顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之增強(qiáng)現(xiàn)實

吳勤

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)是將計算機(jī)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(qiáng)化。從武器裝備設(shè)計研制、維修保障、作戰(zhàn)訓(xùn)練到作戰(zhàn)指揮，增強(qiáng)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(qiáng)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(yuǎn)和顛覆性的影響。

從“人適應(yīng)世界”到“世界適應(yīng)人”

增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)，從而以新的方式大幅提升了人們認(rèn)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(qiáng)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(qiáng)技術(shù)則是強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行交互。在增強(qiáng)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(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息。這種增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(biāo)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(jī)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(biāo)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(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)被跟蹤對象在真實世界里的坐標(biāo)與虛擬世界中的坐標(biāo)統(tǒng)一，達(dá)到讓虛擬物體與用戶環(huán)境無縫結(jié)合的目標(biāo)。為了生成準(zhǔn)確定位，增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的標(biāo)定，測量值包括攝像機(jī)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(qiáng)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(xué)院研制出的，世界上第一臺采用陰極射線管的光學(xué)透明頭戴式顯示器，用于實時顯示計算機(jī)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(jī)、地面車輛以及艦只訓(xùn)練方面都取得了不俗的成績。1986年，美國北卡大學(xué)研制出用于實現(xiàn)生物、化學(xué)和建筑可視化的STHMD系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，波音公司設(shè)計了一個輔助飛機(jī)線纜連接與裝配的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，工程師在該系統(tǒng)的指導(dǎo)下，完成飛機(jī)線纜的布線工作。進(jìn)入21世紀(jì)，增強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在復(fù)雜機(jī)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(xué)研究人員開發(fā)了實時追蹤與繪圖并行的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)。2009年，哥倫比亞大學(xué)開發(fā)了基于移動增強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實設(shè)備，進(jìn)一步激發(fā)了全球增強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)展。當(dāng)前，隨著計算機(jī)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(qiáng)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(rèn)知與體驗周圍事物的全新方式，被眾多知名機(jī)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(jìn)行增強(qiáng)輸出的特性，增強(qiáng)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(xùn)練、醫(yī)療救護(hù)、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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可用于工業(yè)設(shè)計、復(fù)雜機(jī)械的裝配、維護(hù)和維修。未來增強(qiáng)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(yùn)動裝配、維修過程，擴(kuò)展到制造業(yè)的各個階段，在國外的一些發(fā)達(dá)工業(yè)國，已經(jīng)在開始設(shè)想增強(qiáng)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(xué)圖形和用戶界面實驗室設(shè)計制造的增強(qiáng)現(xiàn)實輔助維修系統(tǒng)（頭戴式顯示器），將增強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實樣機(jī)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在太空維修、航天員訓(xùn)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(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了空間站上的工作計算機(jī)，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(qiáng)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(xùn)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(qiáng)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(qiáng)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(xùn)練時間、提升任務(wù)效率。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用研究的一個新熱點(diǎn)，利用增強(qiáng)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(jìn)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(xùn)練等。麻省理工學(xué)院的人工智能實驗室已經(jīng)進(jìn)行了增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)對患者病灶處進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的魅力。

巨大軍事價值日益顯現(xiàn)

國防先進(jìn)制造 通過增強(qiáng)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(jī)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(jìn)方案；增強(qiáng)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(jìn)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(biāo)及其操作的合理性；通過增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，可以將裝配維修的標(biāo)準(zhǔn)工作流程指南準(zhǔn)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(jī)構(gòu)發(fā)布了七大研發(fā)項目，其中之一就是“基于增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)應(yīng)用增強(qiáng)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(qiáng)顯示 可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)來增強(qiáng)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(qiáng)真實的戰(zhàn)場場景。美國的SIMNET系統(tǒng)在1995年融入了增強(qiáng)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(qiáng)信息。2012年，美國國防高級研究計劃局在“士兵視覺增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)和三維交互命令環(huán)境，其系統(tǒng)樣機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的“頂點(diǎn)貓頭鷹”頭盔瞄準(zhǔn)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(jī)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(biāo)還可以增強(qiáng)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(jī)上。美軍近期即將為F-35戰(zhàn)斗機(jī)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(zhǔn)等多種功能，其中最具特色的部分就是采用了先進(jìn)的傳感技術(shù)，通過分布在機(jī)身的高清和紅外攝像機(jī)，做到360°觀察機(jī)身周圍。該頭盔還采用了增強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實的圖像，替換了以往作戰(zhàn)飛機(jī)中的物理圖像和控制信息。

軍事訓(xùn)練與演習(xí) 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以為部隊的訓(xùn)練提供新方法，通過增強(qiáng)的軍事訓(xùn)練系統(tǒng)，可以為軍事訓(xùn)練提供比傳統(tǒng)訓(xùn)練和演習(xí)更加真實的戰(zhàn)場環(huán)境，進(jìn)一步提升軍事訓(xùn)練的實戰(zhàn)化水平。2014年，美軍展示了“增強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實眼鏡，并將其接入到了名為“增強(qiáng)沉浸式團(tuán)隊訓(xùn)練器”的大型訓(xùn)練系統(tǒng)當(dāng)中，全套系統(tǒng)集成了武器、望遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實的相關(guān)應(yīng)用全球下載量預(yù)計將高達(dá)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(qiáng)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(yuǎn)的影響。

責(zé)任編輯：劉靖鑫