國(guó)外增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

黃亮 柳吉齡 閆培新

近年來，以谷歌眼鏡和“圓窗裂痕”（Oculus Rift）頭戴式顯示器為代表的穿戴式設(shè)備吸引了公眾的廣泛注意。盡管尚處于開發(fā)階段，這些產(chǎn)品仍舊獲得了眾多用戶的期待。目前，各國(guó)已開始積極探索穿戴式設(shè)備在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，佩戴谷歌眼鏡的特種部隊(duì)能夠分享目標(biāo)建筑環(huán)境的360°全景合成視圖;又如使用“圓窗裂痕”頭戴式顯示器可獲得無人機(jī)傳來的超視距影像，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制及發(fā)射武器。

穿戴這類設(shè)備使人員具有“超人”能力，即能獲取和處理大量信息，甚至是獲得未見未知的歷史事件和信息的能力。獲得這種能力的技術(shù)，我們稱其為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

那么，何謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)？增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR：Augmented Reality）技術(shù)是一種將計(jì)算機(jī)生成的感知信息與物理現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行疊加的技術(shù)，以增加現(xiàn)實(shí)環(huán)境的元素信息，包括聲音、視頻、圖像和GPS數(shù)據(jù)等。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)（Mediated Reality）技術(shù)相關(guān)，后者主要基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)景象進(jìn)行修改（甚至可能是減弱，并非只有增強(qiáng)），前者則主要在于增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)的感知能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)通常是與環(huán)境相關(guān)的實(shí)時(shí)信息，例如電視播放體育賽事時(shí)的實(shí)時(shí)比分。基于先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（如計(jì)算機(jī)圖像和目標(biāo)識(shí)別），用戶周圍的環(huán)境信息變得具有交互性和數(shù)字可操作性。與環(huán)境和物體相關(guān)的虛擬化信息能夠疊加在真實(shí)世界之上。

增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備正在軍事領(lǐng)域中得到應(yīng)用

“我已經(jīng)用谷歌眼鏡把視頻錄制好了！”這句話揭示了谷歌眼鏡的本質(zhì)功能。

對(duì)于使用早期限量發(fā)售的探索者版谷歌眼鏡的嘗鮮者來說，這不僅僅是一部具有500萬像素的聲控視頻設(shè)備，還是一臺(tái)攝像機(jī)。這款智能眼鏡實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)內(nèi)置有處理器、存儲(chǔ)、藍(lán)牙和小型顯示屏的微型計(jì)算機(jī)，用戶可以使用它瀏覽郵件、文本信息以及來電信息，并通過眼鏡架腿上的觸摸板做出回應(yīng)，還能夠?qū)⒄Z音輸入轉(zhuǎn)換為文本信息。谷歌眼鏡的用戶可以從顯示屏上獲得投影信息，甚至可以通過谷歌（Google）網(wǎng)站將輸入語句翻譯成外語。

美國(guó)BMI公司是位于俄亥俄州哥倫布市的一家私人非盈利性的研發(fā)公司，公司基于谷歌眼鏡展示了一種“戰(zhàn)術(shù)級(jí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用”（TARA：Tactical AR Application）。TARA應(yīng)用基于視頻識(shí)別技術(shù)，為攜帶化學(xué)生物放射性檢測(cè)裝備的應(yīng)急人員提供對(duì)潛在有害物質(zhì)的評(píng)估。BMI公司的戴倫·沃爾夫解釋說：“該應(yīng)用能夠給予應(yīng)急人員不同顏色的指示信息，從而顯示當(dāng)前檢測(cè)設(shè)備對(duì)被測(cè)試劑是否有效?！惫雀柩坨R的顯示屏能夠列出對(duì)危險(xiǎn)品、爆炸物和大規(guī)模殺傷性武器的處置備忘錄。

在執(zhí)法行動(dòng)中，谷歌眼鏡采集的視頻影像能夠被面部識(shí)別軟件處理，再結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)庫信息分辨出嫌疑人。

“戰(zhàn)術(shù)級(jí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用”可以與“圓窗裂痕”虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備一起作為沉浸式訓(xùn)練環(huán)境的一部分。基于內(nèi)置的頭部傳感器和一對(duì)手持傳感器，受訓(xùn)人員可以與危險(xiǎn)品、爆炸物和大規(guī)模殺傷性武器訓(xùn)練場(chǎng)景中的虛擬目標(biāo)進(jìn)行交互。

在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室，一名少尉正在演示谷歌眼鏡的用途

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）已經(jīng)在探索將谷歌眼鏡用于空降救援和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)控制的前景，該計(jì)劃被命名為“蝙蝠俠 II”。正是由于谷歌眼鏡具有質(zhì)量輕、造價(jià)低和內(nèi)置大量傳感器的優(yōu)勢(shì)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室考慮用它來替代現(xiàn)有平臺(tái)?；诠雀柩坨R，戰(zhàn)術(shù)控制人員可以通過對(duì)目標(biāo)的注視來為攻擊機(jī)指示目標(biāo)。同時(shí)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研究使用谷歌眼鏡協(xié)助空降救援人員實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)程傳感器的傷員生命體征監(jiān)測(cè)和醫(yī)療信息傳輸，該應(yīng)用將有助于確定哪些傷病人員急需救治。

BAE系統(tǒng)公司開發(fā)了一款類似谷歌眼鏡的頭戴式顯示設(shè)備（HMD），該設(shè)備采用單目顯示方式，用于單兵的版本稱為Q-WARRIOR。其能夠提升單兵的態(tài)勢(shì)感知能力，同時(shí)還能夠通過疊加的數(shù)據(jù)和視頻為單兵提供情報(bào)信息。該設(shè)備的主要特點(diǎn)是：具有增強(qiáng)型的夜間成像和規(guī)劃路徑能力，能夠識(shí)別敵方兵力、追蹤人員和設(shè)備，支持小組協(xié)同行動(dòng)。BAE系統(tǒng)公司的該項(xiàng)技術(shù)將首先應(yīng)用于包括偵察與反恐在內(nèi)的特殊軍事行動(dòng)中。BAE系統(tǒng)公司的士兵系統(tǒng)項(xiàng)目主管保羅·懷特認(rèn)為此裝備的最大需求也恰恰來源于最早采用態(tài)勢(shì)感知技術(shù)時(shí)所提出的優(yōu)勢(shì)和需求。

美國(guó)海軍研究局也與眼鏡生產(chǎn)廠商Vuzix公司和頭戴式顯示設(shè)備（HUD）制造商Six15科技公司合作，研制類似于谷歌眼鏡且可與標(biāo)準(zhǔn)軍用護(hù)目鏡集成的設(shè)備。美國(guó)海軍正計(jì)劃將這款頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備用于軍事訓(xùn)練。受訓(xùn)士兵可以通過該設(shè)備在其視野內(nèi)增加虛擬角色、目標(biāo)和各種特效等。

美國(guó)陸軍作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室基于智能手機(jī)開發(fā)了手持式“態(tài)勢(shì)感知工具”，以便士兵能夠獲得地面機(jī)器人和空中無人機(jī)傳輸?shù)囊曨l信息?；跓o線網(wǎng)連接戰(zhàn)術(shù)機(jī)器人或者小型無人機(jī)控制系統(tǒng)，分隊(duì)指揮官態(tài)勢(shì)感知工具可將視頻實(shí)時(shí)傳輸給班排指揮員，使他們部分取代傳統(tǒng)的無線電方式來發(fā)送請(qǐng)求和接收指令。

谷歌公司以及其他一些研究機(jī)構(gòu)正在致力于研究仿生“智能透鏡”——通過微電子元件與透鏡關(guān)聯(lián)。菲尼爾透鏡可以將影像聚焦到用戶的視網(wǎng)膜上，影像由發(fā)光二極管生成，整個(gè)系統(tǒng)由射頻天線和集成電路傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行供電。

2014年早些時(shí)候，Oculus公司發(fā)布了新一代開發(fā)者工具包DK2。DK2使用有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器來解決運(yùn)動(dòng)圖像模糊和顫抖的問題，每只眼睛對(duì)應(yīng)的顯示屏都具有960×1080的高分辨率。DK2還使用外置攝像機(jī)來支持六個(gè)自由度的頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤。

Vuzix公司與Six15科技公司合作研發(fā)的頭盔式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝備用于軍事訓(xùn)練，受訓(xùn)士兵可以通過該設(shè)備在其視野內(nèi)增加虛擬角色、目標(biāo)和各種特效等，可極大提高訓(xùn)練水平，節(jié)約訓(xùn)練成本

隨后，Oculus公司在同年9月份發(fā)布了一款質(zhì)量更輕的樣機(jī)——“月牙灣”（Crescent Bay），該產(chǎn)品配置了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤的攝像頭，使頭部運(yùn)動(dòng)不受約束。同時(shí)，“月牙灣”整合了耳麥，大大提升了用戶的沉浸感。

但是，曾就職于Quantum 3D公司的亨克·塞米內(nèi)克（Hank Semenec）發(fā)現(xiàn)Oculus公司采用的光學(xué)器件存在大量邊緣失真現(xiàn)象。仔細(xì)觀察Oculus的光學(xué)器件，就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在的透光度問題以及與彩色光譜相關(guān)的邊緣失真現(xiàn)象，使得為受訓(xùn)人員顯示的相關(guān)信息很快就變得無法識(shí)別。這款頭盔顯示器未來還需要改進(jìn)。

索尼公司也進(jìn)行了頭盔顯示器的研發(fā)，命名為“墨菲斯”計(jì)劃（Project Morpheus），與PlayStation 4 一起使用?！澳扑埂迸鋫淞艘粔K5英寸顯示屏，具有90°視角和1920×1080的高分辨率，內(nèi)置慣性傳感器，佩戴者只要轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，PlayStation的攝像頭就能夠準(zhǔn)確捕獲用戶的頭部朝向。

三星（Samsung）與Oculus公司合作完成Gear VR系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Galaxy Note 4智能手機(jī)作為顯示器——手機(jī)安裝在Gear VR的前面，作為Gear VR的顯示器，能夠與Gear VR的眼鏡完全吻合。

谷歌公司發(fā)布了一款用于游戲的頭盔顯示器，名為Google Cardboard。該系統(tǒng)使用玩家自己的智能手機(jī)。更為有特色的是谷歌的“探戈”（Tango）項(xiàng)目，它不可思議地將3D空間感知和視覺技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)中。其核心是一塊由Movidius公司生產(chǎn)的Myriad 1 視覺處理器，芯片僅需要幾百毫瓦的電量，具有超萬億次處理能力。谷歌“探戈”手機(jī)還集成了體感虛擬傳感器，能夠?qū)κ謾C(jī)周圍的環(huán)境進(jìn)行掃描。

SGIL公司的VisTA系統(tǒng)可用于多種虛擬環(huán)境下的訓(xùn)練，集成了單人/多人、戰(zhàn)術(shù)突擊、決策判定和態(tài)勢(shì)感知訓(xùn)練。

顯然，以訓(xùn)練服務(wù)為目標(biāo)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)軍事訓(xùn)練尤其有效，使士兵能夠提高對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力以及面對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)如何應(yīng)對(duì)與處置的能力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)能夠使士兵在沒有傷亡風(fēng)險(xiǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)上述軍事訓(xùn)練的目標(biāo)。通過對(duì)特定場(chǎng)景的重現(xiàn)（例如與敵人戰(zhàn)斗的場(chǎng)景），使受訓(xùn)人員擁有身臨其境的體驗(yàn)，而且不存在真實(shí)環(huán)境中的任何風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)訓(xùn)練方法相比，更加安全經(jīng)濟(jì)。

虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練需要借助于頭戴式顯示器（HMD）完成，頭戴式顯示器內(nèi)置運(yùn)動(dòng)追蹤和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用者能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

空中控制員正在使用Oculus公司的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備。沉浸式的頭部裝置可有效為人員提供相關(guān)訓(xùn)練

訓(xùn)練中，士兵和其他相關(guān)人員配備虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，該眼鏡能夠產(chǎn)生虛擬3D影像，而且在全體參與人員之間共享。但是，需要強(qiáng)調(diào)的是虛擬現(xiàn)實(shí)只能作為輔助設(shè)備使用，并不能完全替代真實(shí)訓(xùn)練。

虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)斗仿真利用虛擬化環(huán)境，對(duì)新兵進(jìn)行必備技能和技術(shù)的訓(xùn)練。新兵配備虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡或者具有追蹤系統(tǒng)的頭戴式顯示器，在這樣一種3D虛擬化環(huán)境中進(jìn)行科目訓(xùn)練。

虛擬現(xiàn)實(shí)還可用來治療創(chuàng)傷后精神失調(diào)（PRSD）。對(duì)于遭受戰(zhàn)場(chǎng)創(chuàng)傷和心理創(chuàng)傷的傷員，醫(yī)護(hù)人員可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一個(gè)安全的環(huán)境下學(xué)習(xí)如何治療和處置這些病癥，使傷員能夠面對(duì)那些具有刺激性的環(huán)境和條件，使他們逐步調(diào)整和適應(yīng)這些外來的精神刺激。該方法在緩解傷病員傷痛以及適應(yīng)新環(huán)境方面明顯有效。

虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用形式和應(yīng)用場(chǎng)景多種多樣，例如游戲和大規(guī)模虛擬化環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)游戲近年來逐漸流行起來，新兵也被要求基于這些游戲來學(xué)習(xí)提升戰(zhàn)斗技巧和技術(shù)。而且，新兵入伍前也經(jīng)常在閑暇時(shí)間玩類似的視頻游戲，因此對(duì)于這些游戲的操作和使用非常熟悉。這些游戲還可以用來作為新兵入門培訓(xùn)的一部分，幫助他們熟悉和適應(yīng)軍隊(duì)生活。考慮到如今的年輕人能夠很快掌握這些游戲和技術(shù)并被其吸引，虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練也因此被用來作為新兵招募的噱頭，并計(jì)劃在士兵的整個(gè)軍旅生涯中進(jìn)行推廣。

用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具有沉浸感，會(huì)認(rèn)為自己完全處于這個(gè)虛擬世界中，并成為其中一部分。用戶還能夠通過多種方式與環(huán)境交互，換句話說，良好的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)使用戶更加集中于在虛擬環(huán)境中的存在感，而對(duì)周圍的真實(shí)存在渾然不知。

增強(qiáng)/ 虛擬現(xiàn)實(shí)圖景，計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界展現(xiàn)在訓(xùn)練者眼前，使受訓(xùn)者更加沉浸于虛擬環(huán)境中的存在感

如果模擬所有場(chǎng)景，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境需要大量信息和數(shù)據(jù)。在所有傳感器模擬要素中，大多數(shù)虛擬環(huán)境技術(shù)和應(yīng)用都優(yōu)先考慮視覺和聽覺組件的影響，但是越來越多的科學(xué)家和工程師也在考慮通過觸摸系統(tǒng)將用戶的觸覺集成進(jìn)來。

為了獲得良好的沉浸感，虛擬世界中出現(xiàn)的物體大小應(yīng)該和真實(shí)環(huán)境中保持一致，并能夠無縫地進(jìn)行視角轉(zhuǎn)換。如果在一個(gè)虛擬環(huán)境中的房子中央僅有一個(gè)基臺(tái)，那么用戶應(yīng)能夠從任何角度觀察基臺(tái)，并且視圖可以隨著用戶所處位置和視角的變化而變化。真正的沉浸感能夠使用戶忘記所處的真實(shí)環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研發(fā)人員需要找到對(duì)用戶來說最為自然的信息輸入方式。

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性還包括對(duì)虛擬環(huán)境的更改。好的虛擬環(huán)境（VE）能根據(jù)用戶的行為動(dòng)作產(chǎn)生正確的響應(yīng)，如果虛擬環(huán)境的變化出乎意料，就會(huì)破壞用戶的現(xiàn)場(chǎng)感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)軍事領(lǐng)域的支持由來已久，訓(xùn)練包括從車輛模擬到班組作戰(zhàn)的所有項(xiàng)目?？傊鄬?duì)其他訓(xùn)練方式，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)更安全，而且從長(zhǎng)期來看也更經(jīng)濟(jì)。事實(shí)證明，經(jīng)過充分的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的士兵也會(huì)很出色。

虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)在于：如何開發(fā)出更加優(yōu)秀的行為動(dòng)作跟蹤系統(tǒng)，如何探索出虛擬現(xiàn)實(shí)中用戶交互的更加自然的方式，以及如何縮短構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)的耗時(shí)。

當(dāng)前創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)需要很長(zhǎng)時(shí)間。許多系統(tǒng)依賴的硬件設(shè)施對(duì)用戶及其選擇造成了限制和束縛。缺少精心設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備，將會(huì)影響用戶的平衡感和距離感，甚至使用戶患上3D眩暈癥（cyber-sickness），出現(xiàn)包括惡心和迷失方向感等癥狀。一些心理學(xué)家關(guān)注沉溺于虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)用戶心理產(chǎn)生的影響，他們認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致用戶感覺遲鈍，或沉迷網(wǎng)絡(luò)成癮。

如今使用最新技術(shù)的圖形顯卡具有很強(qiáng)的處理能力。這也使得即使使用便攜計(jì)算機(jī)也可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，滿足許多軍事領(lǐng)域的虛擬化和仿真需求。但是用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的浸入式等級(jí)的需求也各不相同，需根據(jù)用戶需求靈活分級(jí)設(shè)定。

作戰(zhàn)人員借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高戰(zhàn)斗力已有目共睹，有些技術(shù)已經(jīng)在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，有些正在開發(fā)之中。

當(dāng)前，在實(shí)現(xiàn)完全的網(wǎng)絡(luò)化的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境之前，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)能夠基于最先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來協(xié)助完成士兵訓(xùn)練。未來，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)在軍事領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

編輯/劉蘭芳