【科技评论】颠覆未来作战的前沿技术系列之增强现实
本文刊载于《军事文摘》杂志2015年第9期，转自军事文摘微信号(mildig)，作者：北京航天情报与信息研究所 吴勤
更多关于“增强现实”的文章，请点击以下链接查阅：
更多“颠覆未来作战的前沿技术系列”文章，请点击以下链接查阅：
增强现实技术是将计算机生成的虚拟信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术，可以实现对真实世界的增加和强化。从武器装备设计研制、维修保障、作战训练到作战指挥，增强现实技术均能大显神通。作为一项重要的军民通用前沿技术，目前增强现实技术的许多应用已经令人瞩目，随着研究和应用的日趋成熟，必将对未来作战产生深远和颠覆性的影响。
从“人适应世界”到“世界适应人”
增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，该技术将计算机生成的虚拟物体、场景、声音或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实场景的增强，增加用户对现实世界的感知。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观世界中所经历的，而且能够突破空间、时间以及其他限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。
增强现实技术的最大优势在于，通过真实世界和虚拟世界相互结合，使真实世界得到增加和加强，从而以新的方式大幅提升了人们认知和改造真实世界的能力，出现了从“人适应世界”到“世界适应人”的重大变化。
电影中的增强现实技术
增强现实与虚拟现实技术的主要区别在于虚拟现实技术是创造一个全新的虚拟世界出来，用户将完全沉浸于一个虚拟的合成世界中，无法看到所处的现实世界。而增强技术则是强调虚实结合，让用户看到真实世界的同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象。增强现实系统中真实物体和虚拟物体必须无缝结合在一起，并能够进行交互。在增强现实的环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息。这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。增强现实系统具有虚实结合、实时交互、3D定位3种主要功能，整个系统由信息输入、信息处理和信息输出3部分组成。
增强现实系统需要采用图形图像渲染技术、界面和可视化技术、跟踪和定位技术、标定技术、模式识别技术等。其中图形图像渲染技术用于渲染虚拟物体和场景；界面和可视化技术用于实现友好的人机交互界面，并将渲染的物体和场景清晰显示出来；跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测，并将数据报告给增强现实系统，实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一，达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。为了生成准确定位，增强现实系统需要进行大量的标定，测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。模式识别技术用于图像等特征信息的识别和提取。
增强现实技术的研究，最早可以追溯至1968年美国麻省理工学院研制出的，世界上第一台采用阴极射线管的光学透明头戴式显示器，用于实时显示计算机生成的图形，在这项研究的基础上，此后的头戴显示器在飞机、地面车辆以及舰只训练方面都取得了不俗的成绩。1986年，美国北卡大学研制出用于实现生物、化学和建筑可视化的STHMD系统。20世纪90年代，波音公司设计了一个辅助飞机线缆连接与装配的增强现实系统，工程师在该系统的指导下，完成飞机线缆的布线工作。进入21世纪，增强现实技术发展迅速，逐步从实验室走向工程应用。2003年，欧洲Starmate系统和德国Arvika系统的研制成功，显示了增强现实技术在复杂机电系统维修装配领域的巨大应用潜力。2007年，牛津大学研究人员开发了实时追踪与绘图并行的增强现实系统。2009年，哥伦比亚大学开发了基于移动增强现实的城市设计规划辅助软件。2012年谷歌眼镜的推出以及微软2015年展示的HoloLens增强现实设备，进一步激发了全球增强现实技术研发与应用的新热潮。
经过多年的发展，各国研究者在跟踪技术、显示技术、交互技术等增强现实关键与支撑技术上不断取得突破，其应用领域也在被不断扩展。当前，随着计算机软硬件计算能力的提高，以及物联网、大数据等新一代信息技术的发展，增强现实技术已经逐步从实验室理论研究阶段开始转入大众与行业应用阶段，为人们提供了认知与体验周围事物的全新方式，被众多知名机构预测为未来最有前景的技术之一。
多领域应用前景令人瞩目
由于具有对真实环境进行增强输出的特性，增强现实技术在武器装备研制、军事作战、装备组装与维修、工程设计、数据模型的可视化、虚拟训练、医疗救护、娱乐与艺术等多个领域展示了广阔的应用前景。
在工业领域，增强现实技术可用于工业设计、复杂机械的装配、维护和维修。未来增强现实技术在工业上的发展趋势，将从工业设计、运动装配、维修过程，扩展到制造业的各个阶段，在国外的一些发达工业国，已经在开始设想增强现实技术在未来的智慧工厂中的应用。美国Marine公司使用哥伦比亚大学图形和用户界面实验室设计制造的增强现实辅助维修系统（头戴式显示器），将增强现实技术应用于装甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增强现实样机系统能通过头盔显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。
在航天方面，增强现实技术在太空维修、航天员训练、辅助操作等领域的巨大应用潜力已逐渐显现出来。2009年，欧洲航天局设计了WEAR可穿戴增强现实系统，该系统使用了空间站上的工作计算机，集成了头戴跟踪与显示系统，在一只眼睛的视场中添加了三维图形与指示数据，并验证了增强现实技术在国际空间站上应用的可行性。2015年3月，美国航空航天局（NASA）宣布在未来的航天任务中使用ODG公司的智能眼镜。该智能眼镜将会被用于地面及太空中的训练，解放宇航员的双手以提高工作效率，宇航员将直接通过他们的增强现实眼镜接收重要信息和指令，以减少不必要的搜索时间。2015年6月，微软增强现实设备HoloLens获得了美国NASA的垂青，将作为Sidekick项目的关键工具，随着SpaceX公司的太空飞船登陆太空，Sidekick项目能够帮助宇航员更快适应空间站环境，从而缩短训练时间、提升任务效率。
医学领域是增强现实技术应用研究的一个新热点，利用增强现实技术可以将病人的各类信息叠加在病人身体或实物人体模型上，帮助医生进行手术方案的制定、手术时的精确定位与辅助指引、模拟的手术训练等。麻省理工学院的人工智能实验室已经进行了增强现实技术在脑外科手术中的应用研究。2012年，在欧洲航天局的资助下，比利时空间应用服务部门研制了一种新型增强现实系统——电脑辅助医疗诊断和外科手术系统，其使用立体声头戴式显示器和超声诊断工具，通过红外摄像机对患者病灶处进行跟踪治疗，可以为航天员提供即时的专业医疗诊断服务。
此外，日常生活中还有很多可以应用增强现实技术的地方，其中最典型的就是游戏娱乐、模拟装修、模拟试衣、活动演出等。索尼公司推出的EyePet游戏就是典型的相关应用。
随着移动智能终端CPU、GPU等处理器性能的提升，大尺寸、高分辨率触摸屏的使用，摄像头成像质量的提高，手机天线、无线数据传输能力的提升，以及移动智能终端相关软件应用的不断丰富，将使越来越多的移动互联网用户通过移动智能终端体验增强现实技术的魅力。
巨大军事价值日益显现
国防先进制造 通过增强现实显示设备可以实时展示和共享实物、模型、设计图纸等信息，利用多通道人机自然交互技术，使得异地、多人可以实时互动，沟通交流设计思想，修改与改进方案；增强现实技术还可为用户提供先期演示，让研制者和用户同时进入虚实结合的作战环境中操作武器系统，检验武器系统的设计方案、战术、技术性能指标及其操作的合理性；通过增强现实系统，可以将装配维修的标准工作流程指南准确地显示给用户，提高工作效率。2015年，由美国国防部牵头成立的数字化制造与设计创新机构发布了七大研发项目，其中之一就是“基于增强现实和可穿戴计算的生产车间布局”。
武器装备综合维修保障 将增强现实技术用于装备维修中，可以直接在实际设备中添加多种信息，一步一步地提示技术人员应该做什么以及如何做，方便装备的维修，降低了装备拆装、保养、维修的难度，极大提高了装备保障的效率。例如，欧洲空中客车公司利用Arvika系统来解决欧洲某型战斗机布线问题，操作工人可以通过语音调用虚拟提示，轻松地按照每步的提示，完成高密度的布线工作。DART510型航空发动机应用增强现实维修系统后，其维修时间减少了56%。
战场环境增强显示 可以利用增强现实技术来增强战场环境信息，在真实环境中融合虚拟物体，可以增强真实的战场场景。美国的SIMNET系统在1995年融入了增强现实技术，通过一些特殊的头盔式显示器和测距仪，使配备该设备的战斗人员能够看见其他作战单位的增强信息。2012年，美国国防高级研究计划局在“士兵视觉增强系统”项目下开始研发一种隐形眼镜，该隐形眼镜可以增强作战人员的正常视力，佩戴该隐形眼镜的作战人员可以看到虚拟的、增强现实的图像，整个过程无需借助庞大笨重的仪器。近年来，美军开发了“战场增强现实系统”，该系统包括可穿戴式增强现实系统和三维交互命令环境，其系统样机已实现了指挥中心与各战斗员之间的信息传输，未来将满足城市作战中提供单兵环境位置及协同信息的需求。
航空作战环境感知 利用现实增强技术，在飞行员座舱的前方玻璃上或者他们的头盔显示器上，可将矢量图形叠加到飞行员的视野中，不仅能向飞行员提供导航信息，还提供了包括敌方隐藏力量的增强战场信息。2011年，泰莱斯公司在巴黎航展上展示了基于增强现实技术的“顶点猫头鹰”头盔瞄准显示器，该系统可直接将相关信息投影于驾驶员的头盔取景器上，为其提供直升机周边虚拟的画面，使其在各类恶劣的地理和气象条件下，作战场景或目标还可以增强现实的方式加以显示。系统现已部署于位于阿富汗的法军和美军的“虎”、NH90、AH-1Z“眼镜蛇”等直升机上。美军近期即将为F-35战斗机配备多功能头盔，除了传统的供氧作用外，该头盔还拥有通信联络、信息显示和武器瞄准等多种功能，其中最具特色的部分就是采用了先进的传感技术，通过分布在机身的高清和红外摄像机，做到360°观察机身周围。该头盔还采用了增强现实技术和头部跟踪系统，飞行员头转向哪一方，头盔便会显示该方向的即时态势。英国BAE公司正在研制“可穿戴式驾驶舱”，通过该系统飞行员将会看到增强现实的图像，替换了以往作战飞机中的物理图像和控制信息。
军事训练与演习 增强现实技术可以为部队的训练提供新方法，通过增强的军事训练系统，可以为军事训练提供比传统训练和演习更加真实的战场环境，进一步提升军事训练的实战化水平。2014年，美军展示了“增强现实沙盘”系统，该系统可直观反映战场真实地形地貌，使作战人员能身临其境地了解作战地形，这将对未来作战演练、兵棋推演等产生重大影响。2015年6月，美国海军陆战队在弗吉尼亚州展示了一种能够模拟战场环境的增强现实眼镜，并将其接入到了名为“增强沉浸式团队训练器”的大型训练系统当中，全套系统集成了武器、望远镜和其他可能出现在战场上的物理装备。
战场作战指挥 将增强现实技术应用于联合作战指挥系统中，可以允许各级指挥员同时观看、讨论战场以及与虚拟场景交互，实现整个战场信息的高度共享，这将更有利于各级指挥员快速、正确理解上级意图。通过增强的作战指挥系统，指挥员能实时掌握各个作战单元的情况，有利于指挥员及时做出正确的作战决策。
结 语
国外媒体将增强现实技术列为2014年十五大科技发展趋势之一，2015年，增强现实的相关应用全球下载量预计将高达14亿次，较2010年增长超过100倍。未来，通过技术的突破，内容的精良化，沉浸式虚实融合的有效互动，硬件设备性能的完善，再加上云计算和云存储的发展，增强现实的研究和应用将日趋成熟，必将在军事领域产生深远的影响。
其他主题系列陆续整理中，敬请期待……