增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引發(fā)視覺革命

劉秉軍

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將現(xiàn)實(shí)世界的信息和虛擬信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，能把原本人類在現(xiàn)實(shí)中一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)難以感知的信息（視覺、聽覺、味覺、觸覺信息），通過模擬仿真后疊加，令其被人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越人類固有能力的感官體驗(yàn)。

近來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在優(yōu)化人類視覺方面的應(yīng)用取得了多項(xiàng)重要成果，正在引發(fā)一場(chǎng)備受關(guān)注的視覺革命。

方便日常使用的“夜視薄膜”

澳大利亞國(guó)立大學(xué)近日發(fā)布公報(bào)稱，該校科研人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種由納米晶體構(gòu)成的薄膜，可以讓人們?cè)诤诎抵锌辞迨挛铩?/p>

紅外成像技術(shù)在夜視儀、車輛導(dǎo)航和食品質(zhì)量控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的紅外成像技術(shù)需要使用特殊半導(dǎo)體材料，這種材料對(duì)熱量干擾非常敏感，通常需要冷卻，因此紅外成像設(shè)備普遍體積大、成本高。

微軟開發(fā)的HoloLens系統(tǒng)

澳大利亞與歐洲多國(guó)合作，利用半導(dǎo)體材料砷化鎵的晶體制成納米級(jí)厚度的薄膜。它能將目標(biāo)的紅外圖像與較強(qiáng)的泵浦光合成。泵浦指的是一種用光將電子從較低能級(jí)“泵”到較高能級(jí)的過程。經(jīng)過處理后，目標(biāo)圖像可以在薄膜中從低能量的紅外線圖像轉(zhuǎn)換為高能量的可見光圖像。

這項(xiàng)研究的主導(dǎo)者——澳大利亞國(guó)立大學(xué)的羅西奧·卡馬喬·莫拉萊斯博士表示，新開發(fā)的這種薄膜可以直接安裝在眼鏡上，起到“視覺增強(qiáng)器”的作用，將肉眼不可見的紅外線轉(zhuǎn)化為可以清晰看到的光學(xué)圖像，讓人們能在黑夜中看到遠(yuǎn)處的物體。

當(dāng)前的高端紅外成像設(shè)備普遍需要在低溫環(huán)境中才能工作，生產(chǎn)、維護(hù)和使用成本都較高。相比而言，納米晶體薄膜有輕便、室溫環(huán)境即能工作、成本低且易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，更方便人們?nèi)粘Ｊ褂谩?h3>“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”

在一些科幻電影和游戲中，有的士兵頭盔上加裝“抬頭顯示器”，有的“抬頭顯示器”則直接整合到頭盔中，讓士兵有能力獲取更多的戰(zhàn)場(chǎng)信息，在全天候條件下提升其在戰(zhàn)場(chǎng)上的行動(dòng)能力。

其實(shí)，這類增強(qiáng)視覺的裝備并非只存在于科幻作品中。各國(guó)軍方早在十幾年前就開始開發(fā)、試驗(yàn)這類裝備。預(yù)計(jì)今年底，這種“夢(mèng)幻裝備”就將配發(fā)給美軍使用。它名為“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”，在2018年進(jìn)入測(cè)試階段，旨在增強(qiáng)士兵的態(tài)勢(shì)感知能力。全套“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”包括整合式傳感器、“抬頭顯示器”、背負(fù)式微型計(jì)算機(jī)和“舒適穿戴式”電池。約10套該裝備可共用一部充電器。

“抬頭顯示器”的目鏡擁有橫向80度、縱向40度的視野，能顯示指南針、3D數(shù)字地圖，可實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，且在復(fù)雜的城鎮(zhèn)環(huán)境以及開闊的野外環(huán)境中都能運(yùn)作。整合式傳感器包含測(cè)距系統(tǒng)，使用者可隨時(shí)在3D數(shù)字地圖上標(biāo)出自己的位置，并分享給同伴，便于協(xié)同行動(dòng)。“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”通過加裝軟件，還可以實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、語(yǔ)言翻譯等功能。

在穿戴性上，“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”解決了以往的同類系統(tǒng)將重量集中于頭部的問題，除“抬頭顯示器”外，其余的組件和電池將重量分散到穿戴者身體的各個(gè)部位。特別是“舒適穿戴式”電池，被完美地集成到防護(hù)服中，既節(jié)省了空間，又能起到分散重量的作用。

在測(cè)試中，美軍斯特瑞克及布萊德利戰(zhàn)車部隊(duì)的機(jī)械化步兵體驗(yàn)了這種新系統(tǒng)。他們?cè)谝皯?zhàn)演習(xí)中切換各個(gè)角度進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)觀察，嘗試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電力管理，并測(cè)試了各項(xiàng)通信功能。

視覺增強(qiáng)系統(tǒng)提供的清晰畫面

視覺增強(qiáng)系統(tǒng)能直觀呈現(xiàn)各種信息

步兵們表示，穿戴這套系統(tǒng)并未影響他們的機(jī)動(dòng)能力，可以輕松地上下車。特別神奇的是，車載步兵通過“抬頭顯示器”即可獲得車外360度視野的概況，“就像親身踏出車外一樣”。這得益于傳感器的靈敏和高效。美軍中士巴特爾表示，在配備“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”之后，士兵們不需要冒險(xiǎn)下車，就能獲得較好的視野，并弄清戰(zhàn)場(chǎng)上的情況。

值得關(guān)注的是，“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”的應(yīng)用已開始向民用領(lǐng)域延伸。微軟公司與美國(guó)軍方建立合作，推動(dòng)該系統(tǒng)的民用化設(shè)計(jì)開發(fā)。

微軟公司此前開發(fā)的HoloLens“混合現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。該技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶游戲體驗(yàn)的真實(shí)感。

HoloLens是微軟開發(fā)的不受線纜限制的全息計(jì)算機(jī)設(shè)備，配備先進(jìn)的傳感器、頭戴式高清晰度3D光學(xué)全角度透鏡顯示器，以及環(huán)繞音效系統(tǒng)，能讓用戶通過眼神、語(yǔ)音和手勢(shì)等與數(shù)字內(nèi)容實(shí)現(xiàn)交互，并與周圍真實(shí)環(huán)境中的全息影像互動(dòng)。簡(jiǎn)言之，HoloLens“混合現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)能夠提供一種沉浸式游戲體驗(yàn)。

基于以上技術(shù)，微軟有能力將軍用“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”與HoloLens整合，從而大幅增強(qiáng)特殊人群的視覺，例如需要從事野外作業(yè)的工程技術(shù)人員、越野極限運(yùn)動(dòng)愛好者等等。

民用“集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)”將具備夜視功能;可將數(shù)據(jù)信息投射到設(shè)備穿戴者的視野中，增強(qiáng)其態(tài)勢(shì)感知能力;具備面部識(shí)別、語(yǔ)言翻譯以及導(dǎo)航功能;其內(nèi)置傳感器可與微型無(wú)人機(jī)相連，能讓使用者從無(wú)人機(jī)的視角進(jìn)行觀察;后方控制中心能通過該系統(tǒng)監(jiān)控野外作業(yè)者的狀態(tài)，包括疲勞程度以及體溫等。

汽車駕駛視覺增強(qiáng)系統(tǒng)

以色列BWV公司開發(fā)出一種汽車駕駛視覺增強(qiáng)系統(tǒng)，能夠在夜間、炫光中、雨天、隧道內(nèi)等各種不良環(huán)境條件下增強(qiáng)駕駛員的視覺。其具體功能包括：根據(jù)不同的光線條件，在不同的距離范圍內(nèi)（夜間最遠(yuǎn)可達(dá)250米），對(duì)所探測(cè)的物體實(shí)施多重圖像傳感器曝光，再聚合成單一圖像加以顯示，使駕駛員在夜間或弱光條件下能夠看清遠(yuǎn)方的物體;在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)被探測(cè)物周圍的雜波抑制，增強(qiáng)目標(biāo)探測(cè)算法的效果，剔除被探測(cè)物周圍的背景，使弱光下的被探測(cè)目標(biāo)更加清晰;在雨天等惡劣天氣條件下，或炫光等不良光線條件下，抑制空氣中的懸浮顆粒所導(dǎo)致的光線散射，使被探測(cè)物更加清晰。

BWV公司擁有一系列增強(qiáng)視覺和計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)的相關(guān)專利。除了汽車駕駛視覺增強(qiáng)系統(tǒng)，其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品還具有廣泛的用途，可應(yīng)用于礦業(yè)、海事、鐵路、社區(qū)攝像監(jiān)控等領(lǐng)域。

VR技術(shù)治療弱視癥

加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)科學(xué)教授弗蘭克·沃伯林指出，新興的 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)可以幫助視力障礙群體改善視覺感知能力。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款名為 IrisVision 的設(shè)備和相應(yīng)的 App。該設(shè)備對(duì)于佩戴者頭部的動(dòng)作會(huì)作出反應(yīng)——放大其所觀察的景象，實(shí)現(xiàn)“看清楚”的效果。

英國(guó)人詹姆斯·巴拉哈自幼患有弱視癥。他組建了 Vivid Vision 公司，借助VR技術(shù)為弱視癥患者提供視覺增強(qiáng)方案。

弱視癥的成因是兒童在成長(zhǎng)期間長(zhǎng)期缺失正常的視覺刺激，大腦最終放棄了部分視力功能，結(jié)果令視力衰退，喪失對(duì)視野縱深的感知能力。醫(yī)學(xué)界認(rèn)為，如果這個(gè)問題不在患者8歲之前解決，那么他們將無(wú)法恢復(fù)正常視力。但巴拉哈不這樣認(rèn)為。他的公司開發(fā)的頭戴式顯示器，綜合亮度、對(duì)比度等元素提升算法，為人眼提供可刺激大腦作出反應(yīng)的視覺信息，從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)視力的效果。該設(shè)備能夠幫助弱視癥患者恢復(fù) 90% 的視力。

英國(guó)SmartSpecs公司與巴拉哈展開合作，進(jìn)一步提升這款頭戴式顯示器的功能。巴拉哈表示：“技術(shù)的發(fā)展不應(yīng)該以拋棄一些人為代價(jià)，而是應(yīng)該讓所有人的世界都變得更美好?！?/p>

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com