增强现实技术综述

增强现实技术综述

现实技术（ar）是基于虚拟技术的创新技术。这是基于信息系统的信息。它可以增强用户对现实世界的感知。它能够将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示等信息叠加到真实场景中,从而实现对现实世界的“增强”。同时,由于其与真实世界的联系并未被切断,因此交互方式也就显得更加真实、自然。近年来,AR技术在社会生活的各个领域正在逐步得到应用,并将对社会生活产生重大影响。本文在全面分析AR技术本质特征的基础上,根据军队武器装备和模拟训练系统的发展需求,针对增强现实技术在军事装备和模拟训练上的应用前景、关键环节、技术实现等方面进行探索性研究。旨在全面推动增强现实技术在军事仿真和作战训练领域的应用。1增强实用技术的主要特点1.1实现真实与现实的有机融合AR有时也被称为扩增现实,其实质上是把原本在现实世界一定时间空间范围内很难体验到的各种信息,通过相关的技术进行模拟仿真后,再叠加到现实世界并被人类的感官所感知,从而达到一种超越现实的感官体验。AR的出现与多项现代技术的发展和进步密切相关,其核心技术特征表现在以下几个方面技术的有机融合:一是虚拟现实技术。增强现实用户可以戴上透明的护目镜,透过它能够看到整个真实的世界,由计算机生成的虚拟世界图像也投射到护目镜上,给人造成一种真实世界与虚拟世界相结合的增强现实环境,从而使用户“看”到的物理世界景象超出用户的日常经验之外。这种增强的信息可以是在真实环境中与之共存的虚拟物体,也可以是实际存在物体的非几何信息。二是空间定位技术。为了保证真实世界与虚拟世界的有机融合,AR所投射的图像必须在空间定位上与用户所处位置相关。比如,当用户转动或移动而发生视野变动时,计算机产生的增强信息也应随之做相应的变化。这是依靠三维环境控制系统实现的,该系统能够实时检测用户位置和视线方向,为计算机提供虚拟信息在投影平面上位置依据,并将这些信息实时显示在投影屏的正确位置。三是传感与识别技术。要实现真实世界与虚拟世界的有机融合,必须首先对真实世界的信息进行精确扫描和精准感知,通过摄像头、传感器等设备获取真实世界的精准信息,通过计算机智能识别获得接受者与真实世界各要素的相对关系,并以此作为虚拟世界各要素产生和投放的重要判据。四是计算机及信息处理技术。无论真实世界的传感识别、虚拟世界要素的仿真生成、知识信息的快速检索,还是真实世界与虚拟要素的整体融合,都建立在高速的信息处理和计算基础上,因此,AR系统必须有高速的信息处理技术和可穿戴式高速计算机硬件等支持。1.2创造新环境一是虚实结合。AR技术可构造出一种将真实世界与虚拟世界相合成的新环境,它同时包含了虚拟世界和真实世界的相关要素。无论是在真实世界中加入虚拟世界要素,还是在虚拟世界上叠加真实世界,最终形成了增强现实环境都是一个真实与虚拟相合成的新环境。二是信息增强。AR技术在真实世界基础上增加了虚拟世界的要素,其信息量远远大于真实世界,且所增加的信息均是真实世界当前时空中所不存在,而又对某一项应用直接相关的重要信息。三是完全沉浸。AR技术不仅具备虚拟现实技术(VR)的优点,更重要的是它本身就是真实世界与虚拟世界的结合,因此,AR技术构建的增强现实环境将具备超越虚拟现实技术的超强沉浸感,给人一种超越现实的感官体验,是一种完全的沉浸。四是全域交互。在AR技术构建的增强现实环境中,人们的行动既不是简单的对着屏幕或虚拟环境交流,也不受真实环境的有限条件限制,而是将自己融合于周围的空间与对象中,并能够将交互行动从某一位置扩展到整个环境。1.3音频散射作为物理空间的基础应用目前,AR技术已经基本成熟,并在许多领域开始了初步应用。目前AR技术的应用可分为户内型与户外型两种。户内型增强现实从广义上说包括各种将数据层覆盖于建筑物内部物理空间的实践。它主要为建筑师、壁画师、展览设计师和新媒体艺术家所关心。例如,加拿大艺术家加迪夫(JanetCardiff)的作品“音响散步”(audiowalk),就是在物理空间中由便携式CD播放器或摄像机构建了与真实世界相关的虚拟场景,并能够引导观众在真实的物理空间中进行“下楼梯”、“看窗口”等交互活动。韩国开发的增强现实游戏ARPushPush运用追踪器检测用户的运动,并通过头盔显示器为用户提供包含了虚拟景观的视野。户外型增强现实运用GPS与定位定向传感器,以背包式计算机系统将增强现实带到户外,目前主要应用在游戏等领域。如南澳大学可穿戴计算机实验室开发的IdSoftware公司《地震》游戏的增强现实版ARQuake,允许用户在现实世界中四处运动,同时在计算机生成的世界中玩游戏。目前,国内外众多研究机构,均已经将增强现实技术视为未来模拟仿真技术发展的重要方向,各种增强现实系统不断被开发利用。2提高实际技术的军事需求2.1作战装备信息需要具有更强的认知能力不断提高武器装备的信息化水平,是各国军队装备发展的重要方向之一。从目前世界各国军队的武器装备现状看,目前的信息表现形式还主要停留在图形、数据、文字、声音等方面,如数字地图、文字信息、参数数据、声音提示等。这些信息可能来源于多个渠道、多类传感器,表现形式抽象枯燥,使用者必要经过大量的训练活动、需要花费较长时间来理解和掌握这些抽象的数据和信息,才能在大脑中与现实世界进行较好地综合。未来作战装备的信息化工作重要方向之一,就是要使装备信息最大限度地适应作战人员的认知习惯,最大限度地减少作战人员在理解作战信息方面所用的时间。这就要求未来作战装备不仅能够全面掌握战场信息,更要能够利用最恰当的方式表达信息,并与真实的战场环境有机融合,从而使作战人员能够全面、直观、准确地掌握战场综合信息,防止出现任何对信息感知、理解和判断上的失误发生。AR技术恰好能够完美地做到这一点。2.2实装嵌入式训练模拟系统模拟训练以安全、经济、环保、可控、无风险或低风险、不受气候条件和场地空间限制等独特的优势,一直受到各国军方的高度重视,特别是面对军费缩减、武器装备日趋复杂、兵器采办费用不断提高的局面,模拟训练和模拟训练器材被各国军方视为军事训练中必不可少的、安全经济和有效的训练手段加以重点发展。到目前为止,各国军队进行模拟训练的主要手段基本上是采用相关的训练模拟系统(器材)。这些训练模拟系统从技术手段上看,主要包括三种类型:一是以硬件设备为主、结合相关软件、与实际作战装备基本一致的“硬”模拟系统,比如,用于驾驶和操纵训练的各种专项技能训练模拟器;二是以软件方式为主、用虚拟界面代替实际装备界面、与实际作战装备视觉效果基本一致的“软”模拟系统,比如,用于装备操作流程训练、战术指挥训练的各种训练模拟系统等;三是在实际作战平台或作战装备系统中嵌入专用于训练的信息支持软件,从而构成了实装嵌入式训练模拟系统。无论上述哪一种训练模拟系统,其所构成的训练环境与真实环境相比都存在较大的差距,因此,“仿真度”问题一直困扰着军事模拟领域,对“构造逼真训练环境”的追求长期存在并一直未能得到很好地解决。AR技术是解决训练模拟领域“仿真度”问题的重要手段。从理论上说,利用AR技术构建的训练模拟系统,既能够100%地反映真实世界的基本特征,又能够将真实世界当前时空中不存在的各种要素以虚拟方式叠加到真实世界中,从而能够构造出一种超越了真实世界的“超真实”的模拟训练环境。可见,AR技术对军队模拟训练和模拟训练系统的建设具有非常重要的推动作用,可推动模拟训练向一个更高的层次发展。3ar技术在训练模拟等各个领域的应用从上述军事需求可见,AR技术可应用于军队装备、军事训练、训练模拟系统等各个领域。由于各个领域需求不一、特点各异,AR技术的应用方式、技术途径和侧重点也有所不同。研究表明,AR技术在军事上的应用方向和应用策略可归纳为以下几个方面。3.1ar技术实现流程各国军队比较先进的舰艇、飞机、车辆等作战平台,都装备有相应的作战系统,从而将平台上各种通信、情报、探测、指控、武器等相关系统联系起来,构成信息化程度较高的作战单元。但目前的信息表现形式还是以图形、数据、文字、声音为主,指挥员面对的是大量的数据、表格、文字等抽象的信息,在战场上不仅需要浪费较长的时间来理解这些信息,而且还存在理解偏差甚至理解错误的可能性,这种时间上的延迟和理解上的失误,在战场上可能造成战机的错失,甚至造成战斗的失败。AR技术在作战系统上的应用可以有效地解决以上问题。从技术途径方面看,AR技术在作战系统上的应用主要是将各种传感器和情报系统获取的作战目标信息(包括实时位置、运动要素、战术行动等信息)、协同兵力信息(包括实时位置、运动要素、战术行动等信息)、其它信息等以虚拟要素形式表现出来,并与指挥员本身所处的作战平台实际环境相融合,从而给指挥员提供一种形象具体、容易理解、简单快捷的信息表达。以舰、潜艇作战系统应用为例,其技术实现流程如图1所示,其技术实现方法可以概括为以下几点:一是准确定位本舰的位置和航向,这一点完全可以依靠现有的舰艇导航系统来完成;二是以本舰的位置为原点,以舰首航向线为纵轴,垂直向上为竖轴,按右手定则规律构建舰体坐标系;三是将目标信息、协同兵力信息、其它相关信息中的位置信息、运动要素信息、战术行动信息分类提取出来,并将各类信息中以大地坐标或其它坐标表示的信息数据动态地转换到舰体坐标系上;四是调用作战目标、协同兵力等要素的三维实体仿真模型,根据目标或协同兵力与本舰的距离、高度数据,对实体模型进行缩放和处理;五是通过投影式透明眼镜、定位定向装置等设备器材,获取指挥人员在舰体坐标系中的位置、方向信息,并根据目标、协同兵力及其它相关信息在舰体坐标系中的坐标数据,将指挥员视角范围的目标、协同兵力等信息以三维方式投影到投影式透明眼镜上;六是实时检测指挥员的视线方向,控制系统按指挥员观察方向的变化,动态计算并改变投影式透明眼镜上虚拟场景;七是对指挥员重点关注的当前目标,可根据指挥员指令展现其位置、速度、战术行动等具体信息。AR技术的应用给指挥员带来三点好处:一是无论何时,指挥员除能够在实际环境中利用实际装备指挥作战外,还能够在真实世界中随时“看”到视距外甚至更远处的目标、协同兵力的位置、运动和战术行动场景,并且是以方向、距离、高度三维空间方式来表现,指挥员周身一转,天空、海上、陆上、水下的各种有关情况都能直接“看”在眼里,直观、真切、无需转化、不会出错;二是省略了指挥员抽象数据和文字信息的理解环节,使指挥员从繁杂的坐标系转换和信息理解中解脱出来,可以将有限的精力集中在态势判断和指挥决策方面,有利于指挥员迅速做出科学的指挥决策;三是可将指挥员从固定在计算机屏幕前的指挥位置上解放出来,有利于实现在任何位置、任何场合下的实时指挥。3.2ar技术在维修保障方面的应用装备保障是军队作战能力的重要环节。以故障排除和装备维修为例,这是装备保障中的一个重要内容,特别是当作战装备远离基地时,装备故障的快速诊断和维修对于保持装备的作战能力至关重要。目前较好的方法是建立装备维修手册,供使用人员查阅参考,但这种方法存在资料查询不方便、无法提供实时联动式帮助等缺陷。AR技术在维修保障方面的应用可以有效地解决这些问题,其技术实现流程如图2所示。在技术实现上,AR技术在维修保障方面的应用主要是将通过视频摄像头实时扫描待修装备的实景信息、故障现象,通过智能识别系统实时识别待修装备的位置、部件,通过知识数据库系统自动调用与待修装备部位、部件相关的知识信息,通过专家知识库自动给出与故障相关的辅助诊断和处置建议。其目的是使维修人员在面对待修装备并进行各种维修行动时,能够实时获取与当前工作相关的资料支持和专家建议支持。AR技术的应用给维修人员带来两点好处:一是能够在真实装备面前,透过真实装备上的某些关键点(特征点)实时“看”到相关部位或部件完好时的结构和状态,为维修提供实时的三维目标比对条件;二是将装备信息资料、专家经验知识等实时提供给维修人员,为维修人员的维修提供资料、信息和专家知识保障。3.3基于ar的灭火训练技术的主要特点典型完整的训练模拟系统主要包括三个方面:一是受训对象直接操作使用的训练设备子系统,二是与训练设备和训练内容直接相关的战场环境与目标模拟子系统,三是对训练过程和训练效果进行监控管理的导控评估子系统。目前训练模拟系统的“仿真度”不够高的问题主要集中在训练设备子系统和战场环境与目标模拟子系统上。下面,以舰船上最经常、最简单的灭火训练为例,说明AR技术在军队模拟训练中的重要作用和实现途径。出于安全考虑,传统的灭火训练都不可能在舰船上进行,一般采用以下方法训练:一是在陆上较安全的地域点燃相关的燃料,产生小规模的油火、电火等各种类型的火焰;二是受训对象根据火焰类型选择使用泡沫、干粉、二氧化碳等相关的灭火器材;三是受训对象操纵灭火器材、选择适当的位置进行灭火行动;四是根据灭火时间、器材选择、灭火效果评估训练效果。从以上训练过程可以看出,这种传统的灭火训练存在三点缺陷:一是训练内容受限。由于在舰船以外的其它场所进行训练,而不是在舰船上某些位置进行灭火训练,因此,灭火者可以任意选择灭火位置,而感受不到舰船实际环境条件对灭火行动的影响。在陆上可以选择的方向和位置,在舰船舱室内由于设备仪器和舱室布局等原因就可能无法选择,因此训练内容受限;二是训练真实感差。与舰船上真实起火后灭火相比,在陆上安全地带点燃火焰进行灭火训练时,火焰规模小且火势基本不产生变化,真实感差,构建的训练环境无法使受训者获得身临其境的感觉。因此,受训人员的心理紧张程度得不到体验,心理承受能力和现场反应能力得不到训练,而这种心理承受能力和现场反应能力往往对灭火效果产生直接的影响;三是环保和经济性差。模拟训练的优势就在于安全、经济、环保、可控、无风险或低风险、不受气候条件和场地空间限制,这种训练方法需要点燃油火等明火,需要消耗燃油、灭火剂等材料物质,存在一定的安全隐患,不利于环境保护,且受场地和气象条件限制。AR技术能够构造出超越真实世界的逼真的模拟训练环境,可催生新型的模拟训练系统,可以说,模拟训练是最能体现AR技术价值的应用方向之一。同样以灭火训练为例,利用AR技术可构造出一种虚实结合的模拟训练手段,系统的整体技术架构主要包括图3所示的几个方面。一是训练用灭火器。可以采用真实的灭火器,也可以制作形状、体积和重量等同的模拟灭火器,其技术要点是灭火器内不装填任何类型的灭火剂,但需要在灭火器相关位置和手柄等操纵部件上安装传感器和身份电子标识。信号传感器用以实时采集操作人员的操作行动,身份电子标识用以表示灭火器的类型、虚拟灭火剂数量,这些信息可通过无线通信传输到携带式计算机系统中;二是投影式透明眼镜,受训人员一方面透过眼镜观察到现实世界中的景象,另一方面虚拟火灾场面也投射到该眼镜上,从而实现在真实世界的任何场景所产生虚拟火灾,供受训者进行灭火训练;三是摄像头和图像识别装置,用于实时摄取训练现场的场景图像,识别现场设备设施的边界轮廓、所用材料,为生成火灾的虚拟场景提供实时的数据支持;四是可穿戴式高速计算机,用于根据训练对象设置火灾的类型、规模,实时生成虚拟的各种火灾景象,包括虚拟火灾场面的火焰类别、形状、覆盖