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)境直接進行自然交互。虛擬現(xiàn)實是將人“沉浸”在計算機中，而現(xiàn)實中常提出這樣一種應(yīng)用，即如何將計算機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)地進行增強與虛擬現(xiàn)實相比，增強現(xiàn)實是把計算機帶人到用戶的“世界”中，而不是把用戶沉浸到計算機的世界中。增強現(xiàn)實是將計算機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(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(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結(jié)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(fù)責(zé)把攝像機視頻和虛擬圖像進行合并。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?，F(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。使用正確的遮擋關(guān)系能改進一些深度感知問題。
(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
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，它包括計算機視覺、計算機圖形學(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)生深遠的影響。
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