增強現(xiàn)實(augmented reality，簡稱AR)，是虛擬現(xiàn)實研究領(lǐng)域里逐漸引起廣大學(xué)者關(guān)注的一個新興研究方向。所謂虛擬現(xiàn)實(virtual reality，簡稱VR)，是利用計算機(jī)生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環(huán)境，通過各種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶和環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。虛擬現(xiàn)實是將人“沉浸”在計算機(jī)中，而現(xiàn)實中常提出這樣一種應(yīng)用，即如何將計算機(jī)虛擬的東西與人們所看到的真實物體相結(jié)合，形成一種虛、實結(jié)合的應(yīng)用，用虛擬的信息補充真實信息的不足，來滿足特殊工作需求。例如：利用圖形、圖像的虛、實結(jié)合提供飛行員精確導(dǎo)航；利用虛、實結(jié)合指導(dǎo)腦外科手術(shù)等。由此，在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上，研究將現(xiàn)實、虛擬兩種不同信息融合起來，就形成一個新的領(lǐng)域——增強現(xiàn)實。MiLGram根據(jù)用戶界面中計算機(jī)生成信息的比例的大小定義了一個真實環(huán)境到虛擬環(huán)境的連續(xù)體，他認(rèn)為增強現(xiàn)實是混合現(xiàn)實環(huán)境的一部分(如圖1所示)。
圖1 續(xù)體
1 增強現(xiàn)實
Azuma是這樣定義增強現(xiàn)實的：“虛實結(jié)合，實時交互，三維注冊增強現(xiàn)實系統(tǒng)，是利用附加的圖形或文字信息，對周圍真實世界的場景動態(tài)地進(jìn)行增強與虛擬現(xiàn)實相比，增強現(xiàn)實是把計算機(jī)帶人到用戶的“世界”中，而不是把用戶沉浸到計算機(jī)的世界中。增強現(xiàn)實是將計算機(jī)生成的虛擬物體疊加到現(xiàn)實景物上，并且使用者可以通過各種方式來與虛擬物體進(jìn)行交互。如圖2為北京理工大學(xué)研制的一個增強現(xiàn)實系統(tǒng)生成的場景，其中計算機(jī)生成的虛擬時裝模特和真實場景共存。
圖2 增強現(xiàn)實系統(tǒng)場景(注：原文圖片不清晰，此圖片來源于互聯(lián)網(wǎng))
在增強現(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)生的增強信息。這種增強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。
由于增強現(xiàn)實在虛擬現(xiàn)實與真實世界之間的溝壑上架起了一座橋梁，因此增強現(xiàn)實的應(yīng)用潛力是相當(dāng)巨大的，它可以廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、制造與維修、娛樂等領(lǐng)域。
2 增強現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)
增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要通過分析大量的定位數(shù)據(jù)和場景信息來保證由計算機(jī)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(jī)錄制，攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)(焦距和透鏡的失真率)和外部參數(shù)(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(jī)圖形設(shè)備在對象坐標(biāo)系中建模產(chǎn)生。圖像系統(tǒng)需要真實場景中的相關(guān)圖像信息來控制產(chǎn)生虛擬物體的虛擬攝像機(jī)的方向。最后虛擬圖像和真實圖像融合，就形成了增強現(xiàn)實的圖像。因此增強現(xiàn)實系統(tǒng)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(jī)位置信息進(jìn)行分析；
(3)生成虛擬景物；
(4)合并視頻或直接顯示(如圖3所示)。
圖3 流程
增強現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：顯示技術(shù)、跟蹤與定位技術(shù)和交互技術(shù)。
2．1 顯示技術(shù)
增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以通過多種設(shè)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(xué)式頭盔裝置和視頻式頭盔裝置。
光學(xué)式頭盔裝置(optical see through HMDs)是把光學(xué)融合器放置在用戶眼前來實現(xiàn)增強現(xiàn)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(jiān)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。圖4顯示了光學(xué)式頭盔裝置的基本構(gòu)造。
圖4 意圖
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(jī)結(jié)合在一起。視頻攝像機(jī)為用戶提供真實世界中的場景，場景合成器負(fù)責(zé)把攝像機(jī)視頻和虛擬圖像進(jìn)行合并。最后結(jié)果由位于封閉頭盔上的監(jiān)視器表現(xiàn)出來，用戶便可以方便觀察到增強的真實世界。如圖5所示。
圖5 意圖
2．2 跟蹤與定位技術(shù)
由于要實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實物體完美結(jié)合，必須將虛擬物體合并到現(xiàn)實世界中的準(zhǔn)確位置，這個過程常稱為配準(zhǔn)(registration)，因此增強現(xiàn)實的跟蹤定位系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r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(tǒng)決定顯示何種虛擬物體，并按照觀察者的視場重建坐標(biāo)系。
在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，最常用的是使用視頻檢測技術(shù) 。視頻檢測就是使用模式識別技術(shù)(包括模板匹配、邊緣檢測等方法)識別視頻圖像中預(yù)先定義好的標(biāo)記、物體或基準(zhǔn)點，然后根據(jù)其偏移和轉(zhuǎn)動角度計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。用視頻檢測方法進(jìn)行定位不需要其他設(shè)備，且定位精確。
2．3 交互技術(shù)
目前許多研究人員在考慮用戶如何與增強現(xiàn)實應(yīng)用進(jìn)行交互，如何有效地在增強現(xiàn)實顯示器上表現(xiàn)信息、與虛擬信息進(jìn)行交互是很困難的事。目前，增強現(xiàn)實交互手段研究有兩個趨勢：使用不同的設(shè)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(xiàn)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(yīng)用。
(2)特殊標(biāo)記：用于將特殊的標(biāo)記固定在用于交互的設(shè)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(fā)一些系統(tǒng)事件。
3 人的因素及感知
人的因素、感知研究以及認(rèn)知科學(xué)的研究成果對高效AR系統(tǒng)的設(shè)計是很有幫助的。Drascis討論了影響AR顯示的18種不同的設(shè)計問題，包括實現(xiàn)錯誤、技術(shù)問題，以及目前頭盔裝置設(shè)計中的基本限制等。人們需要更好地理解人的因素對長期使用AR系統(tǒng)的影響，這些重要的因素包括：
(1)反應(yīng)時間：與所有能夠引起錯誤的源相比，延遲引起的定位誤差最大。有研究表明，一毫秒的延遲會引起一毫米的誤差 。更重要的是，延遲會降低系統(tǒng)的性能。
(2)深度感知：準(zhǔn)確的深度感知是很困難的定位問題，立體顯示可以幫助深度感知，但目前的顯示技術(shù)會帶來新的問題，包括適應(yīng)性調(diào)節(jié)、低分辨率和模糊顯永引起對象出現(xiàn)的距離比實際的要遠(yuǎn)。使用正確的遮擋關(guān)系能改進(jìn)一些深度感知問題。
(3)用戶適應(yīng)性：對AR設(shè)備的適應(yīng)能力從負(fù)面影響AR系統(tǒng)的性能。
(4)疲勞和眼睛緊張：不舒服的AR顯示器不適合長期使用。
4 增強現(xiàn)實的軍事應(yīng)用
20世紀(jì)90年代初期，增強現(xiàn)實這個名詞一經(jīng)提出 ，美國就率先將其用于軍事領(lǐng)域。近幾年增強現(xiàn)實已進(jìn)入了軍事領(lǐng)域的多個方面，并開始發(fā)揮其巨大作用。各國也都將增強現(xiàn)實在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用列為高度軍事機(jī)密。目前，增強現(xiàn)實在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在增強戰(zhàn)場環(huán)境、軍事訓(xùn)練及作戰(zhàn)指揮等方面。
4．1 增強戰(zhàn)場環(huán)境
部隊可以利用增強現(xiàn)實來增強戰(zhàn)場環(huán)境信息，在真實環(huán)境中融合虛擬物體，可以增強真實的戰(zhàn)場場景。
向系統(tǒng)中輸入部隊的位置信息，系統(tǒng)不僅能向部隊顯示真實的戰(zhàn)場場景，而且能夠通過增加虛擬物體強調(diào)肉眼無法看見的環(huán)境信息以及敵方或己方的隱藏力量來增強真實戰(zhàn)場場景的顯示，真正實現(xiàn)各種戰(zhàn)場信息的可視化。
4．2 軍事訓(xùn)練
增強現(xiàn)實可以為部隊的訓(xùn)練提供新方法，通過增強的軍事訓(xùn)練系統(tǒng)，可以為軍事訓(xùn)練提供比實兵演習(xí)更加真實的戰(zhàn)場環(huán)境。士兵訓(xùn)練時通過隨身攜帶的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，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(xùn)練推向更加實戰(zhàn)化。
4．3 作戰(zhàn)指揮
戰(zhàn)場指揮員如何及時掌握瞬息萬變的戰(zhàn)場情況，一直是作戰(zhàn)指揮中的一大難題。將增強現(xiàn)實應(yīng)用于作戰(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。通過增強的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，指揮員能實時掌握各個作戰(zhàn)單元情況，有利于指揮員及時做出正確的作戰(zhàn)決策。例如美國NRL海軍研究試驗室開發(fā)的戰(zhàn)場用增強現(xiàn)實系統(tǒng)(BARS)，它為城市戰(zhàn)場環(huán)境中的各級指揮官和士兵之間傳達(dá)三維戰(zhàn)術(shù)信息提供了一個實用平臺。
4．4 武器裝備研制
將增強現(xiàn)實應(yīng)用于武器裝備研制中，可以實現(xiàn)不同地域、不同單位的設(shè)計人員合力為軍方完成復(fù)雜裝的研制。研制部門也可以通過增強現(xiàn)實系統(tǒng)，將裝的模型及各種可能的設(shè)計方案融合在一起顯示給軍事使用部門，使用部門可以通過增強現(xiàn)實系統(tǒng)全面比較各種方案，并且能夠?qū)⑿薷囊庖娭苯臃从车窖b備的模型上，這將大大提高裝備研制的效率以及裝備的實用性。
4．5 裝備維護(hù)和修理
大量復(fù)雜裝備的維修一直是部隊的棘手問題，特別是戰(zhàn)時如何實現(xiàn)裝備的快速維修更是決定戰(zhàn)場勝負(fù)的要素之一。目前，裝備說明書一般是文本和圖形形式的，不方便于技術(shù)人員的維修。而將增強現(xiàn)實用于裝備維修中，可以直接在實際設(shè)備中添加3D畫面，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，極大提高裝備保障的效率 。
4．6 協(xié)同工作
將增強現(xiàn)實應(yīng)用于協(xié)同工作，可以允許多個用戶終端協(xié)同活動，同時觀看、討論以及和虛擬物體交互。協(xié)同增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以為多個用戶能夠建立一個共享的、可理解的虛擬空間，類似于他們所理解的自然空間。融人增強現(xiàn)實的協(xié)同工作所提供的協(xié)同工作環(huán)境，將在模擬推演、軍事標(biāo)繪等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
4．7 軍用飛機(jī)
軍方將增強現(xiàn)實用于飛行員座艙的顯示，在飛行員座艙的前方玻璃上或者他們的頭盔顯示器上，將矢量圖形疊到飛行員的視野中，不僅向飛行員提供導(dǎo)航信息，而且提供了包括敵方隱藏力量的增強戰(zhàn)場信息。目前美國軍方從事注冊跟蹤目標(biāo)的研究工作，為飛機(jī)上裝載的武器裝備提供瞄準(zhǔn)路徑方面的增強信息。
5 總 結(jié)
增強現(xiàn)實是一個多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，它包括計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、傳感學(xué)、網(wǎng)絡(luò)和GPS等。作為一門新型的技術(shù)，目前增強現(xiàn)實的應(yīng)用還處于實驗室研究階段，達(dá)到實用的增強現(xiàn)實系統(tǒng)還很少，增強現(xiàn)實的廣泛使用還受到技術(shù)、用戶界面和社會接受度等問題的限制。隨著增強現(xiàn)實研究和應(yīng)用的日趨成熟，必將在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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