近日,一則關于虛擬現(xiàn)實廣泛裝備美國陸軍的新聞或許轟動了軍事領域的關注者們,那就是“美國陸軍與微軟簽署了一份價值4.8億美元的合同”。據(jù)悉,美國陸軍為了提高“作戰(zhàn)能力,機動性和態(tài)勢感知能力”,與微軟簽訂了4.8億美元的HoloLens設備,將用來配備給美國陸軍軍事人員,旨在為其提供更多更好的信息來做出決策。該合同的簽訂也預示著微軟與美國國防部新領域的合作拉開了序幕。那么,微軟的HoloLens設備是什么嗎?

　　HoloLens是2016年微軟首次推出的一款一體化增強現(xiàn)實頭顯設備,它具有強大的跟蹤系統(tǒng)不僅可以映射世界實物,而且能將實物的空間數(shù)值對象顯示在佩戴者的視覺中心區(qū)域�？催^《七龍珠》的伙伴應該都記得貝吉塔帶的那個能夠顯示對手戰(zhàn)斗力眼鏡吧,這個HoloLens一體化增強現(xiàn)實頭顯設備就和那個差不多。據(jù)悉,美國國家航空航天局已將該設備應用在國際空間站上用來觀察火星車的運行狀態(tài)。

　　增強現(xiàn)實技術一點通

　　增強現(xiàn)實技術,英文為Augmented Reality,簡稱AR。它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息進行“無縫”集成融合的新技術。他可以把原本在現(xiàn)實世界一定時間和空間范圍內很難體現(xiàn)出的實體信息,如視覺信息、聲音、味道、觸覺、體積等,通過計算機等科學技術進行模擬仿真后再將虛擬的信息疊加應用到真實世界,這樣能夠被人類的感官所清晰的感知,從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。簡單的來說,增強現(xiàn)實技術就是把真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面中,它不僅展現(xiàn)了真實世界的信息,而且將虛擬的信息或隱藏的信息同時顯示出來,兩種信息相互補充、疊加,是我們對現(xiàn)實的環(huán)境有更清晰的認知和體驗。

　　從增強現(xiàn)實所具有的功能來看,增強現(xiàn)實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。它可以通過虛擬建模、圖像處理、多點傳感、模式識別、機器學習、場景再現(xiàn)等技術,為人們提供一個沉浸感非常強、自然交互簡易化的虛擬空間。因此,它具有虛實結合、實時交互、三維虛擬成像等先進特點。

　　從結構組成來說,典型的增強現(xiàn)實系統(tǒng)一般是頭顯設備,如頭盔或者眼鏡。這些頭顯設備一般包括顯示系統(tǒng)、人機交互界面、虛擬合成系統(tǒng)、跟蹤注冊系統(tǒng)、虛擬場景發(fā)生器、場景采集系統(tǒng)六個部分,其典型結構圖如下所示。

　　從技術構成來說,雖然增強現(xiàn)實系統(tǒng)涉及到很多研究領域的高新技術,但其最為關鍵的技術主要有跟蹤注冊技術、顯示技術和人機交互技術等。

　　跟蹤注冊技術

　　對于增強現(xiàn)實系統(tǒng)來說,能夠實時、準確地獲取攝像機拍攝圖片時的實時位置和姿態(tài)是判斷虛擬物體在真實世界中對應位置的關鍵,只有真實位置判斷準確進而才能實現(xiàn)虛擬物體與真實世界的正確融合。也就是說,跟蹤注冊技術可以將虛擬信息、真實環(huán)境進行配準注冊,從而實現(xiàn)虛擬信息和真實場景的無縫疊加。AR產業(yè)圈將這種能夠實時、準確獲取攝像機位置和姿態(tài)的方法稱之為跟蹤注冊技術。目前,跟蹤注冊技術主要是基于機器學習來實現(xiàn)跟蹤物體特征的預處理和增強處理的。但如果從其圖像獲取與傳輸?shù)耐緩缴蟻矸诸惖脑?可以將跟蹤注冊技術分為如下三類

　　(1)通過光學傳感器、機械傳感器、硬件傳感器,慣性傳感器等硬件傳感器對攝像機進行跟蹤定位的跟蹤注冊技術。

　　(2)通過圖像處理與計算機視覺技術對拍攝到的圖像數(shù)據(jù)信息進行分析處理,然后識別和定位出真實環(huán)境場景,進而確定出現(xiàn)實場景與虛擬信息之間的對應關系的跟蹤注冊技術。

　　(3)在一些比較特殊的應用場景中,由于通過硬件傳感器和圖像處理與機器視這兩種方式無法單獨實現(xiàn)實時、準確獲取攝像機位置和姿態(tài),為了獲取更全面現(xiàn)實場景與虛擬信息之間的對應關系,將硬件傳感器和機器視覺進行融合來達到獲取攝像機位置和姿態(tài)的一種跟蹤注冊技術。

　　顯示技術

　　我們知道,增強現(xiàn)實技術最終是將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面中,讓我們對現(xiàn)實物體有一個更直觀的認識。為了達到虛實融合的逼真效果,使用低響應度、色彩豐富的顯示器顯得非常必要,而顯示技術也就成了增強現(xiàn)實系統(tǒng)中最為關鍵技術之一。為了提高增強現(xiàn)實應用的便捷性,目前市面上比較常見的AR顯示設備有頭戴式顯示設備、計算機屏幕顯示設備、手持式移動顯示設備等。頭戴式顯示設備主要是將用戶所在環(huán)境中的真實信息與計算機生成的虛擬信息進行融合,從而為用戶提供信息顯示、環(huán)境錄入、虛擬融合情景,這類設備系統(tǒng)的操作原理與虛擬現(xiàn)實(VR)領域中的沉浸式頭盔基本相同,沉浸感較強深受廣大用戶的喜愛。而計算機屏幕顯示設備較為傳統(tǒng),沉浸感較弱。但其分辨率較高,一般用于室內或大范圍場景中。手持式移動顯示設備由于高端智能機的普及,為手持式移動增強現(xiàn)實設備提供了較好的發(fā)展平臺。但與頭盔式顯示設備相比,其雖然具有體積較小、重量較輕、便于攜帶的優(yōu)點,但其計算機屏幕顯示設備一樣,沉浸感較弱。

　　人機交互技術

　　增強現(xiàn)實系統(tǒng)的目標是將虛擬世界的內容疊加到真實世界,為用戶構建一個虛實融合的動感模型,從而使用戶能夠在現(xiàn)實世界中感受到近乎真實的虛擬物體,并提供人與這一增強的世界交互,這樣能夠顯著提高增強現(xiàn)實系統(tǒng)應用效果。在這一過程中,增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要通過三維建模技術,將虛擬物體全方位、立體化地展現(xiàn)出一個具有真實感的實時動感模型,以便用戶能夠通過對相關信息的加工和提取等操作,實現(xiàn)虛擬動感模型的相應更新改變,達到人機交互的完美境界。這個在美國大片《鋼鐵俠》中應該深有體會。

　　增強現(xiàn)實技術的應用現(xiàn)狀

　　由于增強現(xiàn)實在一般情況下能夠提供不同于人類可以感知的信息,而且更具體、更清晰、更全面、更立體化,目前已廣泛應用于軍事科研、工業(yè)生產、醫(yī)醫(yī)療手術、教育培訓、商業(yè)貿易、娛樂游戲等多個領域,并取得了顯著成效,具體情況如下:

　　(1)軍事領域

　　由于增強現(xiàn)實技術可以將真實世界與虛擬世界融合起來,而且允許用戶實時交互,故被在軍事領域的多個方面都有所應用,比如前面提到的航空航天和陸軍單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等。由于其強大的虛實結合與人機交互功能,使得其在數(shù)字化戰(zhàn)場上的作用顯得越來越突出。舉個例子來說吧,如果把增強現(xiàn)實技術引入到戰(zhàn)場上,它將能夠根據(jù)輸入的敵我部隊位置信息,向作戰(zhàn)隊員顯示戰(zhàn)場真實的場景,實現(xiàn)戰(zhàn)場信息的可視化。

　　(2)工業(yè)生產領域

　　在工業(yè)領域,產品的生產、制造與維修過程是十分復雜的,一般含有成百甚至上千個步驟。一旦那個步驟在操作過程發(fā)生錯誤,都將會造成較大的損失。增強現(xiàn)實技術通過構造一個虛擬的3D模型,并在增強顯示的環(huán)境中按照機械裝置的裝配、研發(fā)、生產、制造、維護和修理等過程進行模擬訓練,從而減少錯誤的發(fā)生,提高生產與維修效率,同時也盡可能地降低損失。

　　(3)醫(yī)療手術領域

　　由于很多醫(yī)學手術具有較高的風險性,任何小誤差的操作都可能帶來人命關天的大問題。增強現(xiàn)實技術可根據(jù)CT或醫(yī)學磁共振成像的圖片構造與病人身體器官一模一樣的三維虛擬模型,從而可以使醫(yī)生能夠按照患者的實際情況進行手術預演,從而降低手術風險率。

　　(4)教育培訓領域

　　前面也提到過,增強現(xiàn)實技術是一種沉浸式的體驗模式,將其引入到教育培訓領域,能夠將相關的教育培訓資料及信息整合到師生能夠觀察到的現(xiàn)實場景中,為師生提供身臨其境的學習環(huán)境,這將有助于激發(fā)學生的學習興趣和主觀積極性。同時,虛擬的三維模型也將有助于學生從不同視角了解與交互虛擬模型,增強學生對實物的理解。

　　(5)商業(yè)貿易領域

　　由于增強現(xiàn)實技術具有強大的產品展示和人機互動能力,使得商業(yè)貿易能夠在產品生產出來之前,根據(jù)產品的定義進行產品在增強顯示的環(huán)境中進行演示。這將極大促使購買者根據(jù)體驗效果而做出適宜的購買決策,同時也將極大地提升客戶的滿意度,避免了退貨和產品擠壓的問題。

　　(6)娛樂游戲領域

　　增強現(xiàn)實技術在娛樂游戲領域的應用應該大家都不陌生,因為無論是電視的虛擬劇情中,還是現(xiàn)實世界的游樂場中,我們都不難發(fā)現(xiàn)增強現(xiàn)實技術的實例。如在影視制作中引入增強現(xiàn)實技術,可以在真實拍攝的場景的基礎上加入一些危險的如汽車爆炸、或者不存在的虛擬景象如恐龍等。這將會大大簡化影視制作中動畫特效制作的工作量,也將大大降低影視制作的成本。

　　結束語

　　在計算機視覺、精密傳感、人工智能、環(huán)境感知等技術的推動下,增強現(xiàn)實技術無論是跟蹤注冊精度、顯示設備性能,還是人機交互自然性上都有很大提高,已引起了各個領域的廣泛關注,并在在軍事、商業(yè)、科研、醫(yī)療等領域取得了顯著的應用成效,預示著其強勁的發(fā)展勢頭。增強現(xiàn)實系統(tǒng)由于可以將輸入的信息經過分析處理后渲染成為一個較為真實的場景空間,同時還可以將根據(jù)輸入的真實信息以及計算出來的虛擬信息疊加顯示在真實的場景空間中,形成一個虛實融合的增強現(xiàn)實環(huán)境,并借助人機交互技術使得使用者不僅能夠看到展示的結果,而且可以對真實的場景空間中的動態(tài)模型進行加工和提取等,已經是公認的二十一世紀最有代表性的技術之一,未來必將向著更真實、更精確、更實用方向發(fā)展,也必將推動軍事、醫(yī)療、教育等領域的有一次變革。

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