增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用探析

劉會英，杜 英

（裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用探析

劉會英，杜 英

（裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

文章針對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用問題展開研究。首先闡述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)概念；然后分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于模擬訓(xùn)練的優(yōu)勢；總結(jié)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)以及其在軍事模擬訓(xùn)練中的典型應(yīng)用案例；最后，展望了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事模擬訓(xùn)練的應(yīng)用趨勢及未來亟需解決的問題。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；模擬訓(xùn)練；虛實(shí)融合

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界畫面上“疊加”虛擬信息，以提升人類對真實(shí)世界的感知能力，相比追求虛擬世界沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，有著更廣泛的應(yīng)用潛力和可延展性，在諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。

模擬訓(xùn)練以其安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可多次重復(fù)、不受氣候和時空限制等特點(diǎn)，日益受到各國軍隊(duì)的高度重視。未來的戰(zhàn)場將是陸?？斩嗑S一體的數(shù)字化戰(zhàn)場?；跀?shù)字技術(shù)驅(qū)動的AR技術(shù)，無論是可靠性，還是虛實(shí)融合、實(shí)時交互等特點(diǎn)，對于軍事模擬訓(xùn)練都具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[1]。對于威脅、費(fèi)用昂貴的訓(xùn)練項(xiàng)目，基于AR技術(shù)將復(fù)雜的軍事環(huán)境進(jìn)行模擬、增強(qiáng)，進(jìn)而提高軍事模擬訓(xùn)練的效率、降低訓(xùn)練成本。

1 AR與模擬訓(xùn)練

1.1 AR相關(guān)概念

AR技術(shù)是一種利用投影將真實(shí)環(huán)境和虛擬世界進(jìn)行“無縫”集成的新技術(shù)。它將人類原本無法在現(xiàn)實(shí)世界一定時空范圍內(nèi)體驗(yàn)到的感官信息，通過信息處理技術(shù)進(jìn)行模擬仿真后，再實(shí)時疊加在現(xiàn)實(shí)世界中，使其被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

1.2 AR技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 虛實(shí)同步，可實(shí)時獲取并顯示戰(zhàn)場態(tài)勢

基于AR技術(shù)，可將傳統(tǒng)態(tài)勢信息以圖形化形式進(jìn)行直觀顯示，并以虛擬圖像形式自然疊加在受訓(xùn)人員的視野中，就像態(tài)勢信息可以直接“看到”一般，而且“看到”的信息還是經(jīng)過充分優(yōu)化和處理后的有價值信息，提供高效的戰(zhàn)場輔助決策支持。

1.2.2 虛實(shí)融合，可構(gòu)建逼真模擬訓(xùn)練環(huán)境

逼真的訓(xùn)練環(huán)境是提升模擬訓(xùn)練軍事效益的關(guān)鍵。AR技術(shù)可為受訓(xùn)人員提供真實(shí)環(huán)境下的沉浸式訓(xùn)練環(huán)境，可以將訓(xùn)練中需要但不具備的戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建出來，并將其融合到實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中，再通過顯示設(shè)備實(shí)時呈現(xiàn)給受訓(xùn)者，其真實(shí)程度是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真所不可比擬的[2]。

1.2.3 交互自然，可提升指揮控制的實(shí)時交互效率

基于AR技術(shù)，受訓(xùn)人員可以使用手部動作與手勢控制所讀出的3D模型移動旋轉(zhuǎn)，以及通過語音、眼動、體感等更多的方式來進(jìn)行信息的交互。將AR技術(shù)和指揮控制、情報獲取等結(jié)合在一起，有利于指揮意圖的直觀表達(dá)、替身指揮控制的有效性，從而提升整體參訓(xùn)部隊(duì)的戰(zhàn)斗力[3]。

2 AR關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維跟蹤注冊

三維注冊技術(shù)一般可分為基于硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)視覺兩類?；谟布O(shè)備的注冊技術(shù)主要是通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS，電磁，光學(xué)或超聲波位置跟蹤器等硬件傳感器來進(jìn)行位置追蹤。該注冊技術(shù)特點(diǎn)是速度比較快，但相應(yīng)的注冊精度不是很高；基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)視覺獲取真實(shí)場景的信息后，通過圖像處理技術(shù)來進(jìn)行真實(shí)場景的識別、定位及跟蹤。特點(diǎn)是精度較高，但計(jì)算量非常大，而且算法復(fù)雜，對系統(tǒng)配置要求非常高。

2.2 虛實(shí)融合顯示

AR的顯示技術(shù)包括3種類型：頭戴式顯示、手持顯示以及投影顯示。

（1）頭戴式顯示技術(shù)。按照工作原理可以分為光學(xué)透視式和視頻透視式兩種。光學(xué)透視技術(shù)通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息和通過透鏡直接看到的現(xiàn)實(shí)場景兩者匯聚到人眼的視網(wǎng)膜上實(shí)現(xiàn)AR效果。而視頻透視技術(shù)是借助安裝頭顯上的攝像頭來捕捉獲取外部真實(shí)環(huán)境，計(jì)算機(jī)將數(shù)字模擬信息疊加到攝像機(jī)的視頻信號上，再將真實(shí)場景和虛擬場景進(jìn)行融合[4]。

（2）手持顯示技術(shù)是指利用智能手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備屏幕作為窗口或放大器來顯示虛擬信息。具有較高的便攜性以及可觸控性，人機(jī)交互很方便[5]。

（3）投影式顯示是將生成的虛擬對象信息直接投影到需要融合的真實(shí)場景中的一種增強(qiáng)顯示技術(shù)。

2.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互主要實(shí)現(xiàn)用戶在真實(shí)環(huán)境中和虛擬物體的自然交互。目前，典型的人機(jī)交互方式主要有3種：外接設(shè)備交互、特定標(biāo)志交互以及徒手交互。

3 AR技術(shù)的典型應(yīng)用

3.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔Q-Warrior

Q-Warrior是一款由英國航空系統(tǒng)公司的電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)工程師研發(fā)的可穿戴軍用頭盔。其配備一塊低功耗的顯示屏，能夠?yàn)槭苡?xùn)人員提供高清晰的實(shí)時圖像傳輸，受訓(xùn)人員可以直觀看到所需信息，同時不會影響對現(xiàn)實(shí)世界的觀察。其主要亮點(diǎn)是可將路徑點(diǎn)、興趣點(diǎn)和目標(biāo)信息疊加呈現(xiàn)在穿戴者的前方視線區(qū)上；為受訓(xùn)者呈現(xiàn)字符、警告、威脅等信息，從而增強(qiáng)他們的情境意識并提高追蹤人員和資源的能力。

3.2 AR實(shí)景射擊游戲

“Father.io”是一款由著名游戲開發(fā)商Proxy42研發(fā)的AR射擊手游。該游戲采用AR和基于位置的GPS技術(shù)。游戲中，玩家的手機(jī)將會化身成為一把武器（槍），通過特定的手勢進(jìn)行操作。玩家可以和朋友或者路人一起組隊(duì)，分成敵我陣營，然后在真實(shí)場地中進(jìn)行游戲。游戲場所并不固定，游戲者可以在街道、巷弄甚至辦公室開展一場逼真的“生死槍戰(zhàn)”。

3.3 AR電子沙盤

2014年，美軍推出了一項(xiàng)名為“AR沙盤”的新技術(shù)，將普通沙盤變成真實(shí)的3D戰(zhàn)場空間地圖。該沙盤原理是利用傳感器掃描一個與微軟Kinect游戲機(jī)相連的沙盤，然后將真實(shí)地形照片投影在上面，同時可對改變沙盤態(tài)勢的動作進(jìn)行實(shí)時反饋。有專家稱，AR沙盤技術(shù)未來或?qū)⒁l(fā)指揮方式的革命。AR沙盤可以利用戰(zhàn)場反饋信息，實(shí)時生成動態(tài)變化的戰(zhàn)場環(huán)境。指揮官可通過安裝參演官兵、裝備身上的傳感器，實(shí)時跟蹤了解人員和裝備動態(tài)，并可根據(jù)戰(zhàn)場情況，用手勢移動地圖上的各種圖標(biāo)，從而改變沙盤態(tài)勢。因此，有人將這種演練比喻為指揮官的“即時戰(zhàn)略游戲”。

3.4 基于AR的武器維修

在復(fù)雜武器裝備的維修上，AR技術(shù)也能發(fā)揮巨大的作用。AR系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時交互的特征，可為維修人員提供一個虛擬信息輔助引導(dǎo)與實(shí)物操作同步結(jié)合的操作環(huán)境。

例如，美國洛馬公司使用基于愛普生智能眼鏡的AR平臺進(jìn)行F-22和F-35的維修?；谠撓到y(tǒng)，檢測員能夠通過眼鏡看到投影于戰(zhàn)斗機(jī)上的零件編號和計(jì)劃，在飛機(jī)旁邊就可以記錄要修理的區(qū)域，減少操作錯誤。同時，分析并集成來自每架戰(zhàn)斗機(jī)的信息，以實(shí)施故障預(yù)測與維護(hù)規(guī)劃。該AR平臺能夠讓機(jī)械師的工作速度提高30%，操作精度上升96%。

4 未來應(yīng)用趨勢及展望

AR作為下一代的計(jì)算平臺，近兩年已迅速延展到廣泛的民用領(lǐng)域，但其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用卻已有數(shù)十年之久。隨著技術(shù)的完善，各國都在加大力度將AR技術(shù)引入軍事，提升自身在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中的優(yōu)勢。

未來，AR必將深度融入軍事模擬訓(xùn)練領(lǐng)域。但是，目前AR的推廣還將面臨一系列的問題。從核心技術(shù)上看，仍然面臨跟蹤定位技術(shù)（含計(jì)算機(jī)技術(shù)）尚未成熟、用戶交互方式單一、圖像渲染及數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問題；從產(chǎn)品應(yīng)用上看，存在設(shè)備復(fù)雜笨重、價格昂貴、通用性差、應(yīng)用創(chuàng)意不足等問題。

[1]郝沖，許有武，孫晉華.基地化訓(xùn)練中AR技術(shù)的應(yīng)用設(shè)想[J].國防信息學(xué)院學(xué)報，2012（2）：62-63.

[2]程委，廖學(xué)智，李智.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及其軍事應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007（12）：165-168.

[3]黃天智，王涌天，閆達(dá)遠(yuǎn).增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軍事應(yīng)用與前景展望[J].兵工學(xué)報，2006（6）：1043-1046.

[4]毛潭.移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的快速場景識別與注冊方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[5]孔祥.基于移動平臺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

Application of augmented reality technology

Liu Huiying, Du Ying
（Armored Force Institute, Bengbu 233050, China）

This paper studies the application of augmented reality in simulated training. Firstly, the concept of augmented reality is introduced. Then, the advantages and characteristics of augmented reality application in simulation training are discussed. The key technologies of augmented reality and its typical application cases in military simulation training are summarized. Finally, the application trend of augmented reality in military simulation training and the problems needed to be solved in the future are prospected.

augmented reality; simulation training; virtual-real fusion

劉會英（1984— ），男，湖北黃石人，講師，博士；研究方向：信息安全，圖像處理，模擬訓(xùn)練。