增強現實技術引發視覺革命

劉秉軍

增強現實技術是一種將現實世界的信息和虛擬信息“無縫”集成的新技術，能把原本人類在現實中一定時間、空間范圍內難以感知的信息（視覺、聽覺、味覺、觸覺信息），通過模擬仿真后疊加，令其被人類感官所感知，從而實現超越人類固有能力的感官體驗。

近來，增強現實技術在優化人類視覺方面的應用取得了多項重要成果，正在引發一場備受關注的視覺革命。

方便日常使用的“夜視薄膜”

澳大利亞國立大學近日發布公報稱，該校科研人員領導的一個國際科研團隊研發出一種由納米晶體構成的薄膜，可以讓人們在黑暗中看清事物。

紅外成像技術在夜視儀、車輛導航和食品質量控制等領域有著廣泛的應用。然而，傳統的紅外成像技術需要使用特殊半導體材料，這種材料對熱量干擾非常敏感，通常需要冷卻，因此紅外成像設備普遍體積大、成本高。

微軟開發的HoloLens系統

澳大利亞與歐洲多國合作，利用半導體材料砷化鎵的晶體制成納米級厚度的薄膜。它能將目標的紅外圖像與較強的泵浦光合成。泵浦指的是一種用光將電子從較低能級“泵”到較高能級的過程。經過處理后，目標圖像可以在薄膜中從低能量的紅外線圖像轉換為高能量的可見光圖像。

這項研究的主導者——澳大利亞國立大學的羅西奧·卡馬喬·莫拉萊斯博士表示，新開發的這種薄膜可以直接安裝在眼鏡上，起到“視覺增強器”的作用，將肉眼不可見的紅外線轉化為可以清晰看到的光學圖像，讓人們能在黑夜中看到遠處的物體。

當前的高端紅外成像設備普遍需要在低溫環境中才能工作，生產、維護和使用成本都較高。相比而言，納米晶體薄膜有輕便、室溫環境即能工作、成本低且易于大規模生產等優勢，更方便人們日常使用。

“集成視覺增強系統”

在一些科幻電影和游戲中，有的士兵頭盔上加裝“抬頭顯示器”，有的“抬頭顯示器”則直接整合到頭盔中，讓士兵有能力獲取更多的戰場信息，在全天候條件下提升其在戰場上的行動能力。

其實，這類增強視覺的裝備并非只存在于科幻作品中。各國軍方早在十幾年前就開始開發、試驗這類裝備。預計今年底，這種“夢幻裝備”就將配發給美軍使用。它名為“集成視覺增強系統”，在2018年進入測試階段，旨在增強士兵的態勢感知能力。全套“集成視覺增強系統”包括整合式傳感器、“抬頭顯示器”、背負式微型計算機和“舒適穿戴式”電池。約10套該裝備可共用一部充電器。

“抬頭顯示器”的目鏡擁有橫向80度、縱向40度的視野，能顯示指南針、3D數字地圖，可實現精確導航，且在復雜的城鎮環境以及開闊的野外環境中都能運作。整合式傳感器包含測距系統，使用者可隨時在3D數字地圖上標出自己的位置，并分享給同伴，便于協同行動。“集成視覺增強系統”通過加裝軟件，還可以實現人臉識別、語言翻譯等功能。

在穿戴性上，“集成視覺增強系統”解決了以往的同類系統將重量集中于頭部的問題，除“抬頭顯示器”外，其余的組件和電池將重量分散到穿戴者身體的各個部位。特別是“舒適穿戴式”電池，被完美地集成到防護服中，既節省了空間，又能起到分散重量的作用。

在測試中，美軍斯特瑞克及布萊德利戰車部隊的機械化步兵體驗了這種新系統。他們在野戰演習中切換各個角度進行戰場觀察，嘗試對系統進行電力管理，并測試了各項通信功能。

視覺增強系統提供的清晰畫面

視覺增強系統能直觀呈現各種信息

步兵們表示，穿戴這套系統并未影響他們的機動能力，可以輕松地上下車。特別神奇的是，車載步兵通過“抬頭顯示器”即可獲得車外360度視野的概況，“就像親身踏出車外一樣”。這得益于傳感器的靈敏和高效。美軍中士巴特爾表示，在配備“集成視覺增強系統”之后，士兵們不需要冒險下車，就能獲得較好的視野，并弄清戰場上的情況。

值得關注的是，“集成視覺增強系統”的應用已開始向民用領域延伸。微軟公司與美國軍方建立合作，推動該系統的民用化設計開發。

微軟公司此前開發的HoloLens“混合現實”系統，是虛擬現實技術的進一步發展。該技術通過在現實場景中呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶游戲體驗的真實感。

HoloLens是微軟開發的不受線纜限制的全息計算機設備，配備先進的傳感器、頭戴式高清晰度3D光學全角度透鏡顯示器，以及環繞音效系統，能讓用戶通過眼神、語音和手勢等與數字內容實現交互，并與周圍真實環境中的全息影像互動。簡言之，HoloLens“混合現實”系統能夠提供一種沉浸式游戲體驗。

基于以上技術，微軟有能力將軍用“集成視覺增強系統”與HoloLens整合，從而大幅增強特殊人群的視覺，例如需要從事野外作業的工程技術人員、越野極限運動愛好者等等。

民用“集成視覺增強系統”將具備夜視功能;可將數據信息投射到設備穿戴者的視野中，增強其態勢感知能力;具備面部識別、語言翻譯以及導航功能;其內置傳感器可與微型無人機相連，能讓使用者從無人機的視角進行觀察;后方控制中心能通過該系統監控野外作業者的狀態，包括疲勞程度以及體溫等。

汽車駕駛視覺增強系統

以色列BWV公司開發出一種汽車駕駛視覺增強系統，能夠在夜間、炫光中、雨天、隧道內等各種不良環境條件下增強駕駛員的視覺。其具體功能包括：根據不同的光線條件，在不同的距離范圍內（夜間最遠可達250米），對所探測的物體實施多重圖像傳感器曝光，再聚合成單一圖像加以顯示，使駕駛員在夜間或弱光條件下能夠看清遠方的物體;在一定范圍內，實現被探測物周圍的雜波抑制，增強目標探測算法的效果，剔除被探測物周圍的背景，使弱光下的被探測目標更加清晰;在雨天等惡劣天氣條件下，或炫光等不良光線條件下，抑制空氣中的懸浮顆粒所導致的光線散射，使被探測物更加清晰。

BWV公司擁有一系列增強視覺和計算機圖像分析技術的相關專利。除了汽車駕駛視覺增強系統，其相關技術和產品還具有廣泛的用途，可應用于礦業、海事、鐵路、社區攝像監控等領域。

VR技術治療弱視癥

加州大學伯克利分校的神經科學教授弗蘭克·沃伯林指出，新興的 VR（虛擬現實）技術可以幫助視力障礙群體改善視覺感知能力。他領導的團隊開發出一款名為 IrisVision 的設備和相應的 App。該設備對于佩戴者頭部的動作會作出反應——放大其所觀察的景象，實現“看清楚”的效果。

英國人詹姆斯·巴拉哈自幼患有弱視癥。他組建了 Vivid Vision 公司，借助VR技術為弱視癥患者提供視覺增強方案。

弱視癥的成因是兒童在成長期間長期缺失正常的視覺刺激，大腦最終放棄了部分視力功能，結果令視力衰退，喪失對視野縱深的感知能力。醫學界認為，如果這個問題不在患者8歲之前解決，那么他們將無法恢復正常視力。但巴拉哈不這樣認為。他的公司開發的頭戴式顯示器，綜合亮度、對比度等元素提升算法，為人眼提供可刺激大腦作出反應的視覺信息，從而實現恢復視力的效果。該設備能夠幫助弱視癥患者恢復 90% 的視力。

英國SmartSpecs公司與巴拉哈展開合作，進一步提升這款頭戴式顯示器的功能。巴拉哈表示：“技術的發展不應該以拋棄一些人為代價，而是應該讓所有人的世界都變得更美好。”

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com