增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR)，是虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域里逐漸引起廣大學(xué)者關(guān)注的一個(gè)新興研究方向。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)，是利用計(jì)算機(jī)生成一種逼真的視、聽(tīng)、力、觸和動(dòng)等感覺(jué)的虛擬環(huán)境，通過(guò)各種傳感設(shè)備使用戶(hù)“沉浸”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)和環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。虛擬現(xiàn)實(shí)是將人“沉浸”在計(jì)算機(jī)中，而現(xiàn)實(shí)中常提出這樣一種應(yīng)用，即如何將計(jì)算機(jī)虛擬的東西與人們所看到的真實(shí)物體相結(jié)合，形成一種虛、實(shí)結(jié)合的應(yīng)用，用虛擬的信息補(bǔ)充真實(shí)信息的不足，來(lái)滿(mǎn)足特殊工作需求。例如：利用圖形、圖像的虛、實(shí)結(jié)合提供飛行員精確導(dǎo)航；利用虛、實(shí)結(jié)合指導(dǎo)腦外科手術(shù)等。由此，在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上，研究將現(xiàn)實(shí)、虛擬兩種不同信息融合起來(lái)，就形成一個(gè)新的領(lǐng)域——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。MiLGram根據(jù)用戶(hù)界面中計(jì)算機(jī)生成信息的比例的大小定義了一個(gè)真實(shí)環(huán)境到虛擬環(huán)境的連續(xù)體，他認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的一部分(如圖1所示)。

 
圖1 續(xù)體

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

Azuma是這樣定義增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的：“虛實(shí)結(jié)合，實(shí)時(shí)交互，三維注冊(cè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是利用附加的圖形或文字信息，對(duì)周?chē)鎸?shí)世界的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)地進(jìn)行增強(qiáng)與虛擬現(xiàn)實(shí)相比，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是把計(jì)算機(jī)帶人到用戶(hù)的“世界”中，而不是把用戶(hù)沉浸到計(jì)算機(jī)的世界中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體疊加到現(xiàn)實(shí)景物上，并且使用者可以通過(guò)各種方式來(lái)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(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)生成的場(chǎng)景，其中計(jì)算機(jī)生成的虛擬時(shí)裝模特和真實(shí)場(chǎng)景共存。

 
圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)場(chǎng)景(注：原文圖片不清晰，此圖片來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng))

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，使用者可以在看到周?chē)鎸?shí)環(huán)境的同時(shí)，看到計(jì)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(shí)環(huán)境中與真實(shí)環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實(shí)物體的非幾何信息。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)世界之間的溝壑上架起了一座橋梁，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(lè)等領(lǐng)域。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要通過(guò)分析大量的定位數(shù)據(jù)和場(chǎng)景信息來(lái)保證由計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體可以精確地定位在真實(shí)場(chǎng)景中。一般，真實(shí)場(chǎng)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(shí)，虛擬物體由計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備在對(duì)象坐標(biāo)系中建模產(chǎn)生。圖像系統(tǒng)需要真實(shí)場(chǎng)景中的相關(guān)圖像信息來(lái)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(shí)圖像融合，就形成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中一般都包含4個(gè)基本步驟：

(1)獲取真實(shí)場(chǎng)景信息；

(2)對(duì)真實(shí)場(chǎng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)多種設(shè)備來(lái)顯示虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)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(hù)眼前來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的。這些融合器是部分透光的，以便用戶(hù)可以通過(guò)它直接觀察真實(shí)世界；同時(shí)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(hù)眼里，用戶(hù)就看到了融合有虛擬物體的真實(shí)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(xiàn)，它把一個(gè)封閉的視頻頭盔同一到兩個(gè)視頻攝像機(jī)結(jié)合在一起。視頻攝像機(jī)為用戶(hù)提供真實(shí)世界中的場(chǎng)景，場(chǎng)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(lái)，用戶(hù)便可以方便觀察到增強(qiáng)的真實(shí)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(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)物體完美結(jié)合，必須將虛擬物體合并到現(xiàn)實(shí)世界中的準(zhǔn)確位置，這個(gè)過(guò)程常稱(chēng)為配準(zhǔn)(registration)，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的跟蹤定位系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)觀察者在場(chǎng)景中的位置、觀察者頭部的角度，甚至是運(yùn)動(dòng)的方向，以便用來(lái)幫助系統(tǒng)決定顯示何種虛擬物體，并按照觀察者的視場(chǎng)重建坐標(biāo)系。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，最常用的是使用視頻檢測(cè)技術(shù) 。視頻檢測(cè)就是使用模式識(shí)別技術(shù)(包括模板匹配、邊緣檢測(cè)等方法)識(shí)別視頻圖像中預(yù)先定義好的標(biāo)記、物體或基準(zhǔn)點(diǎn)，然后根據(jù)其偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。用視頻檢測(cè)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(hù)如何與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行交互，如何有效地在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互手段研究有兩個(gè)趨勢(shì)：使用不同的設(shè)備，取各家之長(zhǎng)；通過(guò)切實(shí)可行的界面，使虛擬對(duì)象與自然界成為一個(gè)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(jiǎn)單、易于識(shí)別、并且通過(guò)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(duì)高效AR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有幫助的。Drascis討論了影響AR顯示的18種不同的設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤、技術(shù)問(wèn)題，以及目前頭盔裝置設(shè)計(jì)中的基本限制等。人們需要更好地理解人的因素對(duì)長(zhǎng)期使用AR系統(tǒng)的影響，這些重要的因素包括：

(1)反應(yīng)時(shí)間：與所有能夠引起錯(cuò)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(huì)引起一毫米的誤差 。更重要的是，延遲會(huì)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(wèn)題，立體顯示可以幫助深度感知，但目前的顯示技術(shù)會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，包括適應(yīng)性調(diào)節(jié)、低分辨率和模糊顯永引起對(duì)象出現(xiàn)的距離比實(shí)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(wèn)題。

(3)用戶(hù)適應(yīng)性：對(duì)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(zhǎng)期使用。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的軍事應(yīng)用

20世紀(jì)90年代初期，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這個(gè)名詞一經(jīng)提出 ，美國(guó)就率先將其用于軍事領(lǐng)域。近幾年增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已進(jìn)入了軍事領(lǐng)域的多個(gè)方面，并開(kāi)始發(fā)揮其巨大作用。各國(guó)也都將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用列為高度軍事機(jī)密。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、軍事訓(xùn)練及作戰(zhàn)指揮等方面。

4．1 增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

部隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來(lái)增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，在真實(shí)環(huán)境中融合虛擬物體，可以增強(qiáng)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景。

向系統(tǒng)中輸入部隊(duì)的位置信息，系統(tǒng)不僅能向部隊(duì)顯示真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景，而且能夠通過(guò)增加虛擬物體強(qiáng)調(diào)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的環(huán)境信息以及敵方或己方的隱藏力量來(lái)增強(qiáng)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的顯示，真正實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)場(chǎng)信息的可視化。

4．2 軍事訓(xùn)練

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以為部隊(duì)的訓(xùn)練提供新方法，通過(guò)增強(qiáng)的軍事訓(xùn)練系統(tǒng)，可以為軍事訓(xùn)練提供比實(shí)兵演習(xí)更加真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。士兵訓(xùn)練時(shí)通過(guò)隨身攜帶的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅可以看到真實(shí)的場(chǎng)景，而且可以觀察到場(chǎng)景中各種增加的虛擬物體，將軍事訓(xùn)練推向更加實(shí)戰(zhàn)化。

4．3 作戰(zhàn)指揮

戰(zhàn)場(chǎng)指揮員如何及時(shí)掌握瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)情況，一直是作戰(zhàn)指揮中的一大難題。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中，可以允許各級(jí)指揮員同時(shí)觀看、討論戰(zhàn)場(chǎng)以及與虛擬場(chǎng)景交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)信息的高度共享，這將更有利于各級(jí)指揮員快速、正確理解上級(jí)意圖。通過(guò)增強(qiáng)的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，指揮員能實(shí)時(shí)掌握各個(gè)作戰(zhàn)單元情況，有利于指揮員及時(shí)做出正確的作戰(zhàn)決策。例如美國(guó)NRL海軍研究試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(BARS)，它為城市戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的各級(jí)指揮官和士兵之間傳達(dá)三維戰(zhàn)術(shù)信息提供了一個(gè)實(shí)用平臺(tái)。

4．4 武器裝備研制

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于武器裝備研制中，可以實(shí)現(xiàn)不同地域、不同單位的設(shè)計(jì)人員合力為軍方完成復(fù)雜裝的研制。研制部門(mén)也可以通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將裝的模型及各種可能的設(shè)計(jì)方案融合在一起顯示給軍事使用部門(mén)，使用部門(mén)可以通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)全面比較各種方案，并且能夠?qū)⑿薷囊庖?jiàn)直接反映到裝備的模型上，這將大大提高裝備研制的效率以及裝備的實(shí)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(duì)的棘手問(wèn)題，特別是戰(zhàn)時(shí)如何實(shí)現(xiàn)裝備的快速維修更是決定戰(zhàn)場(chǎng)勝負(fù)的要素之一。目前，裝備說(shuō)明書(shū)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)用于裝備維修中，可以直接在實(shí)際設(shè)備中添加3D畫(huà)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于協(xié)同工作，可以允許多個(gè)用戶(hù)終端協(xié)同活動(dòng)，同時(shí)觀看、討論以及和虛擬物體交互。協(xié)同增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以為多個(gè)用戶(hù)能夠建立一個(gè)共享的、可理解的虛擬空間，類(lèi)似于他們所理解的自然空間。融人增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)信息。目前美國(guó)軍方從事注冊(cè)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(qiáng)信息。

5 總 結(jié)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，它包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感學(xué)、網(wǎng)絡(luò)和GPS等。作為一門(mén)新型的技術(shù)，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，達(dá)到實(shí)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還很少，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的廣泛使用還受到技術(shù)、用戶(hù)界面和社會(huì)接受度等問(wèn)題的限制。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] Mi an1，Kishino．A taxonomy of Mixed Reality Visual Dis．plays[J]．IEICE Trans Information Systems，1994，E77一D(12)：1321—1329．

[2] Azuma R．Survey of augmented reality[J]．Teleoperatom andVirtual Environments，1997，6(4)：355—385．

[3] 齊越，馬紅妹．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用[J]．小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2004，25(5)：900—903．

[4] 朱淼良，姚遠(yuǎn)，蔣云良．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)綜述[J]．中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)，2004，9(7)：767—774．

[5] CaudeH T．AR at boing[EB/OL]．1990．http：//www．ipo．tue． nl/homepages/mrauterb/[)resemation/HCl — history/tsld096．htm．

[6] Drascis D，Mi LGram P．Perceptual issues in augmented reality[C]//Proc．SPIE，Stereoscopic DisplaysⅦ and"virtual Sys．tems HI．[s．I_]：SPIEPress，1996：123～134．

[7] Holloway R L．Registration error analysis for augmented real—ity[J]．Presence：Teleoperators and virtual Environm ents，1997，6(4)：413—432．

[8] Julier S．Information Fikering for Mobi~Augmented Reality[C]//Proc．Im’l Symp．Augmented Reality 2000(ISAR00)．Los Alamitos，Calif．：IEEE CS Press，200O．

[9] 柳祖國(guó)，李世其，李作清．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15(2)：222—225．