近日，一則關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)廣泛裝備美國陸軍的新聞或許轟動(dòng)了軍事領(lǐng)域的關(guān)注者們，那就是“美國陸軍與微軟簽署了一份價(jià)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(jī)動(dòng)性和態(tài)勢感知能力”，與微軟簽訂了4.8億美元的HoloLens設(shè)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(yù)示著微軟與美國國防部新領(lǐng)域的合作拉開了序幕。那么，微軟的HoloLens設(shè)備是什么嗎？

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

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)一點(diǎn)通

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，英文為Augmented Reality，簡稱AR。它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息進(jìn)行“無縫”集成融合的新技術(shù)。他可以把原本在現(xiàn)實(shí)世界一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)很難體現(xiàn)出的實(shí)體信息，如視覺信息、聲音、味道、觸覺、體積等,通過計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)進(jìn)行模擬仿真后再將虛擬的信息疊加應(yīng)用到真實(shí)世界，這樣能夠被人類的感官所清晰的感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。簡單的來說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是把真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面中，它不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息或隱藏的信息同時(shí)顯示出來，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加，是我們對現(xiàn)實(shí)的環(huán)境有更清晰的認(rèn)知和體驗(yàn)。

從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所具有的功能來看，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。它可以通過虛擬建模、圖像處理、多點(diǎn)傳感、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、場景再現(xiàn)等技術(shù)，為人們提供一個(gè)沉浸感非常強(qiáng)、自然交互簡易化的虛擬空間。因此，它具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維虛擬成像等先進(jìn)特點(diǎn)。

從結(jié)構(gòu)組成來說，典型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般是頭顯設(shè)備，如頭盔或者眼鏡。這些頭顯設(shè)備一般包括顯示系統(tǒng)、人機(jī)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(gè)部分，其典型結(jié)構(gòu)圖如下所示。

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用的探奧索隱

從技術(shù)構(gòu)成來說，雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)涉及到很多研究領(lǐng)域的高新技術(shù)，但其最為關(guān)鍵的技術(shù)主要有跟蹤注冊技術(shù)、顯示技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等。

跟蹤注冊技術(shù)

對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來說，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取攝像機(jī)拍攝圖片時(shí)的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)是判斷虛擬物體在真實(shí)世界中對應(yīng)位置的關(guān)鍵，只有真實(shí)位置判斷準(zhǔn)確進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)世界的正確融合。也就是說，跟蹤注冊技術(shù)可以將虛擬信息、真實(shí)環(huán)境進(jìn)行配準(zhǔn)注冊，從而實(shí)現(xiàn)虛擬信息和真實(shí)場景的無縫疊加。AR產(chǎn)業(yè)圈將這種能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確獲取攝像機(jī)位置和姿態(tài)的方法稱之為跟蹤注冊技術(shù)。目前，跟蹤注冊技術(shù)主要是基于機(jī)器學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)跟蹤物體特征的預(yù)處理和增強(qiáng)處理的。但如果從其圖像獲取與傳輸?shù)耐緩缴蟻矸诸惖脑挘�可以將跟蹤注�?a href=http://www.www530yu.com/technology/index.htm target=_blank>技術(shù)分為如下三類

（1）通過光學(xué)傳感器、機(jī)械傳感器、硬件傳感器，慣性傳感器等硬件傳感器對攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤定位的跟蹤注冊技術(shù)。

（2）通過圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對拍攝到的圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，然后識別和定位出真實(shí)環(huán)境場景，進(jìn)而確定出現(xiàn)實(shí)場景與虛擬信息之間的對應(yīng)關(guān)系的跟蹤注冊技術(shù)。

（3）在一些比較特殊的應(yīng)用場景中，由于通過硬件傳感器和圖像處理與機(jī)器視這兩種方式無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取攝像機(jī)位置和姿態(tài)，為了獲取更全面現(xiàn)實(shí)場景與虛擬信息之間的對應(yīng)關(guān)系，將硬件傳感器和機(jī)器視覺進(jìn)行融合來達(dá)到獲取攝像機(jī)位置和姿態(tài)的一種跟蹤注冊技術(shù)。

顯示技術(shù)

我們知道，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)最終是將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面中，讓我們對現(xiàn)實(shí)物體有一個(gè)更直觀的認(rèn)識。為了達(dá)到虛實(shí)融合的逼真效果，使用低響應(yīng)度、色彩豐富的顯示器顯得非常必要，而顯示技術(shù)也就成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的便捷性，目前市面上比較常見的AR顯示設(shè)備有頭戴式顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備、手持式移動(dòng)顯示設(shè)備等。頭戴式顯示設(shè)備主要是將用戶所在環(huán)境中的真實(shí)信息與計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息進(jìn)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(shè)備系統(tǒng)的操作原理與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）領(lǐng)域中的沉浸式頭盔基本相同，沉浸感較強(qiáng)深受廣大用戶的喜愛。而計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備較為傳統(tǒng)，沉浸感較弱。但其分辨率較高，一般用于室內(nèi)或大范圍場景中。手持式移動(dòng)顯示設(shè)備由于高端智能機(jī)的普及，為手持式移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備提供了較好的發(fā)展平臺。但與頭盔式顯示設(shè)備相比，其雖然具有體積較小、重量較輕、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，但其計(jì)算機(jī)屏幕顯示設(shè)備一樣，沉浸感較弱。

人機(jī)交互技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目標(biāo)是將虛擬世界的內(nèi)容疊加到真實(shí)世界，為用戶構(gòu)建一個(gè)虛實(shí)融合的動(dòng)感模型，從而使用戶能夠在現(xiàn)實(shí)世界中感受到近乎真實(shí)的虛擬物體，并提供人與這一增強(qiáng)的世界交互，這樣能夠顯著提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用效果。在這一過程中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要通過三維建模技術(shù)，將虛擬物體全方位、立體化地展現(xiàn)出一個(gè)具有真實(shí)感的實(shí)時(shí)動(dòng)感模型，以便用戶能夠通過對相關(guān)信息的加工和提取等操作，實(shí)現(xiàn)虛擬動(dòng)感模型的相應(yīng)更新改變，達(dá)到人機(jī)交互的完美境界。這個(gè)在美國大片《鋼鐵俠》中應(yīng)該深有體會。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yīng)用于軍事科研、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)醫(yī)療手術(shù)、教育培訓(xùn)、商業(yè)貿(mào)易、娛樂游戲等多個(gè)領(lǐng)域，并取得了顯著成效，具體情況如下：

（1）軍事領(lǐng)域

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將真實(shí)世界與虛擬世界融合起來，而且允許用戶實(shí)時(shí)交互，故被在軍事領(lǐng)域的多個(gè)方面都有所應(yīng)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(qiáng)大的虛實(shí)結(jié)合與人機(jī)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(gè)例子來說吧，如果把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到戰(zhàn)場上，它將能夠根據(jù)輸入的敵我部隊(duì)位置信息，向作戰(zhàn)隊(duì)員顯示戰(zhàn)場真實(shí)的場景，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場信息的可視化。

（2）工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

在工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的生產(chǎn)、制造與維修過程是十分復(fù)雜的，一般含有成百甚至上千個(gè)步驟。一旦那個(gè)步驟在操作過程發(fā)生錯(cuò)誤，都將會造成較大的損失。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過構(gòu)造一個(gè)虛擬的3D模型，并在增強(qiáng)顯示的環(huán)境中按照機(jī)械裝置的裝配、研發(fā)、生產(chǎn)、制造、維護(hù)和修理等過程進(jìn)行模擬訓(xùn)練，從而減少錯(cuò)誤的發(fā)生，提高生產(chǎn)與維修效率，同時(shí)也盡可能地降低損失。

（3）醫(yī)療手術(shù)領(lǐng)域

由于很多醫(yī)學(xué)手術(shù)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性，任何小誤差的操作都可能帶來人命關(guān)天的大問題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可根據(jù)CT或醫(yī)學(xué)磁共振成像的圖片構(gòu)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(shí)際情況進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，從而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)率。

（4）教育培訓(xùn)領(lǐng)域

前面也提到過，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種沉浸式的體驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢⑵湟�入到教育培�?xùn)領(lǐng)域，能夠?qū)⑾嚓P(guān)的教育培訓(xùn)資料及信息整合到師生能夠觀察到的現(xiàn)實(shí)場景中，為師生提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，這將有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀積極性。同時(shí)，虛擬的三維模型也將有助于學(xué)生從不同視角了解與交互虛擬模型，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)物的理解。

（5）商業(yè)貿(mào)易領(lǐng)域

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有強(qiáng)大的產(chǎn)品展示和人機(jī)互動(dòng)能力，使得商業(yè)貿(mào)易能夠在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之前，根據(jù)產(chǎn)品的定義進(jìn)行產(chǎn)品在增強(qiáng)顯示的環(huán)境中進(jìn)行演示。這將極大促使購買者根據(jù)體驗(yàn)效果而做出適宜的購買決策，同時(shí)也將極大地提升客戶的滿意度，避免了退貨和產(chǎn)品擠壓的問題。

（6）娛樂游戲領(lǐng)域

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂游戲領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該大家都不陌生，因?yàn)闊o論是電視的虛擬劇情中，還是現(xiàn)實(shí)世界的游樂場中，我們都不難發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)例。如在影視制作中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在真實(shí)拍攝的場景的基礎(chǔ)上加入一些危險(xiǎn)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(dòng)畫特效制作的工作量，也將大大降低影視制作的成本。

結(jié)束語

在計(jì)算機(jī)視覺、精密傳感、人工智能、環(huán)境感知等技術(shù)的推動(dòng)下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)無論是跟蹤注冊精度、顯示設(shè)備性能，還是人機(jī)交互自然性上都有很大提高，已引起了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并在在軍事、商業(yè)、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用成效，預(yù)示著其強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由于可以將輸入的信息經(jīng)過分析處理后渲染成為一個(gè)較為真實(shí)的場景空間，同時(shí)還可以將根據(jù)輸入的真實(shí)信息以及計(jì)算出來的虛擬信息疊加顯示在真實(shí)的場景空間中，形成一個(gè)虛實(shí)融合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并借助人機(jī)交互技術(shù)使得使用者不僅能夠看到展示的結(jié)果，而且可以對真實(shí)的場景空間中的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行加工和提取等，已經(jīng)是公認(rèn)的二十一世紀(jì)最有代表性的技術(shù)之一，未來必將向著更真實(shí)、更精確、更實(shí)用方向發(fā)展，也必將推動(dòng)軍事、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域的有一次變革。