實系統，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字化制造與設計創新機構發布了七大研發項目，其中之一就是“基于增強現實和可穿戴計算的生產車間布局”。

武器裝備綜合維修保障 將增強現實技術用于裝備維修中，可以直接在實際設備中添加多種信息，一步一步地提示技術人員應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、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系統來解決歐洲某型戰斗機布線問題，操作工人可以通過語音調用虛擬提示，輕松地按照每步的提示，完成高密度的布線工作。DART510型航空發動機應用增強現實維修系統后，其維修時間減少了56%。

戰場環境增強顯示 可以利用增強現實技術來增強戰場環境信息，在真實環境中融合虛擬物體，可以增強真實的戰場場景。美國的SIMNET系統在1995年融入了增強現實技術，通過一些特殊的頭盔式顯示器和測距儀，使配備該設備的戰斗人員能夠看見其他作戰單位的增強信息。2012年，美國國防高級研究計劃局在“士兵視覺增強系統”項目下開始研發一種隱形眼鏡，該隱形眼鏡可以增強作戰人員的正常視力，佩戴該隱形眼鏡的作戰人員可以看到虛擬的、增強現實的圖像，整個過程無需借助龐大笨重的儀器。近年來，美軍開發了“戰場增強現實系統”，該系統包括可穿戴式增強現實系統和三維交互命令環境，其系統樣機已實現了指揮中心與各戰斗員之間的信息傳輸，未來將滿足城市作戰中提供單兵環境位置及協同信息的需求。

航空作戰環境感知 利用現實增強技術，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航信息，還提供了包括敵方隱藏力量的增強戰場信息。2011年，泰萊斯公司在巴黎航展上展示了基于增強現實技術的“頂點貓頭鷹”頭盔瞄準顯示器，該系統可直接將相關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，作戰場景或目標還可以增強現實的方式加以顯示。系統現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戰斗機配備多功能頭盔，除了傳統的供氧作用外，該頭盔還擁有通信聯絡、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，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實技術和頭部跟蹤系統，飛行員頭轉向哪一方，頭盔便會顯示該方向的即時態勢。英國BAE公司正在研制“可穿戴式駕駛艙”，通過該系統飛行員將會看到增強現實的圖像，替換了以往作戰飛機中的物理圖像和控制信息。

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

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

結 語

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

責任編輯：劉靖鑫