張海軍， 龍 尤， 耿云飛， 孫路通

（1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津大學(xué)微納制造實驗室， 天津 300072； 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所， 洛陽 471009； 3.光電控制技術(shù)重點實驗室， 洛陽 471009）

1 引言

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，出艙活動任務(wù)越來越復(fù)雜，出艙時間也越來越長，航天員需要完成維修、考察和探索性試驗等工作。 為同時滿足出艙活動和在軌生活的雙重需求，航天員操作程序的復(fù)雜度也越來越高，需要在平時訓(xùn)練和出艙活動中快速掌握操作過程。 頭盔顯示器作為一種近眼顯示設(shè)備，能夠?qū)⒑教靻T需要的信息直接顯示在其視野范圍內(nèi)，解放航天員雙手，進(jìn)而對航天員模擬訓(xùn)練和出艙活動提供幫助。

20 世紀(jì)80 年代，NASA 便對可安裝在航天服上的頭盔顯示器開展了相關(guān)研究，美國洛克希德工程與科學(xué)公司研究并交付給NASA 一套樣機，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，無法滿足低功耗需求，且安裝體積較大，給航天員頭部活動帶來限制，因此該方案并未正式應(yīng)用。 之后，包括ESA 在內(nèi)的多家國外航天機構(gòu)也對航天員頭盔顯示器開展了探索研究。

隨著近年太空出艙活動的增加，基于增強現(xiàn)實顯示技術(shù)的頭盔顯示器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)得到研究人員的重視。 朱秀慶等提出在未來星際航行和長期在軌任務(wù)中，由于通訊延遲和在軌時間延長的影響，地面指控系統(tǒng)對航天員的支持受到不同程度制約，需要提高航天員自主獲取信息支持的能力，而增強現(xiàn)實技術(shù)被認(rèn)為是解決這一問題的可行手段。

本文介紹了增強現(xiàn)實顯示技術(shù)的發(fā)展及類型，分析對比了袖口清單、身體顯示模塊和頭盔顯示器等艙外航天服顯示技術(shù)，對艙外航天服頭盔顯示器在未來的發(fā)展做出了展望。

2 增強現(xiàn)實顯示技術(shù)

2.1 技術(shù)簡介

增強現(xiàn)實顯示技術(shù)是隨著虛擬現(xiàn)實的發(fā)展而產(chǎn)生的，與傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實不同，增強現(xiàn)實顯示所呈現(xiàn)的環(huán)境主體是真實的，計算機產(chǎn)生的虛擬信息疊加于真實環(huán)境中，具有虛實融合、實時交互和輔助增強等特點，是對真實環(huán)境的一種補充和增強。 虛擬現(xiàn)實是一種完全浸入狀態(tài)，視覺甚至聽覺感知都來源于系統(tǒng)輸入，而增強現(xiàn)實可以保持使用者對真實環(huán)境的感知，因而具備更優(yōu)的感知優(yōu)勢。 增強現(xiàn)實顯示技術(shù)最早可追溯到20 世紀(jì)20 年代末，為了滿足當(dāng)時士兵們對作戰(zhàn)的需求，基于三點一線原理將槍械瞄準(zhǔn)鏡和小型槍械集成在士兵頭部，并通過嘴部進(jìn)行扳機發(fā)射，圖1（a）為其構(gòu)想圖，這也被認(rèn)為是現(xiàn)代增強現(xiàn)實頭戴顯示設(shè)備的雛形。 除了軍事領(lǐng)域外，增強現(xiàn)實顯示技術(shù)在裝配操作、設(shè)備維修、娛樂和民用航空等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景，如圖1（b）、（c）所示。

圖1 增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用Fig.1 Application of augmented reality technology

2.2 增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)類型

常見的增強現(xiàn)實顯示技術(shù)按照顯示方式的不同分為以下幾類：

1）護(hù)目鏡式。 增強現(xiàn)實型頭盔顯示器于20世紀(jì)60 年代首先出現(xiàn)在美國，軍用機載頭盔顯示器是增強現(xiàn)實顯示技術(shù)的典型應(yīng)用，近些年被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗機中，能夠為飛行員提供瞄準(zhǔn)顯示信息，是一種先進(jìn)、高效的機載瞄準(zhǔn)顯示設(shè)備，如圖2（a）所示。 其光學(xué)原理是利用準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，將飛行和武器瞄準(zhǔn)信息投影到頭盔護(hù)目鏡上，實現(xiàn)與外景疊加顯示。 由于具有觀察瞄準(zhǔn)范圍大、瞄準(zhǔn)迅速、增強現(xiàn)實顯示等優(yōu)點，越來越受到各國空軍的重視。 大量的模擬和飛行試驗表明，使用頭盔顯示器能大幅度減少導(dǎo)彈截獲目標(biāo)的時間，能提高飛行員態(tài)勢感知和全天候作戰(zhàn)能力，能顯著提高飛機的近距作戰(zhàn)效能。 這種機載頭盔顯示器目前絕大多數(shù)均采用護(hù)目鏡式投影結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。

圖2 頭盔顯示器及光路示意圖Fig.2 Helmet?mounted display and diagram of opti?cal system

2）半透半反棱鏡式。 早期初代的增強現(xiàn)實顯示器通過在人眼前放置一個半透半反棱鏡，使用微型投影儀發(fā)出圖像光束，經(jīng)過棱鏡反射至人眼，同時外部環(huán)境光可以通過半透的棱鏡折射后直接進(jìn)入到人眼，從而達(dá)到增強現(xiàn)實顯示的目的。Google Glass 采用的便是此類光學(xué)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 基于半透半反棱鏡的AR HMD 光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Optical system of AR HMD based on semi?transparent and semi?reflective prism

3）自由曲面棱鏡式。 為了進(jìn)一步減小光學(xué)系統(tǒng)體積并提高顯示質(zhì)量，1998 年Okuyama 等最早提出一種基于自由曲面的棱鏡式光學(xué)結(jié)構(gòu)。得益于自由曲面出眾的像差校正能力，實現(xiàn)了單片自由曲面元件產(chǎn)生4 個有效光學(xué)面的緊湊布局。 這種自由曲面棱鏡形式的光學(xué)系統(tǒng)也是當(dāng)今主流增強現(xiàn)實顯示設(shè)備中常用的一種類型，圖4是其光路示意圖。

圖4 自由曲面棱鏡光路示意圖Fig.4 Optical path of freeform prism

4）波導(dǎo)式。 除了以上傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)類型之外，還有一類應(yīng)用于增強現(xiàn)實顯示的顯示系統(tǒng)——波導(dǎo)式顯示系統(tǒng)，其基本原理如圖5 所示。 微型投影光機發(fā)出光束，從耦入?yún)^(qū)域耦合至波導(dǎo)板，并以全反射形式在其中傳播至耦出區(qū)域，最終投射至觀察者眼中。 其中，耦入耦出區(qū)域根據(jù)具體技術(shù)路線的不同可以采用反射鏡、棱鏡、表面浮雕光柵和體全息光柵等。 根據(jù)波導(dǎo)基底與耦合區(qū)實現(xiàn)方式的不同，波導(dǎo)顯示又分為幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)2 種類型。 幾何光波導(dǎo)原理簡單，且設(shè)計思路、制備技術(shù)均較為成熟明確，是目前市場增強現(xiàn)實波導(dǎo)顯示技術(shù)的主流之一。 衍射光波導(dǎo)更多依賴于光的衍射效應(yīng)，設(shè)計過程更為復(fù)雜，該技術(shù)需要具備更為成熟的微納加工制造與大批量制造技術(shù)，是近年來較為新型的技術(shù)之一，其成熟度相較于幾何光波導(dǎo)也存在一定差距。對比于傳統(tǒng)的幾何光學(xué)顯示，波導(dǎo)顯示可以做到更輕、更薄，體積更小。 但對比基于自由曲面的顯示系統(tǒng)，波導(dǎo)顯示在顯示畫面質(zhì)量上還有一定差距，且受限于材料和工藝的要求，制造成本高昂，良品率低，這使其在性能和大規(guī)模制造上存在一定差距。 表1 對以上幾種顯示方式進(jìn)行了總結(jié)與優(yōu)缺點比較。

圖5 波導(dǎo)式顯示系統(tǒng)Fig.5 Optical waveguide display system

表1 增強現(xiàn)實顯示方式對比Table 1 Comparison of augmented reality displays

隨著航天員艙內(nèi)外活動日益復(fù)雜，除了基本的太空行走，還涉及航天設(shè)備的維修以及以后的火星登陸等太空活動，按照目前的方式通常需要邊翻閱操作手冊邊進(jìn)行作業(yè)，這種方式效率低、容易出錯，對人員的能力素養(yǎng)和經(jīng)驗技巧要求較高，因此亟需一種新的顯示方案。 增強現(xiàn)實顯示技術(shù)被認(rèn)為是最具潛力的解決方案，增強現(xiàn)實顯示技術(shù)在現(xiàn)有顯示方式的基礎(chǔ)上將信息與真實外景疊加，極大地簡化了原有的操作方式。 憑借此優(yōu)勢可進(jìn)一步提升航天員太空作業(yè)時的效率和安全性。 增強現(xiàn)實型頭戴顯示設(shè)備是增強現(xiàn)實技術(shù)中產(chǎn)生時間早、發(fā)展速度快且適用范圍廣的一類典型應(yīng)用，當(dāng)今許多基于現(xiàn)實實景與虛擬信息相疊加的顯示都屬于增強現(xiàn)實頭戴顯示設(shè)備的范疇。

3 艙外航天服顯示技術(shù)

3.1 袖口清單

當(dāng)前航天員主要通過紙質(zhì)飛行手冊、電子手冊或與地面控制中心通話的方式獲得在軌任務(wù)操作指導(dǎo)信息。 前2 種方式使得航天員視線必須在操作設(shè)備和手冊之間來回切換，且至少有一只手翻頁，對于失重狀態(tài)下的航天員，這增加了身體的不穩(wěn)定性，也增加了眼和手的操作負(fù)擔(dān)，從而使工作效率降低；而通訊設(shè)備普遍存在通訊延遲，影響航天員的實時操作，以上方式均不能滿足復(fù)雜任務(wù)需求。

基于上述現(xiàn)狀，各國開展了相應(yīng)的研究工作，其中NASA 采用在航天服左臂上佩戴袖口清單，如圖6（a）所示，清單中攜帶相關(guān)操作信息。 但由于顯示信息有限，使用繁瑣，作用有限，同時還需要航天員手臂加以輔助才能顯示，不能實現(xiàn)信息顯示和工作同時進(jìn)行，限制了其應(yīng)用。 為了支持NASA 的下一代航天服開發(fā)工作，Honeywell 公司開發(fā)集成了OLED 的下一代手腕顯示器，如圖6（b）所示，但仍然沒有解決視野頻繁切換、觀察不便等問題。

圖6 袖口清單顯示設(shè)備Fig.6 Display device for cuff checklist

3.2 顯示控制模塊

顯示控制模塊（Display and Control Module，DCM）是一種可實現(xiàn)艙外航天服信息顯示的設(shè)備。 該裝置放置在航天員身體胸部前上方，含少量數(shù)字、字母信息，僅用于特定操作。 這種方式存在觀看角度不舒服、字體小、對比度低、透過頭盔罩遠(yuǎn)距離觀看外面的信息較難分辨、容易受到環(huán)境眩光影響等缺點，應(yīng)用也較受限，如圖7 所示。

圖7 顯示控制模塊［11］Fig.7 Display and Control Module （DCM）［11］

3.3 航天服頭盔顯示器

基于袖口清單、OLED 腕表、身體顯示控制模塊的固有缺陷，NASA 始終在尋找更優(yōu)的解決方案，并最終將目光鎖定在頭盔顯示器（Helmet?Mounted Display， HMD ） 上。 1984 ～1991 年，NASA 開展了多型航天服頭盔顯示器的研究，并完成了4 種頭盔顯示器原型樣機的研制，如圖8 所示。 但由于4 種方案均采用了艙外航天服盔體外部投影顯示方式，導(dǎo)致頭盔體積大、顯示易受外部極端環(huán)境影響等問題，這4 種設(shè)計最終未能實施應(yīng)用。 但通過研究認(rèn)為，頭盔顯示方式完全可以實現(xiàn)無需人手參與的信息顯示與控制，同時也對頭盔顯示器提出了如下需求：

圖8 早期HMD 樣機示意圖［12-14］Fig.8 Picture of early HMD prototype［12-14］

1）顯示：固定視角觀察；

2）圖像源：高分辨率彩色LCD；

3）圖像位置：相對水平視線45°上方；

4）分辨率：不小于640×480；

5）視場：不小于12°對角線；

6）成像距離：約0.9 m；

7）體積：小巧。

2001 年，Carr 等提出了一種將微型顯示系統(tǒng)安裝在普通眼鏡上，實現(xiàn)近眼顯示的方案，該方案整體功耗小于15 W，并考慮到純氧環(huán)境的安全性，提出了最大電流限制的要求，即在29.6 kPa氣壓下最大電流不可超過500 mA。 顯示方式為右目單目顯示，且整個顯示區(qū)域位于正常目視前方水平向上10°～20°的范圍內(nèi)，如圖9（a）所示。但是由于安裝在頭盔內(nèi)部靠近人眼的位置，使得頭部右轉(zhuǎn)方向受限。

2002 年，Hanmilton Sundstrand 公司的艙外航天服頭盔顯示器采用了Micro?Optical 公司640×480 分辨率的彩色VGA 顯示，視場為16°的眼鏡式顯示器，如圖9（b）所示。 顯示器位于頭盔內(nèi)部，可繞旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)不同航天員的眼位進(jìn)行環(huán)繞式旋轉(zhuǎn)，但因過于貼近眼睛部位，同樣存在對頭部轉(zhuǎn)動限制的問題。

圖9 顯示方案Fig.9 Display scheme

2004 年，NASA 聯(lián)合馬里蘭大學(xué)進(jìn)行了人機界面領(lǐng)域的研究，在I?Suit 航天服內(nèi)頭盔支架上安裝了一個頭盔顯示器，如圖10 所示。 該顯示器擁有640×480 的分辨率，其視場大小相當(dāng)于在距離人眼50 ～70 cm 的視野前方有一副17 in的顯示器。 相比眼鏡式不再需要佩戴，只有在需要時才去觀看，不影響正常的主視野。 NASA 對其進(jìn)行了測試和評價，試用者認(rèn)為頭盔顯示器顯示比袖口清單或者通過語音方式傳達(dá)信息更加有效，進(jìn)一步確認(rèn)了在未來艙外航天服上采用先進(jìn)信息系統(tǒng)的必要性。

圖10 I?Suit 頭盔顯示器［17］Fig.10 I?Suit helmet?mounted display［17］

2006 年，ESA 提出了一種單目頭戴顯示方案，采用OLED 為圖像源，10 mm 厚的聚碳酸酯自由曲面光學(xué)棱鏡作為中繼光學(xué)系統(tǒng)，如圖11 所示。 該系統(tǒng)視場為20°×14.5°（對角線視場約25°），分辨率為852×600，重量小于100 g，出瞳直徑為7 mm，眼距為30 mm，彩色顯示，亮度為400 cd／m。 這種方案顯示器距離人眼太近，且會影響前方視野，與輔助顯示而不影響正常觀察視角的需求存在矛盾。

圖11 ESA 設(shè)計的HMD 示意圖［1］Fig.11 Schematic diagram of HMD designed by ESA［1］

2010 年，NASA 重新啟動了艙外航天服頭盔顯示器的開發(fā)，提出了可供太空飛船駕駛艙使用的顯示器。 抬頭顯示器（Head up Display， HUD）和頭盔顯示器作為一類別被列入規(guī)劃中，如圖12所示。 NASA 并給出2 種顯示技術(shù)方案：①按照之前的設(shè)想，頭盔顯示器安裝在航天服內(nèi)，只負(fù)責(zé)顯示一些重要通知內(nèi)容，并且得益于技術(shù)的發(fā)展，此種方案的頭盔顯示器可以非常小巧，亦不會遮擋航天員正常使用時的視野；②將整個頭盔顯示器置于航天服面罩外，采用不可透視的顯示方式，此方案要求頭盔顯示器將包括通訊信息在內(nèi)的外景圖像同步顯示到航天員眼前。 第2 種方案更像是一種虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)，但無論哪種方案，NASA 特別強調(diào)未來頭盔顯示器將側(cè)重于登月活動探索時的操作。

圖12 NASA 對航天顯示器的規(guī)劃［18］Fig.12 NASA’s plan for displays［18］

2011 年，NASA 和Honeywell 聯(lián)合研發(fā)一套可以對航天服頭盔顯示器進(jìn)行測試的設(shè)備系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬太空環(huán)境，對包括頭盔顯示器的生命支持信息顯示、圖片顯示、視頻顯示和導(dǎo)航畫面信息顯示等功能進(jìn)行模擬測試，如圖13 所示，目的是進(jìn)一步推動在艙外活動上使用頭盔顯示器技術(shù)。 2013 年，NASA 提出開發(fā)的下一代航天服采用頭盔顯示器，將為航天員提供更加豐富的信息，使乘員更加自主。

圖13 HMD 測試平臺［19］Fig.13 Testbed platform for HMD［19］

2019 年，NASA 為了解決未來在月球上停留時間延長，提高航天員自主權(quán)的問題，通過了在未來航天服的頭盔中加入中眼距顯示（Heads?in Display， HID）的初步設(shè)計審查，明確了一種適用于航天服的顯示技術(shù)，以區(qū)別于近眼顯示和平視顯示。 2020 年，NASA 發(fā)布了航天員健康和艙外活動路線圖，其中明確了聯(lián)合增強現(xiàn)實視覺信息系統(tǒng)（Joint Augmented Reality Visual Informatics System， JARVIS）、頭盔顯示器和潛水員增強視覺設(shè)備等技術(shù)發(fā)展的需求。

中國在艙外航天服頭盔顯示器方面也開展了一些研究工作，第1 代艙外航天服采用了OLED微顯示器，并根據(jù)頭盔內(nèi)部空間布局設(shè)計了緊密貼合盔體包絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)。 姚麗坤等研究了一款應(yīng)用于艙外航天服的折反式單目頭盔顯示系統(tǒng)，可為航天員提供清晰的文字和圖像顯示，OLED 顯示分辨率為852×600，視場23°，出瞳距離為45 mm，出瞳直徑為10 mm，畸變4.87%，亮度≥150 cd／m，如圖14 所示。 該光學(xué)系統(tǒng)布置在航天員右目的前上方，航天員通過右眼觀察光學(xué)系統(tǒng)投射的顯示畫面，需要觀察時微微抬起頭部即可，不需要觀察時可以平視外面罩。

圖14 裝配效果圖［23］Fig.14 Diagram of mounted effect［23］

為了適應(yīng)未來更加復(fù)雜和繁重的太空任務(wù)需求，需要新技術(shù)來支持和優(yōu)化航天員工作，特別是開發(fā)新的信息顯示系統(tǒng)，改善上述航天服頭盔顯示器存在的缺點和問題，提高航天員在太空中的工作能力。 表2 是當(dāng)前艙外航天服顯示方式的優(yōu)缺點比較。

表2 艙外航天服顯示技術(shù)對比Table 2 Comparison of display technologies in EVA space suits

航天與航空許多技術(shù)同源，尤其是在顯示技術(shù)方面。 如圖15 所示，航天員身著航天服，戰(zhàn)斗機飛行員佩戴頭盔，航天服的面罩相當(dāng)于戰(zhàn)斗機飛行員的護(hù)目鏡，航天員大部分也是飛行員出身，可以快速適應(yīng)護(hù)目鏡頭盔顯示方式，同時航空頭盔顯示器是一種中眼距顯示系統(tǒng)，符合NASA 對頭盔顯示器的論證需求。 因此將航空頭盔顯示器技術(shù)應(yīng)用于艙外服顯示具備技術(shù)轉(zhuǎn)化潛力。

圖15 頭盔顯示器對比示意圖Fig.15 Comparison diagram of helmet?mounted display

4 小結(jié)

未來空間飛行在探索月球、火星或其他目標(biāo)的過程中通過頭盔顯示器提供彩色文字、圖片、視頻等信息，將具有更好的態(tài)勢感知能力和更直觀的顯示體驗。 為了滿足月球／火星人居艙、漫游車以及采礦作業(yè)等各種應(yīng)用需求，未來的頭盔顯示器將采用模塊化的設(shè)計思路，易拆卸安裝，實現(xiàn)便攜通用，從而減少發(fā)射總質(zhì)量，降低發(fā)射成本。 同時，為了使航天員長時間使用具備更好的人機工效體驗感，未來將繼續(xù)在顯示模塊小型化設(shè)計方面努力，使其存在于無形之中，實現(xiàn)對頭部任意轉(zhuǎn)動無妨礙。

增強現(xiàn)實型頭盔顯示器將是未來艙外航天服的關(guān)鍵部件，在載人航天工程中的太空維修、太空輔助顯示等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 眼鏡式顯示方案的顯示部件距離人眼太近，使得頭部轉(zhuǎn)動受限，同時還存在安全風(fēng)險，會分散主顯示或外目標(biāo)信息注意力。 基于航天服的面罩顯示是一種中眼距顯示方案，頭部轉(zhuǎn)動空間更大，安全性得到提升，是未來艙外航天服顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢。

航空機載頭盔顯示器與艙外航天服頭盔顯示器技術(shù)同源，通過技術(shù)移植可實現(xiàn)艙外航天服頭盔顯示器的快速研制，可為中國下一代載人航天工程實踐提供技術(shù)支撐。