國外增強/虛擬現實技術發展現狀

黃亮 柳吉齡 閆培新

近年來，以谷歌眼鏡和“圓窗裂痕”（Oculus Rift）頭戴式顯示器為代表的穿戴式設備吸引了公眾的廣泛注意。盡管尚處于開發階段，這些產品仍舊獲得了眾多用戶的期待。目前，各國已開始積極探索穿戴式設備在現代軍事領域的應用。例如，佩戴谷歌眼鏡的特種部隊能夠分享目標建筑環境的360°全景合成視圖;又如使用“圓窗裂痕”頭戴式顯示器可獲得無人機傳來的超視距影像，可實現對無人機的遠程控制及發射武器。

穿戴這類設備使人員具有“超人”能力，即能獲取和處理大量信息，甚至是獲得未見未知的歷史事件和信息的能力。獲得這種能力的技術，我們稱其為增強現實技術。

那么，何謂增強現實技術？增強現實（AR：Augmented Reality）技術是一種將計算機生成的感知信息與物理現實世界進行疊加的技術，以增加現實環境的元素信息，包括聲音、視頻、圖像和GPS數據等。

增強現實技術與介導現實（Mediated Reality）技術相關，后者主要基于計算機技術對現實景象進行修改（甚至可能是減弱，并非只有增強），前者則主要在于增強對現實的感知能力。增強現實技術中對于現實世界的增強通常是與環境相關的實時信息，例如電視播放體育賽事時的實時比分。基于先進的增強現實技術（如計算機圖像和目標識別），用戶周圍的環境信息變得具有交互性和數字可操作性。與環境和物體相關的虛擬化信息能夠疊加在真實世界之上。

增強/虛擬現實技術設備正在軍事領域中得到應用

“我已經用谷歌眼鏡把視頻錄制好了！”這句話揭示了谷歌眼鏡的本質功能。

對于使用早期限量發售的探索者版谷歌眼鏡的嘗鮮者來說，這不僅僅是一部具有500萬像素的聲控視頻設備，還是一臺攝像機。這款智能眼鏡實質上是一臺內置有處理器、存儲、藍牙和小型顯示屏的微型計算機，用戶可以使用它瀏覽郵件、文本信息以及來電信息，并通過眼鏡架腿上的觸摸板做出回應，還能夠將語音輸入轉換為文本信息。谷歌眼鏡的用戶可以從顯示屏上獲得投影信息，甚至可以通過谷歌（Google）網站將輸入語句翻譯成外語。

美國BMI公司是位于俄亥俄州哥倫布市的一家私人非盈利性的研發公司，公司基于谷歌眼鏡展示了一種“戰術級增強現實應用”（TARA：Tactical AR Application）。TARA應用基于視頻識別技術，為攜帶化學生物放射性檢測裝備的應急人員提供對潛在有害物質的評估。BMI公司的戴倫·沃爾夫解釋說：“該應用能夠給予應急人員不同顏色的指示信息，從而顯示當前檢測設備對被測試劑是否有效。”谷歌眼鏡的顯示屏能夠列出對危險品、爆炸物和大規模殺傷性武器的處置備忘錄。

在執法行動中，谷歌眼鏡采集的視頻影像能夠被面部識別軟件處理，再結合相關數據庫信息分辨出嫌疑人。

“戰術級增強現實應用”可以與“圓窗裂痕”虛擬現實頭戴設備一起作為沉浸式訓練環境的一部分。基于內置的頭部傳感器和一對手持傳感器，受訓人員可以與危險品、爆炸物和大規模殺傷性武器訓練場景中的虛擬目標進行交互。

在美國空軍研究實驗室，一名少尉正在演示谷歌眼鏡的用途

美國空軍研究實驗室（AFRL）已經在探索將谷歌眼鏡用于空降救援和聯合戰術控制的前景，該計劃被命名為“蝙蝠俠 II”。正是由于谷歌眼鏡具有質量輕、造價低和內置大量傳感器的優勢，美國空軍研究實驗室考慮用它來替代現有平臺。基于谷歌眼鏡，戰術控制人員可以通過對目標的注視來為攻擊機指示目標。同時，美國空軍研究實驗室正在研究使用谷歌眼鏡協助空降救援人員實現基于遠程傳感器的傷員生命體征監測和醫療信息傳輸，該應用將有助于確定哪些傷病人員急需救治。

BAE系統公司開發了一款類似谷歌眼鏡的頭戴式顯示設備（HMD），該設備采用單目顯示方式，用于單兵的版本稱為Q-WARRIOR。其能夠提升單兵的態勢感知能力，同時還能夠通過疊加的數據和視頻為單兵提供情報信息。該設備的主要特點是：具有增強型的夜間成像和規劃路徑能力，能夠識別敵方兵力、追蹤人員和設備，支持小組協同行動。BAE系統公司的該項技術將首先應用于包括偵察與反恐在內的特殊軍事行動中。BAE系統公司的士兵系統項目主管保羅·懷特認為此裝備的最大需求也恰恰來源于最早采用態勢感知技術時所提出的優勢和需求。

美國海軍研究局也與眼鏡生產廠商Vuzix公司和頭戴式顯示設備（HUD）制造商Six15科技公司合作，研制類似于谷歌眼鏡且可與標準軍用護目鏡集成的設備。美國海軍正計劃將這款頭戴式增強現實顯示設備用于軍事訓練。受訓士兵可以通過該設備在其視野內增加虛擬角色、目標和各種特效等。

美國陸軍作戰實驗室基于智能手機開發了手持式“態勢感知工具”，以便士兵能夠獲得地面機器人和空中無人機傳輸的視頻信息。基于無線網連接戰術機器人或者小型無人機控制系統，分隊指揮官態勢感知工具可將視頻實時傳輸給班排指揮員，使他們部分取代傳統的無線電方式來發送請求和接收指令。

谷歌公司以及其他一些研究機構正在致力于研究仿生“智能透鏡”——通過微電子元件與透鏡關聯。菲尼爾透鏡可以將影像聚焦到用戶的視網膜上，影像由發光二極管生成，整個系統由射頻天線和集成電路傳輸的能量進行供電。

2014年早些時候，Oculus公司發布了新一代開發者工具包DK2。DK2使用有機發光二極管（OLED）顯示器來解決運動圖像模糊和顫抖的問題，每只眼睛對應的顯示屏都具有960×1080的高分辨率。DK2還使用外置攝像機來支持六個自由度的頭部運動跟蹤。

Vuzix公司與Six15科技公司合作研發的頭盔式增強現實顯示裝備用于軍事訓練，受訓士兵可以通過該設備在其視野內增加虛擬角色、目標和各種特效等，可極大提高訓練水平，節約訓練成本

隨后，Oculus公司在同年9月份發布了一款質量更輕的樣機——“月牙灣”（Crescent Bay），該產品配置了一個能夠實現全方位頭部運動跟蹤的攝像頭，使頭部運動不受約束。同時，“月牙灣”整合了耳麥，大大提升了用戶的沉浸感。

但是，曾就職于Quantum 3D公司的亨克·塞米內克（Hank Semenec）發現Oculus公司采用的光學器件存在大量邊緣失真現象。仔細觀察Oculus的光學器件，就會發現存在的透光度問題以及與彩色光譜相關的邊緣失真現象，使得為受訓人員顯示的相關信息很快就變得無法識別。這款頭盔顯示器未來還需要改進。

索尼公司也進行了頭盔顯示器的研發，命名為“墨菲斯”計劃（Project Morpheus），與PlayStation 4 一起使用。“墨菲斯”配備了一塊5英寸顯示屏，具有90°視角和1920×1080的高分辨率，內置慣性傳感器，佩戴者只要轉動頭部，PlayStation的攝像頭就能夠準確捕獲用戶的頭部朝向。

三星（Samsung）與Oculus公司合作完成Gear VR系統，該系統使用Galaxy Note 4智能手機作為顯示器——手機安裝在Gear VR的前面，作為Gear VR的顯示器，能夠與Gear VR的眼鏡完全吻合。

谷歌公司發布了一款用于游戲的頭盔顯示器，名為Google Cardboard。該系統使用玩家自己的智能手機。更為有特色的是谷歌的“探戈”（Tango）項目，它不可思議地將3D空間感知和視覺技術應用于手機中。其核心是一塊由Movidius公司生產的Myriad 1 視覺處理器，芯片僅需要幾百毫瓦的電量，具有超萬億次處理能力。谷歌“探戈”手機還集成了體感虛擬傳感器，能夠對手機周圍的環境進行掃描。

SGIL公司的VisTA系統可用于多種虛擬環境下的訓練，集成了單人/多人、戰術突擊、決策判定和態勢感知訓練。

顯然，以訓練服務為目標的虛擬現實技術對軍事訓練尤其有效，使士兵能夠提高對戰場態勢的感知能力以及面對危險環境時如何應對與處置的能力。基于虛擬現實的仿真技術能夠使士兵在沒有傷亡風險的前提下實現上述軍事訓練的目標。通過對特定場景的重現（例如與敵人戰斗的場景），使受訓人員擁有身臨其境的體驗，而且不存在真實環境中的任何風險。與傳統訓練方法相比，更加安全經濟。

虛擬現實訓練需要借助于頭戴式顯示器（HMD）完成，頭戴式顯示器內置運動追蹤和數據處理系統，使用者能夠與虛擬環境進行交互。

空中控制員正在使用Oculus公司的增強現實設備。沉浸式的頭部裝置可有效為人員提供相關訓練

訓練中，士兵和其他相關人員配備虛擬現實眼鏡，該眼鏡能夠產生虛擬3D影像，而且在全體參與人員之間共享。但是，需要強調的是虛擬現實只能作為輔助設備使用，并不能完全替代真實訓練。

虛擬現實戰斗仿真利用虛擬化環境，對新兵進行必備技能和技術的訓練。新兵配備虛擬現實眼鏡或者具有追蹤系統的頭戴式顯示器，在這樣一種3D虛擬化環境中進行科目訓練。

虛擬現實還可用來治療創傷后精神失調（PRSD）。對于遭受戰場創傷和心理創傷的傷員，醫護人員可以采用虛擬現實技術在一個安全的環境下學習如何治療和處置這些病癥，使傷員能夠面對那些具有刺激性的環境和條件，使他們逐步調整和適應這些外來的精神刺激。該方法在緩解傷病員傷痛以及適應新環境方面明顯有效。

虛擬現實的應用形式和應用場景多種多樣，例如游戲和大規模虛擬化環境。虛擬現實游戲近年來逐漸流行起來，新兵也被要求基于這些游戲來學習提升戰斗技巧和技術。而且，新兵入伍前也經常在閑暇時間玩類似的視頻游戲，因此對于這些游戲的操作和使用非常熟悉。這些游戲還可以用來作為新兵入門培訓的一部分，幫助他們熟悉和適應軍隊生活。考慮到如今的年輕人能夠很快掌握這些游戲和技術并被其吸引，虛擬現實訓練也因此被用來作為新兵招募的噱頭，并計劃在士兵的整個軍旅生涯中進行推廣。

用戶在虛擬現實環境中具有沉浸感，會認為自己完全處于這個虛擬世界中，并成為其中一部分。用戶還能夠通過多種方式與環境交互，換句話說，良好的虛擬現實體驗使用戶更加集中于在虛擬環境中的存在感，而對周圍的真實存在渾然不知。

增強/ 虛擬現實圖景，計算機生成的虛擬世界展現在訓練者眼前，使受訓者更加沉浸于虛擬環境中的存在感

如果模擬所有場景，虛擬現實環境需要大量信息和數據。在所有傳感器模擬要素中，大多數虛擬環境技術和應用都優先考慮視覺和聽覺組件的影響，但是越來越多的科學家和工程師也在考慮通過觸摸系統將用戶的觸覺集成進來。

為了獲得良好的沉浸感，虛擬世界中出現的物體大小應該和真實環境中保持一致，并能夠無縫地進行視角轉換。如果在一個虛擬環境中的房子中央僅有一個基臺，那么用戶應能夠從任何角度觀察基臺，并且視圖可以隨著用戶所處位置和視角的變化而變化。真正的沉浸感能夠使用戶忘記所處的真實環境，為了實現這一目標，研發人員需要找到對用戶來說最為自然的信息輸入方式。

虛擬現實的交互性還包括對虛擬環境的更改。好的虛擬環境（VE）能根據用戶的行為動作產生正確的響應，如果虛擬環境的變化出乎意料，就會破壞用戶的現場感。

虛擬現實技術對軍事領域的支持由來已久，訓練包括從車輛模擬到班組作戰的所有項目。總之，相對其他訓練方式，虛擬現實系統更安全，而且從長期來看也更經濟。事實證明，經過充分的虛擬現實訓練的士兵也會很出色。

虛擬現實領域的最大挑戰在于：如何開發出更加優秀的行為動作跟蹤系統，如何探索出虛擬現實中用戶交互的更加自然的方式，以及如何縮短構造虛擬現實的耗時。

當前創建虛擬現實需要很長時間。許多系統依賴的硬件設施對用戶及其選擇造成了限制和束縛。缺少精心設計的硬件設備，將會影響用戶的平衡感和距離感，甚至使用戶患上3D眩暈癥（cyber-sickness），出現包括惡心和迷失方向感等癥狀。一些心理學家關注沉溺于虛擬現實對用戶心理產生的影響，他們認為虛擬現實系統會導致用戶感覺遲鈍，或沉迷網絡成癮。

如今使用最新技術的圖形顯卡具有很強的處理能力。這也使得即使使用便攜計算機也可以使用虛擬現實技術，滿足許多軍事領域的虛擬化和仿真需求。但是用戶對虛擬現實的浸入式等級的需求也各不相同，需根據用戶需求靈活分級設定。

作戰人員借助增強現實技術提高戰斗力已有目共睹，有些技術已經在軍事領域得到應用，有些正在開發之中。

當前，在實現完全的網絡化的虛擬作戰環境之前，虛擬現實已經能夠基于最先進的增強現實技術來協助完成士兵訓練。未來，隨著科技的進一步發展，增強/虛擬現實技術會在軍事領域獲得更廣泛的應用。

編輯/劉蘭芳