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增强现实及其军事应用研究
2012年4月3日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:程委,廖学军,李 智
    单位:装备指挥技术学院研究生院
          装备指挥技术学院试验指挥系
          装备指挥技术学院重点实验室

    摘要:增强现实是把计算机生成的虚拟物体或其它信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术,也是人机界面技术发展的一个重要方向。增强现实是近年来的一个研究热点,在很多领域有着广泛的应用前景。介绍了增强现实的关键技术,包括显示技术、跟踪与定位技术和交互技术等,探讨了人的因素对增强现实系统的影响,最后对增强现实军事应用做了深入的研究。

    O 引 言

    增强现实(augmented reality,简称AR),是虚拟现实研究领域里逐渐引起广大学者关注的一个新兴研究方向。所谓虚拟现实(virtual reality,简称VR),是利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境,通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,实现用户和环境直接进行自然交互。虚拟现实是将人“沉浸”在计算机中,而现实中常提出这样一种应用,即如何将计算机虚拟的东西与人们所看到的真实物体相结合,形成一种虚、实结合的应用,用虚拟的信息补充真实信息的不足,来满足特殊工作需求。例如:利用图形、图像的虚、实结合提供飞行员精确导航;利用虚、实结合指导脑外科手术等。由此,在虚拟现实基础上,研究将现实、虚拟两种不同信息融合起来,就形成一个新的领域——增强现实。Milgram根据用户界面中计算机生成信息的比例的大小定义了一个真实环境到虚拟环境的连续体,他认为增强现实是混合现实环境的一部分(如图1所示)。

Milgram定义的真实环境到虚拟环境的连续体
图1 Milgram定义的真实环境到虚拟环境的连续体

    1 增强现实

    Azuma是这样定义增强现实的:“虚实结合,实时交互,三维注册增强现实系统,是利用附加的图形或文字信息,对周围真实世界的场景动态地进行增强与虚拟现实相比,增强现实是把计算机带人到用户的“世界”中,而不是把用户沉浸到计算机的世界中。增强现实是将计算机生成的虚拟物体叠加到现实景物上,并且使用者可以通过各种方式来与虚拟物体进行交互。如图2为北京理工大学研制的一个增强现实系统生成的场景,其中计算机生成的虚拟时装模特和真实场景共存。

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图2 增强现实系统场景(注:原文图片不清晰,此图片来源于互联网)

    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。

    由于增强现实虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起了一座桥梁,因此增强现实的应用潜力是相当巨大的,它可以广泛应用于军事、医学、制造与维修、娱乐等领域。

    2 增强现实的关键技术

    增强现实系统需要通过分析大量的定位数据和场景信息来保证由计算机生成的虚拟物体可以精确地定位在真实场景中。一般,真实场景由摄像机录制,摄像机的内部参数(焦距和透镜的失真率)和外部参数(位置和方向)决定了哪一部分三维立体图像被投影到二维平面。同时,虚拟物体由计算机图形设备在对象坐标系中建模产生。图像系统需要真实场景中的相关图像信息来控制产生虚拟物体的虚拟摄像机的方向。最后虚拟图像和真实图像融合,就形成了增强现实的图像。因此增强现实系统中一般都包含4个基本步骤:

    (1)获取真实场景信息;

    (2)对真实场景和相机位置信息进行分析;

    (3)生成虚拟景物;

    (4)合并视频或直接显示(如图3所示)。

简单增强现实系统的基本流程
图3 简单增强现实系统的基本流程

    增强现实系统的关键技术主要包括:显示技术、跟踪与定位技术和交互技术。

    2.1 显示技术

    增强现实系统可以通过多种设备来显示虚拟物体和真实场景的叠加,目前最常用的就是光学式头盔装置和视频式头盔装置。

    光学式头盔装置(optical see through HMDs)是把光学融合器放置在用户眼前来实现增强现实的。这些融合器是部分透光的,以便用户可以通过它直接观察真实世界;同时融合器也是部分反射的,以便由头部监视器投射到融合器上的虚拟物体的光再反射到用户眼里,用户就看到了融合有虚拟物体的真实世界。图4显示了光学式头盔装置的基本构造。

光学式头盔装置的构造示意图
图4 光学式头盔装置的构造示意图

    视频式头盔装置(video see through HMDs)封闭了视线,它把一个封闭的视频头盔同一到两个视频摄像机结合在一起。视频摄像机为用户提供真实世界中的场景,场景合成器负责把摄像机视频和虚拟图像进行合并。最后结果由位于封闭头盔上的监视器表现出来,用户便可以方便观察到增强的真实世界。如图5所示。

视频式头盔装置的构造示意图
图5 视频式头盔装置的构造示意图

    2.2 跟踪与定位技术

    由于要实现虚拟和现实物体完美结合,必须将虚拟物体合并到现实世界中的准确位置,这个过程常称为配准(registration),因此增强现实的跟踪定位系统必须能够实时地检测观察者在场景中的位置、观察者头部的角度,甚至是运动的方向,以便用来帮助系统决定显示何种虚拟物体,并按照观察者的视场重建坐标系。

    在增强现实系统中,最常用的是使用视频检测技术 。视频检测就是使用模式识别技术(包括模板匹配、边缘检测等方法)识别视频图像中预先定义好的标记、物体或基准点,然后根据其偏移和转动角度计算坐标转换矩阵。用视频检测方法进行定位不需要其他设备,且定位精确。

    2.3 交互技术

    目前许多研究人员在考虑用户如何与增强现实应用进行交互,如何有效地在增强现实显示器上表现信息、与虚拟信息进行交互是很困难的事。目前,增强现实交互手段研究有两个趋势:使用不同的设备,取各家之长;通过切实可行的界面,使虚拟对象与自然界成为一个整体。现在主要使用的交互方式有三种:

    (1)菜单:多用于掌上电脑的应用。

    (2)特殊标记:用于将特殊的标记固定在用于交互的设备上。

    (3)特制工具:一般外形简单、易于识别、并且通过按键可以触发一些系统事件。

    3 人的因素及感知

    人的因素、感知研究以及认知科学的研究成果对高效AR系统的设计是很有帮助的。Drascis讨论了影响AR显示的18种不同的设计问题,包括实现错误、技术问题,以及目前头盔装置设计中的基本限制等。人们需要更好地理解人的因素对长期使用AR系统的影响,这些重要的因素包括:

    (1)反应时间:与所有能够引起错误的源相比,延迟引起的定位误差最大。有研究表明,一毫秒的延迟会引起一毫米的误差 。更重要的是,延迟会降低系统的性能。

    (2)深度感知:准确的深度感知是很困难的定位问题,立体显示可以帮助深度感知,但目前的显示技术会带来新的问题,包括适应性调节、低分辨率和模糊显永引起对象出现的距离比实际的要远。使用正确的遮挡关系能改进一些深度感知问题。

    (3)用户适应性:对AR设备的适应能力从负面影响AR系统的性能。

    (4)疲劳和眼睛紧张:不舒服的AR显示器不适合长期使用。

    4 增强现实军事应用

    20世纪90年代初期,增强现实这个名词一经提出 ,美国就率先将其用于军事领域。近几年增强现实已进入了军事领域的多个方面,并开始发挥其巨大作用。各国也都将增强现实军事领域的应用列为高度军事机密。目前,增强现实军事领域的应用主要集中在增强战场环境、军事训练及作战指挥等方面。

    4.1 增强战场环境

    部队可以利用增强现实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。

    向系统中输入部队的位置信息,系统不仅能向部队显示真实的战场场景,而且能够通过增加虚拟物体强调肉眼无法看见的环境信息以及敌方或己方的隐藏力量来增强真实战场场景的显示,真正实现各种战场信息的可视化。

    4.2 军事训练

    增强现实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实兵演习更加真实的战场环境。士兵训练时通过随身携带的增强现实系统,不仅可以看到真实的场景,而且可以观察到场景中各种增加的虚拟物体,将军事训练推向更加实战化。

    4.3 作战指挥

    战场指挥员如何及时掌握瞬息万变的战场情况,一直是作战指挥中的一大难题。将增强现实应用于作战指挥系统中,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情况,有利于指挥员及时做出正确的作战决策。例如美国NRL海军研究试验室开发的战场用增强现实系统(BARS),它为城市战场环境中的各级指挥官和士兵之间传达三维战术信息提供了一个实用平台。

    4.4 武器装备研制

    将增强现实应用于武器装备研制中,可以实现不同地域、不同单位的设计人员合力为军方完成复杂装的研制。研制部门也可以通过增强现实系统,将装的模型及各种可能的设计方案融合在一起显示给军事使用部门,使用部门可以通过增强现实系统全面比较各种方案,并且能够将修改意见直接反映到装备的模型上,这将大大提高装备研制的效率以及装备的实用性。

    4.5 装备维护和修理

    大量复杂装备的维修一直是部队的棘手问题,特别是战时如何实现装备的快速维修更是决定战场胜负的要素之一。目前,装备说明书一般是文本和图形形式的,不方便于技术人员的维修。而将增强现实用于装备维修中,可以直接在实际设备中添加3D画面,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,极大提高装备保障的效率 。

    4.6 协同工作

    将增强现实应用于协同工作,可以允许多个用户终端协同活动,同时观看、讨论以及和虚拟物体交互。协同增强现实系统可以为多个用户能够建立一个共享的、可理解的虚拟空间,类似于他们所理解的自然空间。融人增强现实的协同工作所提供的协同工作环境,将在模拟推演、军事标绘等领域有着广泛的应用。
   
    4.7 军用飞机

    军方将增强现实用于飞行员座舱的显示,在飞行员座舱的前方玻璃上或者他们的头盔显示器上,将矢量图形叠到飞行员的视野中,不仅向飞行员提供导航信息,而且提供了包括敌方隐藏力量的增强战场信息。目前美国军方从事注册跟踪目标的研究工作,为飞机上装载的武器装备提供瞄准路径方面的增强信息。

    5 总 结

    增强现实是一个多学科交叉的领域,它包括计算机视觉、计算机图形学、传感学、网络和GPS等。作为一门新型的技术,目前增强现实的应用还处于实验室研究阶段,达到实用的增强现实系统还很少,增强现实的广泛使用还受到技术、用户界面和社会接受度等问题的限制。随着增强现实研究和应用的日趋成熟,必将在军事领域产生深远的影响。

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标签:增强现实军事
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