国外增强/虚拟现实技术发展现状

黄亮 柳吉龄 闫培新

近年来，以谷歌眼镜和“圆窗裂痕”（Oculus Rift）头戴式显示器为代表的穿戴式设备吸引了公众的广泛注意。尽管尚处于开发阶段，这些产品仍旧获得了众多用户的期待。目前，各国已开始积极探索穿戴式设备在现代军事领域的应用。例如，佩戴谷歌眼镜的特种部队能够分享目标建筑环境的360°全景合成视图;又如使用“圆窗裂痕”头戴式显示器可获得无人机传来的超视距影像，可实现对无人机的远程控制及发射武器。

穿戴这类设备使人员具有“超人”能力，即能获取和处理大量信息，甚至是获得未见未知的历史事件和信息的能力。获得这种能力的技术，我们称其为增强现实技术。

那么，何谓增强现实技术？增强现实（AR：Augmented Reality）技术是一种将计算机生成的感知信息与物理现实世界进行叠加的技术，以增加现实环境的元素信息，包括声音、视频、图像和GPS数据等。

增强现实技术与介导现实（Mediated Reality）技术相关，后者主要基于计算机技术对现实景象进行修改（甚至可能是减弱，并非只有增强），前者则主要在于增强对现实的感知能力。增强现实技术中对于现实世界的增强通常是与环境相关的实时信息，例如电视播放体育赛事时的实时比分。基于先进的增强现实技术（如计算机图像和目标识别），用户周围的环境信息变得具有交互性和数字可操作性。与环境和物体相关的虚拟化信息能够叠加在真实世界之上。

增强/虚拟现实技术设备正在军事领域中得到应用

“我已经用谷歌眼镜把视频录制好了！”这句话揭示了谷歌眼镜的本质功能。

对于使用早期限量发售的探索者版谷歌眼镜的尝鲜者来说，这不仅仅是一部具有500万像素的声控视频设备，还是一台摄像机。这款智能眼镜实质上是一台内置有处理器、存储、蓝牙和小型显示屏的微型计算机，用户可以使用它浏览邮件、文本信息以及来电信息，并通过眼镜架腿上的触摸板做出回应，还能够将语音输入转换为文本信息。谷歌眼镜的用户可以从显示屏上获得投影信息，甚至可以通过谷歌（Google）网站将输入语句翻译成外语。

美国BMI公司是位于俄亥俄州哥伦布市的一家私人非盈利性的研发公司，公司基于谷歌眼镜展示了一种“战术级增强现实应用”（TARA：Tactical AR Application）。TARA应用基于视频识别技术，为携带化学生物放射性检测装备的应急人员提供对潜在有害物质的评估。BMI公司的戴伦·沃尔夫解释说：“该应用能够给予应急人员不同颜色的指示信息，从而显示当前检测设备对被测试剂是否有效。”谷歌眼镜的显示屏能够列出对危险品、爆炸物和大规模杀伤性武器的处置备忘录。

在执法行动中，谷歌眼镜采集的视频影像能够被面部识别软件处理，再结合相关数据库信息分辨出嫌疑人。

“战术级增强现实应用”可以与“圆窗裂痕”虚拟现实头戴设备一起作为沉浸式训练环境的一部分。基于内置的头部传感器和一对手持传感器，受训人员可以与危险品、爆炸物和大规模杀伤性武器训练场景中的虚拟目标进行交互。

在美国空军研究实验室，一名少尉正在演示谷歌眼镜的用途

美国空军研究实验室（AFRL）已经在探索将谷歌眼镜用于空降救援和联合战术控制的前景，该计划被命名为“蝙蝠侠 II”。正是由于谷歌眼镜具有质量轻、造价低和内置大量传感器的优势，美国空军研究实验室考虑用它来替代现有平台。基于谷歌眼镜，战术控制人员可以通过对目标的注视来为攻击机指示目标。同时，美国空军研究实验室正在研究使用谷歌眼镜协助空降救援人员实现基于远程传感器的伤员生命体征监测和医疗信息传输，该应用将有助于确定哪些伤病人员急需救治。

BAE系统公司开发了一款类似谷歌眼镜的头戴式显示设备（HMD），该设备采用单目显示方式，用于单兵的版本称为Q-WARRIOR。其能够提升单兵的态势感知能力，同时还能够通过叠加的数据和视频为单兵提供情报信息。该设备的主要特点是：具有增强型的夜间成像和规划路径能力，能够识别敌方兵力、追踪人员和设备，支持小组协同行动。BAE系统公司的该项技术将首先应用于包括侦察与反恐在内的特殊军事行动中。BAE系统公司的士兵系统项目主管保罗·怀特认为此装备的最大需求也恰恰来源于最早采用态势感知技术时所提出的优势和需求。

美国海军研究局也与眼镜生产厂商Vuzix公司和头戴式显示设备（HUD）制造商Six15科技公司合作，研制类似于谷歌眼镜且可与标准军用护目镜集成的设备。美国海军正计划将这款头戴式增强现实显示设备用于军事训练。受训士兵可以通过该设备在其视野内增加虚拟角色、目标和各种特效等。

美国陆军作战实验室基于智能手机开发了手持式“态势感知工具”，以便士兵能够获得地面机器人和空中无人机传输的视频信息。基于无线网连接战术机器人或者小型无人机控制系统，分队指挥官态势感知工具可将视频实时传输给班排指挥员，使他们部分取代传统的无线电方式来发送请求和接收指令。

谷歌公司以及其他一些研究机构正在致力于研究仿生“智能透镜”——通过微电子元件与透镜关联。菲尼尔透镜可以将影像聚焦到用户的视网膜上，影像由发光二极管生成，整个系统由射频天线和集成电路传输的能量进行供电。

2014年早些时候，Oculus公司发布了新一代开发者工具包DK2。DK2使用有机发光二极管（OLED）显示器来解决运动图像模糊和颤抖的问题，每只眼睛对应的显示屏都具有960×1080的高分辨率。DK2还使用外置摄像机来支持六个自由度的头部运动跟踪。

Vuzix公司与Six15科技公司合作研发的头盔式增强现实显示装备用于军事训练，受训士兵可以通过该设备在其视野内增加虚拟角色、目标和各种特效等，可极大提高训练水平，节约训练成本

随后，Oculus公司在同年9月份发布了一款质量更轻的样机——“月牙湾”（Crescent Bay），该产品配置了一个能够实现全方位头部运动跟踪的摄像头，使头部运动不受约束。同时，“月牙湾”整合了耳麦，大大提升了用户的沉浸感。

但是，曾就职于Quantum 3D公司的亨克·塞米内克（Hank Semenec）发现Oculus公司采用的光学器件存在大量边缘失真现象。仔细观察Oculus的光学器件，就会发现存在的透光度问题以及与彩色光谱相关的边缘失真现象，使得为受训人员显示的相关信息很快就变得无法识别。这款头盔显示器未来还需要改进。

索尼公司也进行了头盔显示器的研发，命名为“墨菲斯”计划（Project Morpheus），与PlayStation 4 一起使用。“墨菲斯”配备了一块5英寸显示屏，具有90°视角和1920×1080的高分辨率，内置惯性传感器，佩戴者只要转动头部，PlayStation的摄像头就能够准确捕获用户的头部朝向。

三星（Samsung）与Oculus公司合作完成Gear VR系统，该系统使用Galaxy Note 4智能手机作为显示器——手机安装在Gear VR的前面，作为Gear VR的显示器，能够与Gear VR的眼镜完全吻合。

谷歌公司发布了一款用于游戏的头盔显示器，名为Google Cardboard。该系统使用玩家自己的智能手机。更为有特色的是谷歌的“探戈”（Tango）项目，它不可思议地将3D空间感知和视觉技术应用于手机中。其核心是一块由Movidius公司生产的Myriad 1 视觉处理器，芯片仅需要几百毫瓦的电量，具有超万亿次处理能力。谷歌“探戈”手机还集成了体感虚拟传感器，能够对手机周围的环境进行扫描。

SGIL公司的VisTA系统可用于多种虚拟环境下的训练，集成了单人/多人、战术突击、决策判定和态势感知训练。

显然，以训练服务为目标的虚拟现实技术对军事训练尤其有效，使士兵能够提高对战场态势的感知能力以及面对危险环境时如何应对与处置的能力。基于虚拟现实的仿真技术能够使士兵在没有伤亡风险的前提下实现上述军事训练的目标。通过对特定场景的重现（例如与敌人战斗的场景），使受训人员拥有身临其境的体验，而且不存在真实环境中的任何风险。与传统训练方法相比，更加安全经济。

虚拟现实训练需要借助于头戴式显示器（HMD）完成，头戴式显示器内置运动追踪和数据处理系统，使用者能够与虚拟环境进行交互。

空中控制员正在使用Oculus公司的增强现实设备。沉浸式的头部装置可有效为人员提供相关训练

训练中，士兵和其他相关人员配备虚拟现实眼镜，该眼镜能够产生虚拟3D影像，而且在全体参与人员之间共享。但是，需要强调的是虚拟现实只能作为辅助设备使用，并不能完全替代真实训练。

虚拟现实战斗仿真利用虚拟化环境，对新兵进行必备技能和技术的训练。新兵配备虚拟现实眼镜或者具有追踪系统的头戴式显示器，在这样一种3D虚拟化环境中进行科目训练。

虚拟现实还可用来治疗创伤后精神失调（PRSD）。对于遭受战场创伤和心理创伤的伤员，医护人员可以采用虚拟现实技术在一个安全的环境下学习如何治疗和处置这些病症，使伤员能够面对那些具有刺激性的环境和条件，使他们逐步调整和适应这些外来的精神刺激。该方法在缓解伤病员伤痛以及适应新环境方面明显有效。

虚拟现实的应用形式和应用场景多种多样，例如游戏和大规模虚拟化环境。虚拟现实游戏近年来逐渐流行起来，新兵也被要求基于这些游戏来学习提升战斗技巧和技术。而且，新兵入伍前也经常在闲暇时间玩类似的视频游戏，因此对于这些游戏的操作和使用非常熟悉。这些游戏还可以用来作为新兵入门培训的一部分，帮助他们熟悉和适应军队生活。考虑到如今的年轻人能够很快掌握这些游戏和技术并被其吸引，虚拟现实训练也因此被用来作为新兵招募的噱头，并计划在士兵的整个军旅生涯中进行推广。

用户在虚拟现实环境中具有沉浸感，会认为自己完全处于这个虚拟世界中，并成为其中一部分。用户还能够通过多种方式与环境交互，换句话说，良好的虚拟现实体验使用户更加集中于在虚拟环境中的存在感，而对周围的真实存在浑然不知。

增强/ 虚拟现实图景，计算机生成的虚拟世界展现在训练者眼前，使受训者更加沉浸于虚拟环境中的存在感

如果模拟所有场景，虚拟现实环境需要大量信息和数据。在所有传感器模拟要素中，大多数虚拟环境技术和应用都优先考虑视觉和听觉组件的影响，但是越来越多的科学家和工程师也在考虑通过触摸系统将用户的触觉集成进来。

为了获得良好的沉浸感，虚拟世界中出现的物体大小应该和真实环境中保持一致，并能够无缝地进行视角转换。如果在一个虚拟环境中的房子中央仅有一个基台，那么用户应能够从任何角度观察基台，并且视图可以随着用户所处位置和视角的变化而变化。真正的沉浸感能够使用户忘记所处的真实环境，为了实现这一目标，研发人员需要找到对用户来说最为自然的信息输入方式。

虚拟现实的交互性还包括对虚拟环境的更改。好的虚拟环境（VE）能根据用户的行为动作产生正确的响应，如果虚拟环境的变化出乎意料，就会破坏用户的现场感。

虚拟现实技术对军事领域的支持由来已久，训练包括从车辆模拟到班组作战的所有项目。总之，相对其他训练方式，虚拟现实系统更安全，而且从长期来看也更经济。事实证明，经过充分的虚拟现实训练的士兵也会很出色。

虚拟现实领域的最大挑战在于：如何开发出更加优秀的行为动作跟踪系统，如何探索出虚拟现实中用户交互的更加自然的方式，以及如何缩短构造虚拟现实的耗时。

当前创建虚拟现实需要很长时间。许多系统依赖的硬件设施对用户及其选择造成了限制和束缚。缺少精心设计的硬件设备，将会影响用户的平衡感和距离感，甚至使用户患上3D眩晕症（cyber-sickness），出现包括恶心和迷失方向感等症状。一些心理学家关注沉溺于虚拟现实对用户心理产生的影响，他们认为虚拟现实系统会导致用户感觉迟钝，或沉迷网络成瘾。

如今使用最新技术的图形显卡具有很强的处理能力。这也使得即使使用便携计算机也可以使用虚拟现实技术，满足许多军事领域的虚拟化和仿真需求。但是用户对虚拟现实的浸入式等级的需求也各不相同，需根据用户需求灵活分级设定。

作战人员借助增强现实技术提高战斗力已有目共睹，有些技术已经在军事领域得到应用，有些正在开发之中。

当前，在实现完全的网络化的虚拟作战环境之前，虚拟现实已经能够基于最先进的增强现实技术来协助完成士兵训练。未来，随着科技的进一步发展，增强/虚拟现实技术会在军事领域获得更广泛的应用。

编辑/刘兰芳