【国防技术】增强现实技术发展与军事应用

近年来，增强现实技术发展不断加速，实用化装备如雨后春笋般大量涌现，F-35战机新型增强现实头盔显示系统交付使用完成；美国海军成功演示舰炮操控增强现实头盔系统（GunnAR）；德国推出直升机增强现实视觉系统；空客公司增强现实工业装备实现跨企业部署应用，都表明增强现实技术正在快速步入军事应用。

一

增强现实技术与虚拟现实技术的联系与区别

增强现实和虚拟现实的联系非常紧密，增强现实是由虚拟现实发展起来的，支撑技术高度重合，均涵盖了计算机视觉、图形学、图像处理、多传感器技术、多媒体显示技术、人机交互技术等领域，二者有很多相似点和相关性。首先，都需要计算机生成相应的虚拟信息；其次，都需要使用者使用头盔、眼镜或类似显示设备，将计算机产生的虚拟信息呈现在使用者眼前；再次，使用者都需要通过相应设备与计算机产生的虚拟信息进行实时互动交互。

与此同时，增强现实与虚拟现实的差异性也显而易见，简单来说，虚拟现实看到的场景和人物全是虚拟的，重点是将人的感观带入一个虚拟世界。增强现实看到的场景和人物则部分真实部分虚拟，是把虚拟的信息带入到现实世界中。两者对于浸没感的要求不同，虚拟现实系统强调用户感官的完全浸没，通常需要借助能够将用户视觉与现实环境隔离的显示设备。与之相反，增强现实强调用户在现实世界的存在性并努力维持其感官效果的不变性，致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体，从而增强用户对真实环境的理解。虚拟现实系统需要巨大运算能力的支持才能展现出沉浸式场景，且逼真程度无法达到与人感官能力完美匹配的程度，而增强现实技术则是在充分利用真实环境影像的基础上，叠加虚拟信息（物体、图片、视频、声音等），从而大幅降低对计算机图形能力的要求。

二

增强现实技术发展现状

（一）各国积极推进增强现实技术研发应用

随着增强现实技术的迅速发展，其应用不仅渗透到经济社会的各个方面，在国防军事领域也体现出巨大的应用价值：提供全新的战场环境态势感知能力，为联合作战训练和演习提供高效平台，使工业设计和制造的手段和思想发生了质的飞跃，因此美欧等国持续推进增强现实技术发展应用。2016年5月，美国数字制造与设计创新机构首次将增强现实技术列为重点项目，推动增强现实设备在制造车间的现场应用；俄罗斯通过先期研究基金会，向工业界和IT界征求增强现实技术解决方案；德国“工业4.0”战略明确提出，将增强现实技术作为制造企业向智能化转型的关键技术之一；法国经济、工业与就业部发布的“未来工业”计划，将增强现实技术作为未来工业发展的重要支撑。此外，微软、谷歌、苹果等高科技企业也正积极布局增强现实技术领域并推进技术研发，力求占据未来科技高点。

（二）核心技术不断突破，创新产品不断涌现

高精度微型传感器、三维重建算法和图像实时缝合显示是增强现实技术的核心。传感器方面，小型化和高精度化进程不断加快，以微软HoloLens为代表的新一代增强现实眼镜将环境传感器、深度相机、惯性测量单元和全息处理器等大量微电子器件集于一体，使虚实融合能力不断提升。三维重建算法方面，稀疏、半稠密和稠密等各类即时定位与地图构建算法取得突破性进展。2015年10月提出的ORB-SLAM稀疏算法增加了地图初始化和闭环检测功能，优化了关键帧选取和地图构建方法，在处理速度、追踪效果和地图精度等方面性能大幅跃升，有效降低增强现实技术应用门槛。显示方面，F-35增强现实头盔显示系统的成功研制和应用表明多外部摄像头图像实时缝合难题已得到有效解决，图像实时缝合显示已初步具备可用性。

基于上述关键技术突破，2016年2月，微软公司HoloLens增强现实眼镜正式推出。HoloLens作为第一款运行Windows 10系统的、能够独立运行而完全不依赖其他移动终端或PC的全息设备，利用“即时定位与地图构建”算法实现复杂虚拟场景的精准定位以及人机高度交互，突破了以往增强现实设备仅能实现虚拟和现实场景的简单叠加，无法有效交互的难题，通过图片影像和声音让用户进入全虚世界，以周边环境为载体进行全息体验，而且可以完全独立使用，无需线缆连接、无需同步电脑或智能手机。HoloLens可以让用户把会议室直接变成酷炫的星际战场，在视频中往常只能在科幻电影中出现的全息投影技术如今配合HoloLens便能立即实现。HoloLens的特色还体现在可透视镜片、先进传感器、全息影像处理器等，给予用户是比较自然的交互方式，如通过追踪人的目光完成浏览和搜索，通过手势调整全息影像的大小和形状等。

继微软HoloLens之后，苹果、Facebook和MagicLeap也大举进军增强现实领域。苹果在此领域拥有庞大计划，早在2015年便收购了德国AR企业Metaio，后来还陆续将图像识别、空间感知、光学显示、与其他大量AR相关技术的公司与专利纳入麾下，2016年收购了增强现实公司FlybyMedia，并且招募到诸多相关专家，比如微软Hololens工程师N、弗吉尼亚理工大学虚拟现实技术顶级研究员道格·鲍曼(DougBowman)等。而Facebook于2014年收购沉浸式虚拟现实技术公司OculusVR，目前也在致力于研究轻便而功能又强大的AR眼镜，其首席执行官扎克伯格要求AR眼镜要“小到可以随身携带”。美国魔跃公司于2016年7月开始量产“动态数字化光场显示”系统，该系统首次采用虚拟视网膜技术将图像直接投射到人眼，构建了大视场三维动态场景，进一步拓宽了增强现实技术的应用领域。

（三）轻量化和低成本等应用问题得到重视

随着增强现实技术实用化进程的不断加速以及大量民用军用产品的大量涌现，目前增强现实技术需要解决电池寿命、大小、重量、分辨率、视觉舒适度（现在的虚拟头显晕动症还有待解决）和成本等问题，未来的发展方向是：更轻便、更舒适、低功耗、低眩晕、低延时、低成本，真三维、高分辨率、广视角、并且同时拥有电脑、VR、AR的功能。如目前军用增强现实装备仍较为笨重，不适合长时间佩戴，在极端情况下甚至可能造成身体伤害。F-35战机增强现实头盔显示系统在交付测试中仍发现存在重量过大给飞行员造成安全隐患的问题，不得不重新对头盔进行轻量化设计以将头盔重量降低0.5磅。此外，大量先进传感器的集成使用在使增强现实技术实用性不断提升的同时也推高了产品价格，F-35飞行头盔价格高达40万美元，消费类产品代表--微软公司Hololens增强现实眼镜售价3000美元。高昂价格限制了增强现实产品的推广应用。未来随着轻量化技术、传感器微型化技术、透明显示技术和可穿戴电子等技术的进步，增强现实装备的体积、重量、生产成本有望逐步下降，即将步入量产和进一步开发阶段，预计五到十年将达到应用的高峰。

三

国防军事应用趋势

增强现实技术发源于军事应用需求，自20世纪90年代提出以来，已在国防领域显现重大潜在应用价值。目前，增强现实装备已在态势感知、仿真训练和军工产品制造等诸多国防军事领域得到实际应用。

（一）增强现实技术大幅提升战场态势感知能力

基于增强现实技术的态势感知装备目前已在海陆空天等领域得到全面应用。2017年1月，美国海军空间与海战系统司令部与DAQRI增强现实技术公司合作开发出舰炮操控增强现实头盔样机系统。该系统由头盔传达清晰的视觉指令信号，解决了复杂环境下射击指令来源不一和指挥链混乱的问题。2016年11月完成最终定型的F-35战机“第三代头盔显示系统”可通过分布在机身表面的6个高清视频和红外摄像机，直接将机外影像实时投射到显示系统，配合头部跟踪系统，使飞行员视野可穿透飞机，实现前所未有的全方位态势感知能力，还可随飞行员视野提供空速、航向、高度、目标信息和警告等任务信息，辅助飞行员第一时间做出正确判断。2016年6月，美国海军发布潜水员增强视觉显示头盔系统，该系统向潜水员提供从图表到文字的各类实时信息，确保潜水员在危险水下环境中安全高效地执行任务。2016年6月，德国发布直升机增强现实视觉系统，将激光雷达产生的精确地形数据投射到飞行员头戴式显示器，使飞行员具备“看穿”云雾的能力，提高复杂气候条件下的飞行安全性。2016年9月，美国罗克韦尔·柯林斯公司推出新型增强现实战斗头盔，可将前线和作战指挥中心的信息与多光谱成像相结合，呈现给作战士兵，实现了对战场信息的增强。

（二）增强现实技术推动沉浸式仿真训练向更高层次发展

增强现实技术是解决模拟训练领域“仿真度”问题的重要手段。利用增强现实技术构建的模拟训练系统，既能100%地反映真实世界的基本特征，又能将真实世界中不存在的各种要素叠加到真实世界中，构建超越真实世界的“超真实”模拟训练环境，可广泛应用于各军兵种单兵单装训练、作战指挥训练、战役战术对抗训练等各种层次的训练。增强现实仿真训练系统历经多年发展，现已进入实用化阶段。2015年10月，美国军方对海军研究局研制的“增强现实团队训练系统”完成测试。该训练系统面向火力呼叫和近距离空中支援等复杂实兵对抗训练科目，在真实地形上叠加爆炸等仿真战场效果，使军事训练更加贴近实战化，同时大幅降低训练开支。

（三）增强现实技术有效促进军工制造企业降本增效

增强现实技术在大型复杂装备制造、大批量零部件质检、高端精密产品维护保障等应用领域也不断取得突破，波音、洛马等大型军工企业积极将增强现实技术引入设计、生产、维修等工业流程，实现降本增效。空客公司开发的MiRA/SART增强现实工具已于2015年实现大规模应用，并于2016年4月实现跨企业应用。该增强现实设备可将飞机装配检验时间由21天减至3天，效率提升6倍，漏检率降低40%。2016年，美国亨廷顿·英格尔斯工业公司提出在第三艘“福特”级航母建造过程中，利用增强现实技术构建集成数字化造船环境，使船舶建造和操作过程更直观，实现造船全流程高效衔接，其应用可将建造成本降低15%。2016年，洛马公司宣布将在F-22和F-35战斗机的维护工作中引入爱普生第三代增强现实眼镜，检测员通过增强现实眼镜看到投影于战斗机上的零件编号和计划，在飞机旁边就可以记录要修理的区域，减少操作错误，从而加速维护过程。西门子打造了制造虚实“双胞胎”流水线，展现实际流水工况和数据，使设计者可方便自如地介入系统建模和仿真实验全过程，缩短了产品的研制周期，并能对系统的效能进行合理评估。

四结语

增强现实技术因为具有真实世界和虚拟世界的融合性及实时交互的特点，在军事、工业、医学、娱乐等日常生活中都具有非常广阔的应用前景。在国防军事领域，从武器装备设计研制、维修保障、作战训练到作战指挥，联合虚拟演习等，增强现实技术正发挥着日益重要的作用。作为一项重要的军民通用前沿技术和当今信息时代的主流研究热点，目前增强现实技术的许多应用已经令人瞩目。未来，通过技术的突破，内容的精良化，沉浸式虚实融合的有效互动，硬件设备性能的完善，再加上云计算和云存储的发展，增强现实的研究和应用将日趋成熟，必将在国防军事领域产生更为深远的影响。对未来作战带来颠覆性变化。

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