張申　季自力　王文華

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一項(xiàng)重要的顛覆性技術(shù)，目前在很多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用上已經(jīng)取得令人矚目的成果。隨著基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的日趨深入與成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在戰(zhàn)場上將得到更廣泛的運(yùn)用，產(chǎn)生重要且深遠(yuǎn)的影響。

真實(shí)和虛擬的無縫集成

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一門新興的技術(shù)領(lǐng)域，它是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展變化而來的。對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，最早可以追溯至1968年美國麻省理工學(xué)院研制出的世界上第一臺(tái)采用陰極射線管的光學(xué)透明頭戴式顯示器。這種顯示器用于實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)生成的圖形，在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，此后的頭戴顯示器在飛機(jī)、地面車輛以及艦只訓(xùn)練方面都發(fā)揮了重要作用。2012年谷歌眼鏡的推出以及2015年微軟展示的HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，激發(fā)了全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的新熱潮。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門交叉學(xué)科，是建立在多個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)上的技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖像實(shí)時(shí)實(shí)地、動(dòng)態(tài)地融合到用戶所看到的真實(shí)環(huán)境中的新一代信息技術(shù)，它包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段，目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。這種技術(shù)1990年提出，隨著隨身電子產(chǎn)品CPU運(yùn)算能力的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途越來越廣。

更進(jìn)一步說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息無縫集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等），通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行補(bǔ)充，它并不能完全取代現(xiàn)實(shí)場景，通過虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的有機(jī)融合，可以增強(qiáng)用戶對真實(shí)環(huán)境的理解和感受，以此來達(dá)到“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的效果。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要優(yōu)勢在于，通過真實(shí)世界和虛擬世界的相互結(jié)合，使真實(shí)世界在一定程度上得到增加與加強(qiáng)，從而以一種全新的方式，大幅提升人們認(rèn)知和改造真實(shí)世界的能力，出現(xiàn)了從“人適應(yīng)世界”到“世界適應(yīng)人”的重大變化。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有3個(gè)主要特征。一是虛實(shí)結(jié)合性。通過將虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境融合為一體，讓用戶基本上感覺不到虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的融合所產(chǎn)生的不和諧。二是實(shí)時(shí)交互性。用戶可通過交互設(shè)備，直接與虛擬物體或虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，增強(qiáng)了用戶對環(huán)境的適時(shí)感知。三是三維定位性。例如，視頻式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以由攝像機(jī)拍攝所得的視頻直接顯示在顯示器上，使用戶看到真實(shí)的場景，同時(shí)可以由虛擬攝像機(jī)拍攝到的虛擬視頻傳送到顯示器，通過虛、實(shí)兩個(gè)攝像機(jī)的全方位對準(zhǔn)，使虛擬場景與真實(shí)場景融合一體，可以在三維空間中自由增添、定位虛擬物體。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)要努力實(shí)現(xiàn)的，不僅是將圖像實(shí)時(shí)添加到真實(shí)的環(huán)境中，而且還要更改這些圖像以適應(yīng)用戶的頭部及眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)，以便圖像始終在用戶視角范圍內(nèi)。

硬件和軟件的協(xié)同實(shí)現(xiàn)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在戰(zhàn)場上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，主要有顯示技術(shù)、注冊技術(shù)、交互技術(shù)、跟蹤與定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能專家系統(tǒng)技術(shù)等。一個(gè)完整的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是由一組緊密聯(lián)結(jié)、實(shí)時(shí)工作的硬件部件與相關(guān)的軟件系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。

顯示技術(shù)顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本技術(shù)之一。在戰(zhàn)場上應(yīng)用的顯示技術(shù)，主要有投影式顯示、手持式顯示和普通顯示器顯示。投影式顯示是將虛擬的戰(zhàn)場信息直接投影到需要增強(qiáng)的戰(zhàn)場工程設(shè)施上，從而達(dá)成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。手持式顯示，主要是采用攝像機(jī)等其他輔助部件來達(dá)成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可通過頭盔和眼鏡等穿戴式設(shè)備，將作戰(zhàn)現(xiàn)場的地圖指示、建筑標(biāo)識(shí)、敵人位置、隊(duì)友狀態(tài)和指揮命令等信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)給士兵，大幅提升單兵野外作戰(zhàn)的遠(yuǎn)程指揮能力。

注冊技術(shù)注冊技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在戰(zhàn)場上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一?！白浴睂?shí)際上就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬的戰(zhàn)場工程設(shè)施和真實(shí)環(huán)境中景象“對齊”的過程。它必須先確定虛擬戰(zhàn)場與觀察者之間的關(guān)系，然后通過正確的幾何投影，將虛擬戰(zhàn)場投影到觀察者的視野中。注冊一般分為動(dòng)態(tài)注冊和靜態(tài)注冊。動(dòng)態(tài)注冊是攝像機(jī)與真實(shí)物體相對運(yùn)動(dòng)的情況下，確定兩者的相對位置;靜態(tài)注冊是攝像機(jī)與真實(shí)物體相對靜止的情況下確定兩者的相對位置。在戰(zhàn)場上，絕大多數(shù)采用的是動(dòng)態(tài)注冊，包括基于跟蹤器的注冊技術(shù)、基于視覺的注冊技術(shù)以及結(jié)合前兩種優(yōu)勢的復(fù)合注冊技術(shù)。

自主交互技術(shù)在戰(zhàn)場上應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，需要實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)環(huán)境中虛擬物體自然直觀的三維交互，這就要系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互工具，并能夠跟蹤定位到交互工具的位置信息，執(zhí)行用戶對空間物體實(shí)施的指令。通過語音識(shí)別、草圖識(shí)別、自然語言理解和智能問答系統(tǒng)等智能化人機(jī)交互軟件技術(shù)，可以改善指揮員人機(jī)交互的體驗(yàn)，讓指揮員感覺像與人交談一樣方便和自然。

相比于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)旨在創(chuàng)造一個(gè)全新的虛擬世界

跟蹤定位技術(shù)在戰(zhàn)場上，要實(shí)現(xiàn)虛擬戰(zhàn)場和實(shí)體戰(zhàn)場的完美結(jié)合，必須將虛擬戰(zhàn)場合并到現(xiàn)實(shí)世界中的準(zhǔn)確位置，這個(gè)過程通常被稱為配準(zhǔn)。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)地檢測觀察者在場景中的位置、運(yùn)動(dòng)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。為了生成準(zhǔn)確定位，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的標(biāo)定，測量值包括攝像機(jī)參數(shù)、視域范圍、傳感器偏移、對象定位以及變形等。目前最常用的是視頻檢測技術(shù)，主要是使用模式識(shí)別技術(shù)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)偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

大數(shù)據(jù)技術(shù)在戰(zhàn)場上，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場信息的增強(qiáng)，需要運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，迅速挖掘數(shù)據(jù)信息的內(nèi)在規(guī)律，提供更高效率的決策支持、圖像識(shí)別服務(wù)等。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的深度學(xué)習(xí)方法，可顯著提升模式識(shí)別的準(zhǔn)確率;利用大數(shù)據(jù)分析的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可在圖像識(shí)別領(lǐng)域取得顯著效果，在ImageNet評測中大幅降低錯(cuò)誤率;通過對海量異構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，可獲得有價(jià)值的決策信息，等等。對戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息的展現(xiàn)，需要對海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地分析處理，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。

智能專家系統(tǒng)技術(shù)在戰(zhàn)場上，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對知識(shí)和智力的增強(qiáng)，就要運(yùn)用智能專家系統(tǒng)技術(shù)，即以“知識(shí)工程”為核心，綜合應(yīng)用人工智能與計(jì)算智能原理與方法、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法、先進(jìn)建模與仿真技術(shù)，以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)的復(fù)雜智能化系統(tǒng)。智能專家系統(tǒng)具有大量專門知識(shí)的智能程序，可應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)專家提供的特殊領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行推理，模擬專家做出決定的過程，能夠解決那些需要專家解決的復(fù)雜問題，提供專家水平的解答。智能專家系統(tǒng)能夠解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對基于知識(shí)的智能化工程技術(shù)的需求，建立基于知識(shí)工程的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系和不同層級(jí)的推理模型，綜合考慮各種因素，運(yùn)用專家知識(shí)，邏輯推導(dǎo)預(yù)判相關(guān)情形，輔助選擇推送優(yōu)化結(jié)果。

電影中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以大幅提升單兵作戰(zhàn)能力

場上和場下的廣泛應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在諸如尖端武器制造與維修、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而且由于其具有能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在環(huán)境顯示、工程設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。

戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮應(yīng)用將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中，可以允許各級(jí)作戰(zhàn)指揮機(jī)構(gòu)和指揮員同時(shí)觀看、討論戰(zhàn)場以及與虛擬場景交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場信息的高度共享，這將更有利于各級(jí)指揮員快速、正確理解上級(jí)作戰(zhàn)意圖。通過增強(qiáng)的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，作戰(zhàn)指揮機(jī)構(gòu)和指揮員能實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場態(tài)勢和各個(gè)作戰(zhàn)單元的情況，從而及時(shí)做出正確的作戰(zhàn)決策。

戰(zhàn)場工程設(shè)施設(shè)計(jì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于戰(zhàn)場工程設(shè)施設(shè)計(jì)施工，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是采將戰(zhàn)場工程設(shè)施建設(shè)規(guī)劃效果疊加真實(shí)場景中，以直接獲得規(guī)劃的效果;二是可實(shí)時(shí)展示和共享實(shí)物、模型、設(shè)計(jì)圖紙等戰(zhàn)場工程設(shè)施信息，利用多通道人機(jī)自然交互技術(shù)，使得異地、多人可以實(shí)時(shí)互動(dòng)，溝通交流戰(zhàn)場工程設(shè)施設(shè)計(jì)的思想與理念，改進(jìn)戰(zhàn)場工程設(shè)施的設(shè)計(jì)方案;三是可將戰(zhàn)場工程設(shè)施模型及各種可能的設(shè)計(jì)方案融合在一起，顯示給戰(zhàn)場工程設(shè)施的設(shè)計(jì)人員，戰(zhàn)場工程設(shè)施的設(shè)計(jì)人員可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，全面比較各種設(shè)計(jì)方案，而且能夠?qū)⑿薷囊庖娭苯臃从车綉?zhàn)場工程設(shè)施模型上;四是可為用戶提供先期演示，讓用戶和戰(zhàn)場工程設(shè)施的設(shè)計(jì)人員同時(shí)進(jìn)入虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中操作，檢驗(yàn)工程設(shè)計(jì)方案及其操作的合理性;五是將標(biāo)準(zhǔn)工作流程指南準(zhǔn)確地顯示給建設(shè)施工單位，大幅提高戰(zhàn)場工程設(shè)施建設(shè)的效率。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在諸如飛行器的研制與開發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用

戰(zhàn)場環(huán)境增強(qiáng)顯示將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于戰(zhàn)場環(huán)境顯示，主要是通過在真實(shí)環(huán)境中融合虛擬物體，不僅能向戰(zhàn)場工程設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工人員顯示真實(shí)的場景，而且還能夠通過增加虛擬物體，強(qiáng)調(diào)肉眼無法看見的環(huán)境信息，進(jìn)而增強(qiáng)真實(shí)場景的顯示，真正實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場工程設(shè)施信息和建設(shè)、維護(hù)過程的可視化。在飛行員座艙的前方玻璃上或者頭盔顯示器上，可將矢量圖形疊加到飛行員的視野中，不僅能向飛行員提供導(dǎo)航信息，還提供了包括敵方隱藏力量的增強(qiáng)戰(zhàn)場信息。此外，可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行方位的識(shí)別，獲得實(shí)時(shí)所在地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)等重要軍事數(shù)據(jù)。

戰(zhàn)場建設(shè)現(xiàn)場控制將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于戰(zhàn)場建設(shè)的現(xiàn)場控制，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可使戰(zhàn)場建設(shè)管理人員實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場工程設(shè)施和施工隊(duì)伍的情況，可以及時(shí)做出管理決策。二是應(yīng)用于戰(zhàn)場網(wǎng)系中，可以使作戰(zhàn)人員同時(shí)觀看、討論戰(zhàn)場工程以及與虛擬場景交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場工程信息的高度共享。三是將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用于多用戶、多終端協(xié)同工作，可為各用戶、終端建立一個(gè)共享的、可理解的虛擬空間，允許各用戶、終端共享信息、實(shí)時(shí)交流互動(dòng)。

作戰(zhàn)人員訓(xùn)練演練將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于作戰(zhàn)人員訓(xùn)練中，有助于創(chuàng)新培訓(xùn)方法，加大訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化程度。應(yīng)用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠構(gòu)建一種極為逼真的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練環(huán)境，受訓(xùn)人員通過隨身攜帶的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅可以看到真實(shí)的訓(xùn)練場景，而且可以看到場景中增加的各種實(shí)戰(zhàn)化虛擬物體，從而實(shí)現(xiàn)對作戰(zhàn)人員的沉浸式訓(xùn)練，進(jìn)一步提升培訓(xùn)演練的實(shí)際效果。2014年，美軍展示了“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤”系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直觀反映戰(zhàn)場真實(shí)地形地貌，使作戰(zhàn)人員能身臨其境地了解作戰(zhàn)地形，這將對未來作戰(zhàn)演練、兵棋推演等產(chǎn)生重大影響。

戰(zhàn)場工程運(yùn)營維護(hù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于戰(zhàn)場工程設(shè)施的運(yùn)營維護(hù)中，主要通過在實(shí)際設(shè)備中添加各類維護(hù)輔助信息，可指導(dǎo)維護(hù)人員按步驟實(shí)施維護(hù)維修，能夠精確定位不直接可見的零部件，并將其可視化，從而確認(rèn)要進(jìn)行測試的零部件并進(jìn)行修理或替換，這不但能夠幫助維護(hù)人員迅速熟悉和掌握各種維修技術(shù)，同時(shí)也保證了整個(gè)維護(hù)維修過程的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，極大減少了維護(hù)人員的培訓(xùn)成本，降低了設(shè)備拆裝、保養(yǎng)、維修的難度，提高了維護(hù)維修保障效率，并且有助于技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的傳承。

結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在戰(zhàn)場上的各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)環(huán)節(jié)均能發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。要加大對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)力度，突破高性能軟件建模、內(nèi)容拍攝生成、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互、集成環(huán)境與工具等關(guān)鍵技術(shù)，研制虛擬顯示器件、光學(xué)器件、高性能真三維顯示器、開發(fā)引擎等產(chǎn)品，建立增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)體系。應(yīng)該看到，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還面臨諸多的挑戰(zhàn)，如對于大型物體尚沒有使用三維跟蹤技術(shù)的可靠方式，因而無法實(shí)現(xiàn)對大型戰(zhàn)場工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)圖像采集。包括圖形渲染、CAD模型以及用戶界面等，尤其是將海量紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，工作量非常大。對于這些困難問題，需要持續(xù)加大對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)力度與探索實(shí)踐，拿出系統(tǒng)解決方案，提升增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可靠性、實(shí)用性、適應(yīng)性，將來能夠更加有效地運(yùn)用到戰(zhàn)場上，發(fā)揮更大的作用。

責(zé)任編輯：張傳良