增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR），是一種實(shí)時(shí)地計(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)，這種技術(shù)的目標(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)最早于1990年提出。隨著隨身電子產(chǎn)品運(yùn)算能力的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途越來(lái)越廣。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)顯示 模擬訓(xùn)練

1.引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興的研究方向。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早是由 美國(guó)航空航天局 （ N ASA ） 和軍事部門為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真提出 并開(kāi)發(fā)出 來(lái)的一項(xiàng)高技術(shù)， 首先用于駕駛員訓(xùn)練的軍事模擬器中，在武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí) 等方面發(fā)揮了 重大作用。目前虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)仍處于探索中，發(fā)展相當(dāng)緩慢。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)， 也稱混合現(xiàn)實(shí)是將真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象結(jié)合起來(lái)的一種技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的新特點(diǎn)。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要通過(guò)分析大量的定位數(shù)據(jù)和場(chǎng)景信息來(lái)保證計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體可以精確地定位在真實(shí)場(chǎng)景中。一般，真實(shí)場(chǎng)景由攝像機(jī)錄制， 攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)（ 焦距和透鏡的失真率） 和外部參數(shù)（ 位置和方向） 決定了哪一部分三維立體圖 像被投影到二維平面。 同時(shí)， 虛擬物體由 計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備在對(duì)象坐標(biāo)系中建模產(chǎn)生。 圖像系統(tǒng)需要真實(shí)場(chǎng)景中的相關(guān)圖像信息來(lái)控制產(chǎn)生虛擬物體的虛擬攝像機(jī)的方向。 最后虛擬圖像和真實(shí)圖像融合， 就形成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中一般都包含 4 個(gè)基本步驟：

（1） 獲取真實(shí)場(chǎng)景信息；

（2） 對(duì)真實(shí)場(chǎng)景和相機(jī)位置信息進(jìn)行分析；

（3） 生成虛擬景物；

（4） 合并視頻或直接顯示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括： 顯示技術(shù)、跟蹤與定位技術(shù)和交互技術(shù)。

2. 1 顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)多種設(shè)備來(lái)顯示虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景的疊加，目前最常用的就是光學(xué)式頭盔裝置和視頻式頭盔裝置光學(xué)式頭盔裝置 （ optical see through HMDs） 是把光學(xué)融合器放置在用戶眼前來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的。這些融合器是部分透光的，以便用戶可以通過(guò)它直接觀察真實(shí)世界；同時(shí)融合器也是部分反射的，以便由頭部監(jiān)視器投射到融合器上的虛擬物體的光再反射到用戶眼里，用戶就看到了融合有虛擬物體的真實(shí)世界。視頻式頭盔裝置（ video see through HMDs） 封閉了視線，它把一個(gè)封閉的視頻頭盔同一到兩個(gè)視頻攝像機(jī)結(jié)合在一起。視頻攝像機(jī)為用戶提供真實(shí)世界中的場(chǎng)景，場(chǎng)景合成器負(fù)責(zé)把攝像機(jī)視頻和虛擬圖像進(jìn)行合并。最后結(jié)果由位于封閉頭盔上的監(jiān)視器表現(xiàn)出來(lái)， 用戶便可以方便觀察到增強(qiáng)的真實(shí)世界。

2. 2 跟蹤與定位技術(shù)

由于要實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)物體完美結(jié)合， 必須將虛擬物體合并到現(xiàn)實(shí)世界中 的準(zhǔn)確 位置， 這個(gè)過(guò)程常稱為配準(zhǔn)（ registration） ， 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(cè)觀察者在場(chǎng)景中的位置、觀察者頭部的角度， 甚至是運(yùn)動(dòng)的方向， 以便用來(lái)幫助系統(tǒng)決定顯示何種虛擬物體， 并按照觀察者的視場(chǎng)重建坐標(biāo)系。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中， 最常用的是使用視頻檢測(cè)技術(shù)。視頻檢測(cè)就是使用模式識(shí)別技術(shù)（ 包括模板匹配、邊緣檢測(cè)等方法） 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)其偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。 用視頻檢測(cè)方法進(jìn)行定位不需要其他設(shè)備， 且定位精確。

2. 3 交互技術(shù)

目前許多研究人員在考慮用戶如何與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行交互， 如何有效地在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器上表現(xiàn)信息/與虛擬信息進(jìn)行交互是很困難的事。目前， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互手段研究有兩個(gè)趨勢(shì)： 使用不同的設(shè)備， 取各家之長(zhǎng)； 通過(guò)切實(shí)可行的界面， 使虛擬對(duì)象與自然界成為一個(gè)整體?，F(xiàn)在主要使用的交互方式有三種 ：

（1） 菜單： 多用于掌上電腦的應(yīng)用。

（2） 特殊標(biāo)記： 用于將特殊的標(biāo)記固定在用于交互的設(shè)備上。

（3） 特制工具： 一般外形簡(jiǎn)單、易于識(shí)別、并且通過(guò)按鍵可以觸發(fā)一些系統(tǒng)事件。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軍事應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)因?yàn)榫哂姓鎸?shí)世界和虛擬世界的融合性及實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)，使得其在未來(lái)陸/海、空、天多維一體的數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)上大有用武之地。 20 世紀(jì) 90年代初期，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這個(gè)名詞曾提出，美國(guó)就率先將其用于軍事領(lǐng)域。近幾年增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已進(jìn)入了軍事領(lǐng)域的多個(gè)方面，并開(kāi)始發(fā)揮其巨大作用。各國(guó)也都將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用列為高度軍事機(jī)密。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、軍事訓(xùn)練及作戰(zhàn)指揮等方面。

3.1 增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

部隊(duì)可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來(lái)增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，在真實(shí)環(huán)境中 融合虛擬物體，可以增強(qiáng)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景。向系統(tǒng)中輸入部隊(duì)的位置信息，系統(tǒng)不僅能向部隊(duì)顯示真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景，而且能夠通過(guò)增加虛擬物體強(qiáng)調(diào)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的環(huán)境信息以及敵方或己方的隱藏力量來(lái)增強(qiáng)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的顯示，真正實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)場(chǎng)信息的可視化。

3.2 軍事訓(xùn)練

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以為部隊(duì)的訓(xùn)練提供新方法， 通過(guò)增強(qiáng)的軍事訓(xùn) 練系統(tǒng)， 可以為軍事訓(xùn)練提供比實(shí)兵演習(xí)更加真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。士兵訓(xùn)練時(shí)通過(guò)隨身攜帶的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅可以看到真實(shí)的場(chǎng)景，而且可以觀察到場(chǎng)景中各種增加的虛擬物體，將軍事訓(xùn)練推向更加實(shí)戰(zhàn)化。

3.3 作戰(zhàn)指揮

戰(zhàn)場(chǎng)指揮員如何及時(shí)掌握瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)情況，一直是作戰(zhàn)指揮中的一大難題。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中，可以允許各級(jí)指揮員同時(shí)觀看、討論戰(zhàn)場(chǎng)以及與虛擬場(chǎng)景交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)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)意圖。通過(guò)增強(qiáng)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，指揮員能實(shí)時(shí)掌握各個(gè)作戰(zhàn)單元情況，有利于指揮員及時(shí)做出正確的作戰(zhàn)決策。例如，美國(guó) 海軍研究試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) （ BARS），它為城市戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的各級(jí)指揮官和士兵之間傳達(dá)三維戰(zhàn)術(shù)信息提供了一個(gè)實(shí)用平臺(tái)。

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作者簡(jiǎn)介：何忠海，男 ，籍貫：陜西西安，單位：陸軍邊海防學(xué)院，學(xué)歷：學(xué)士，研究方向：模擬仿真。