增強現實技術在模擬訓練中的應用

摘 要：增強現實（Augmented Reality，簡稱 AR），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應 圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。這種技術最早于1990年提出。隨著隨身電子產品運算能力的提升，增強現實的用途越來越廣。

關鍵詞：增強顯示 模擬訓練

1.引言

增強現實技術是近年來在虛擬現實技術的基礎上發展起來的一個新興的研究方向。虛擬現實技術最早是由 美國航空航天局 （ N ASA ） 和軍事部門為實現實時仿真提出 并開發出 來的一項高技術， 首先用于駕駛員訓練的軍事模擬器中，在武器系統性能評價、武器操縱訓練及指揮大規模軍事演習 等方面發揮了 重大作用。目前虛擬現 實技術仍處于探索中，發展相當緩慢。增強現實， 也稱混合現實是將真實環境和虛擬現實的景象結合起來的一種技術，增強現實系統具有虛實結合、實時交互、三維注冊的新特點。

2.增強現實的關鍵技術

增強現實系統需要通過分析大量的定位數據和場景信息來保證計算機生成的虛擬物體可以精確地定位在真實場景中。一般，真實場景由攝像機錄制， 攝像機的內部參數（ 焦距和透鏡的失真率） 和外部參數（ 位置和方向） 決定了哪一部分三維立體圖 像被投影到二維平面。 同時， 虛擬物體由 計算機圖形設備在對象坐標系中建模產生。 圖像系統需要真實場景中的相關圖像信息來控制產生虛擬物體的虛擬攝像機的方向。 最后虛擬圖像和真實圖像融合， 就形成了增強現實的圖像。因此增強現實系統中一般都包含 4 個基本步驟：

（1） 獲取真實場景信息；

（2） 對真實場景和相機位置信息進行分析；

（3） 生成虛擬景物；

（4） 合并視頻或直接顯示。

增強現實系統的關鍵技術主要包括： 顯示技術、跟蹤與定位技術和交互技術。

2. 1 顯示技術

增強現實系統可以通過多種設備來顯示虛擬物體和真實場景的疊加，目前最常用的就是光學式頭盔裝置和視頻式頭盔裝置光學式頭盔裝置 （ optical see through HMDs） 是把光學融合器放置在用戶眼前來實現增強現實的。這些融合器是部分透光的，以便用戶可以通過它直接觀察真實世界；同時融合器也是部分反射的，以便由頭部監視器投射到融合器上的虛擬物體的光再反射到用戶眼里，用戶就看到了融合有虛擬物體的真實世界。視頻式頭盔裝置（ video see through HMDs） 封閉了視線，它把一個封閉的視頻頭盔同一到兩個視頻攝像機結合在一起。視頻攝像機為用戶提供真實世界中的場景，場景合成器負責把攝像機視頻和虛擬圖像進行合并。最后結果由位于封閉頭盔上的監視器表現出來， 用戶便可以方便觀察到增強的真實世界。

2. 2 跟蹤與定位技術

由于要實現虛擬和現實物體完美結合， 必須將虛擬物體合并到現實世界中 的準確 位置， 這個過程常稱為配準（ registration） ， 因此增強現實的跟蹤定位系統必須能夠實時地檢測觀察者在場景中的位置、觀察者頭部的角度， 甚至是運動的方向， 以便用來幫助系統決定顯示何種虛擬物體， 并按照觀察者的視場重建坐標系。在增強現實系統中， 最常用的是使用視頻檢測技術。視頻檢測就是使用模式識別技術（ 包括模板匹配、邊緣檢測等方法） 識別視頻圖像中預先定義好的標記、物體或基準點， 然后根據其偏移和轉動角度計算坐標轉換矩陣。 用視頻檢測方法進行定位不需要其他設備， 且定位精確。

2. 3 交互技術

目前許多研究人員在考慮用戶如何與增強現實應用進行交互， 如何有效地在增強現實顯示器上表現信息/與虛擬信息進行交互是很困難的事。目前， 增強現實交互手段研究有兩個趨勢： 使用不同的設備， 取各家之長； 通過切實可行的界面， 使虛擬對象與自然界成為一個整體。現在主要使用的交互方式有三種 ：

（1） 菜單： 多用于掌上電腦的應用。

（2） 特殊標記： 用于將特殊的標記固定在用于交互的設備上。

（3） 特制工具： 一般外形簡單、易于識別、并且通過按鍵可以觸發一些系統事件。

3 增強現實技術的軍事應用

增強現實因為具有真實世界和虛擬世界的融合性及實時交互的特點，使得其在未來陸/海、空、天多維一體的數字化戰場上大有用武之地。 20 世紀 90年代初期，增強現實這個名詞曾提出，美國就率先將其用于軍事領域。近幾年增強現實已進入了軍事領域的多個方面，并開始發揮其巨大作用。各國也都將增強現實在軍事領域的應用列為高度軍事機密。目前，增強現實在軍事領域的應用主要集中在增強戰場環境、軍事訓練及作戰指揮等方面。

3.1 增強戰場環境

部隊可以利用增強現實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。向系統中輸入部隊的位置信息，系統不僅能向部隊顯示真實的戰場場景，而且能夠通過增加虛擬物體強調肉眼無法看見的環境信息以及敵方或己方的隱藏力量來增強真實戰場場景的顯示，真正實現各種戰場信息的可視化。

3.2 軍事訓練

增強現實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實兵演習更加真實的戰場環境。士兵訓練時通過隨身攜帶的增強現實系統，不僅可以看到真實的場景，而且可以觀察到場景中各種增加的虛擬物體，將軍事訓練推向更加實戰化。

3.3 作戰指揮

戰場指揮員如何及時掌握瞬息萬變的戰場情況，一直是作戰指揮中的一大難題。將增強現實應用于作戰指揮系統中，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。通過增強作戰指揮系統，指揮員能實時掌握各個作戰單元情況，有利于指揮員及時做出正確的作戰決策。例如，美國 海軍研究試驗室開發的戰場用增強現實系統 （ BARS），它為城市戰場環境中的各級指揮官和士兵之間傳達三維戰術信息提供了一個實用平臺。

參考文獻：

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作者簡介：何忠海，男 ，籍貫：陜西西安，單位：陸軍邊海防學院，學歷：學士，研究方向：模擬仿真。