增強現實技術在戰場上的應用

張申　季自力　王文華

增強現實技術作為一項重要的顛覆性技術，目前在很多領域的實際應用上已經取得令人矚目的成果。隨著基礎研究和應用研究的日趨深入與成熟，增強現實技術在戰場上將得到更廣泛的運用，產生重要且深遠的影響。

真實和虛擬的無縫集成

增強現實是一門新興的技術領域，它是在虛擬現實的基礎上發展變化而來的。對增強現實技術的研究，最早可以追溯至1968年美國麻省理工學院研制出的世界上第一臺采用陰極射線管的光學透明頭戴式顯示器。這種顯示器用于實時顯示計算機生成的圖形，在這項研究的基礎上，此后的頭戴顯示器在飛機、地面車輛以及艦只訓練方面都發揮了重要作用。2012年谷歌眼鏡的推出以及2015年微軟展示的HoloLens增強現實設備，激發了全球增強現實技術研發與應用的新熱潮。

增強現實技術作為一門交叉學科，是建立在多個學科基礎上的技術，是一種實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，是將計算機生成的虛擬圖像實時實地、動態地融合到用戶所看到的真實環境中的新一代信息技術，它包含了多媒體、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，目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。這種技術1990年提出，隨著隨身電子產品CPU運算能力的提升，增強現實的用途越來越廣。

更進一步說，增強現實技術是一種將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。增強現實技術是對現實場景進行補充，它并不能完全取代現實場景，通過虛擬環境與真實環境的有機融合，可以增強用戶對真實環境的理解和感受，以此來達到“增強現實”的效果。

增強現實技術的主要優勢在于，通過真實世界和虛擬世界的相互結合，使真實世界在一定程度上得到增加與加強，從而以一種全新的方式，大幅提升人們認知和改造真實世界的能力，出現了從“人適應世界”到“世界適應人”的重大變化。增強現實技術有3個主要特征。一是虛實結合性。通過將虛擬環境與真實環境融合為一體，讓用戶基本上感覺不到虛擬環境與真實環境的融合所產生的不和諧。二是實時交互性。用戶可通過交互設備，直接與虛擬物體或虛擬環境進行交互，增強了用戶對環境的適時感知。三是三維定位性。例如，視頻式增強現實系統，可以由攝像機拍攝所得的視頻直接顯示在顯示器上，使用戶看到真實的場景，同時可以由虛擬攝像機拍攝到的虛擬視頻傳送到顯示器，通過虛、實兩個攝像機的全方位對準，使虛擬場景與真實場景融合一體，可以在三維空間中自由增添、定位虛擬物體。增強現實技術要努力實現的，不僅是將圖像實時添加到真實的環境中，而且還要更改這些圖像以適應用戶的頭部及眼睛的轉動，以便圖像始終在用戶視角范圍內。

硬件和軟件的協同實現

增強現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。增強現實技術在戰場上應用的關鍵技術，主要有顯示技術、注冊技術、交互技術、跟蹤與定位技術、大數據技術、智能專家系統技術等。一個完整的增強現實系統，是由一組緊密聯結、實時工作的硬件部件與相關的軟件系統協同實現的。

顯示技術顯示技術是增強現實系統的基本技術之一。在戰場上應用的顯示技術，主要有投影式顯示、手持式顯示和普通顯示器顯示。投影式顯示是將虛擬的戰場信息直接投影到需要增強的戰場工程設施上，從而達成增強現實的效果。手持式顯示，主要是采用攝像機等其他輔助部件來達成增強現實效果。利用增強現實技術，可通過頭盔和眼鏡等穿戴式設備，將作戰現場的地圖指示、建筑標識、敵人位置、隊友狀態和指揮命令等信息實時展現給士兵，大幅提升單兵野外作戰的遠程指揮能力。

注冊技術注冊技術是增強現實技術在戰場上應用的關鍵技術之一?！白浴睂嶋H上就是將計算機生成的虛擬的戰場工程設施和真實環境中景象“對齊”的過程。它必須先確定虛擬戰場與觀察者之間的關系，然后通過正確的幾何投影，將虛擬戰場投影到觀察者的視野中。注冊一般分為動態注冊和靜態注冊。動態注冊是攝像機與真實物體相對運動的情況下，確定兩者的相對位置;靜態注冊是攝像機與真實物體相對靜止的情況下確定兩者的相對位置。在戰場上，絕大多數采用的是動態注冊，包括基于跟蹤器的注冊技術、基于視覺的注冊技術以及結合前兩種優勢的復合注冊技術。

自主交互技術在戰場上應用增強現實技術，需要實現用戶與真實環境中虛擬物體自然直觀的三維交互，這就要系統設計針對增強現實系統的交互工具，并能夠跟蹤定位到交互工具的位置信息，執行用戶對空間物體實施的指令。通過語音識別、草圖識別、自然語言理解和智能問答系統等智能化人機交互軟件技術，可以改善指揮員人機交互的體驗，讓指揮員感覺像與人交談一樣方便和自然。

相比于增強現實技術，虛擬現實技術旨在創造一個全新的虛擬世界

跟蹤定位技術在戰場上，要實現虛擬戰場和實體戰場的完美結合，必須將虛擬戰場合并到現實世界中的準確位置，這個過程通常被稱為配準。因此，增強現實的跟蹤定位系統，必須能夠實時地檢測觀察者在場景中的位置、運動的方向，以便用來幫助系統決定顯示何種虛擬物體，并按照觀察者的視場重建坐標系。為了生成準確定位，增強現實系統需要進行大量的標定，測量值包括攝像機參數、視域范圍、傳感器偏移、對象定位以及變形等。目前最常用的是視頻檢測技術，主要是使用模式識別技術識別視頻圖像中預先定義好的標記、物體或基準點，然后根據偏移和轉動角度計算坐標轉換矩陣。

大數據技術在戰場上，應用增強現實技術實現對戰場信息的增強，需要運用大數據技術，迅速挖掘數據信息的內在規律，提供更高效率的決策支持、圖像識別服務等。利用大數據技術中的深度學習方法，可顯著提升模式識別的準確率;利用大數據分析的深層神經網絡模型，可在圖像識別領域取得顯著效果，在ImageNet評測中大幅降低錯誤率;通過對海量異構實時數據的分析，可獲得有價值的決策信息，等等。對戰場數據信息的展現，需要對海量多源異構數據進行及時、快速、準確地分析處理，大數據技術可以發揮重要作用。

智能專家系統技術在戰場上，應用增強現實技術實現對知識和智力的增強，就要運用智能專家系統技術，即以“知識工程”為核心，綜合應用人工智能與計算智能原理與方法、現代設計理論與方法、先進建模與仿真技術，以及相關應用領域專業技術的復雜智能化系統。智能專家系統具有大量專門知識的智能程序，可應用人工智能技術，根據一個或多個專家提供的特殊領域知識進行推理，模擬專家做出決定的過程，能夠解決那些需要專家解決的復雜問題，提供專家水平的解答。智能專家系統能夠解決增強現實技術對基于知識的智能化工程技術的需求，建立基于知識工程的先進設計技術體系和不同層級的推理模型，綜合考慮各種因素，運用專家知識，邏輯推導預判相關情形，輔助選擇推送優化結果。

電影中的增強現實技術

利用增強現實技術，可以大幅提升單兵作戰能力

場上和場下的廣泛應用

增強現實技術在諸如尖端武器制造與維修、飛行器的研制與開發、數據模型的可視化、虛擬訓練等領域具有廣泛的應用，而且由于其具有能夠對真實環境進行增強顯示輸出的特性，在環境顯示、工程設計、遠程機器人控制等領域具有明顯的優勢。

戰場作戰指揮應用將增強現實技術應用于聯合作戰指揮系統中，可以允許各級作戰指揮機構和指揮員同時觀看、討論戰場以及與虛擬場景交互，實現整個戰場信息的高度共享，這將更有利于各級指揮員快速、正確理解上級作戰意圖。通過增強的作戰指揮系統，作戰指揮機構和指揮員能實時掌握戰場態勢和各個作戰單元的情況，從而及時做出正確的作戰決策。

戰場工程設施設計增強現實技術運用于戰場工程設施設計施工，主要體現在幾個方面：一是采將戰場工程設施建設規劃效果疊加真實場景中，以直接獲得規劃的效果;二是可實時展示和共享實物、模型、設計圖紙等戰場工程設施信息，利用多通道人機自然交互技術，使得異地、多人可以實時互動，溝通交流戰場工程設施設計的思想與理念，改進戰場工程設施的設計方案;三是可將戰場工程設施模型及各種可能的設計方案融合在一起，顯示給戰場工程設施的設計人員，戰場工程設施的設計人員可以通過增強現實系統，全面比較各種設計方案，而且能夠將修改意見直接反映到戰場工程設施模型上;四是可為用戶提供先期演示，讓用戶和戰場工程設施的設計人員同時進入虛實結合的環境中操作，檢驗工程設計方案及其操作的合理性;五是將標準工作流程指南準確地顯示給建設施工單位，大幅提高戰場工程設施建設的效率。

增強現實技術在諸如飛行器的研制與開發等領域具有廣泛的應用

戰場環境增強顯示將增強現實技術運用于戰場環境顯示，主要是通過在真實環境中融合虛擬物體，不僅能向戰場工程設施的設計和施工人員顯示真實的場景，而且還能夠通過增加虛擬物體，強調肉眼無法看見的環境信息，進而增強真實場景的顯示，真正實現戰場工程設施信息和建設、維護過程的可視化。在飛行員座艙的前方玻璃上或者頭盔顯示器上，可將矢量圖形疊加到飛行員的視野中，不僅能向飛行員提供導航信息，還提供了包括敵方隱藏力量的增強戰場信息。此外，可以利用增強現實技術，進行方位的識別，獲得實時所在地點的地理數據等重要軍事數據。

戰場建設現場控制將增強現實技術運用于戰場建設的現場控制，主要體現在三個方面：一是應用增強現實技術，可使戰場建設管理人員實時掌握戰場工程設施和施工隊伍的情況，可以及時做出管理決策。二是應用于戰場網系中，可以使作戰人員同時觀看、討論戰場工程以及與虛擬場景交互，實現整個戰場工程信息的高度共享。三是將增強現實系統應用于多用戶、多終端協同工作，可為各用戶、終端建立一個共享的、可理解的虛擬空間，允許各用戶、終端共享信息、實時交流互動。

作戰人員訓練演練將增強現實技術運用于作戰人員訓練中，有助于創新培訓方法，加大訓練實戰化程度。應用基于增強現實技術的訓練系統，能夠構建一種極為逼真的實戰化訓練環境，受訓人員通過隨身攜帶的增強現實系統，不僅可以看到真實的訓練場景，而且可以看到場景中增加的各種實戰化虛擬物體，從而實現對作戰人員的沉浸式訓練，進一步提升培訓演練的實際效果。2014年，美軍展示了“增強現實沙盤”系統，該系統可直觀反映戰場真實地形地貌，使作戰人員能身臨其境地了解作戰地形，這將對未來作戰演練、兵棋推演等產生重大影響。

戰場工程運營維護增強現實技術運用于戰場工程設施的運營維護中，主要通過在實際設備中添加各類維護輔助信息，可指導維護人員按步驟實施維護維修，能夠精確定位不直接可見的零部件，并將其可視化，從而確認要進行測試的零部件并進行修理或替換，這不但能夠幫助維護人員迅速熟悉和掌握各種維修技術，同時也保證了整個維護維修過程的標準化和規范化，極大減少了維護人員的培訓成本，降低了設備拆裝、保養、維修的難度，提高了維護維修保障效率，并且有助于技術與經驗的傳承。

結語

增強現實技術在戰場上的各個領域、各個環節均能發揮重要作用，具有廣闊的應用前景。要加大對增強現實技術的研發力度，突破高性能軟件建模、內容拍攝生成、增強現實與人機交互、集成環境與工具等關鍵技術，研制虛擬顯示器件、光學器件、高性能真三維顯示器、開發引擎等產品，建立增強現實的技術、產品、服務標準和評價體系。應該看到，目前增強現實技術還面臨諸多的挑戰，如對于大型物體尚沒有使用三維跟蹤技術的可靠方式，因而無法實現對大型戰場工程結構的實時圖像采集。包括圖形渲染、CAD模型以及用戶界面等，尤其是將海量紙質作業指導書轉化為數字化模型，工作量非常大。對于這些困難問題，需要持續加大對增強現實技術的研發力度與探索實踐，拿出系統解決方案，提升增強現實技術的可靠性、實用性、適應性，將來能夠更加有效地運用到戰場上，發揮更大的作用。

責任編輯：張傳良