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增强现实技术在战场上的应用

2019-05-31  半梦书斋

增强现实技术作为一项重要的颠覆性技术,目前在很多领域的实际应用上已经取得令人瞩目的成果。随着基础研究和应用研究的日趋深入与成熟,增强现实技术将在战场上将得到更广泛的运用,产生重要而深远的影响。

真实和虚拟的无缝集成

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是一门新兴的技术领域,它是在虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)的基础上发展变化而来的。对增强现实技术的研究,最早可以追溯至1968年美国麻省理工学院研制出的,世界上第一台采用阴极射线管的光学透明头戴式显示器,用于实时显示计算机生成的图形,在这项研究的基础上,此后的头戴显示器在飞机、地面车辆以及舰只训练方面都发挥了重要作用。2012年谷歌眼镜的推出以及微软2015年展示的HoloLens增强现实设备,激发了全球增强现实技术研发与应用的新热潮。

增强现实技术在战场上的应用

增强现实技术在战场上的应用

增强现实技术作为一门交叉学科,是建立在多个学科基础上的技术,是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术,是将计算机生成的虚拟图像实时实地、动态地融合到用户所看到的真实环境中的新一代信息技术,它包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段,目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术1990年提出,随着随身电子产品CPU运算能力的提升,增强现实的用途将会越来越广。

更进一步说,增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。增强现实技术是对现实场景进行补充,它并不能完全取代现实场景,通过虚拟环境与真实环境的有机融合,可以增强用户对真实环境的理解和感受,以此来达到“增强现实”的效果。

增强现实技术在战场上的应用

VR技术旨在创造一个全新的虚拟世界,AR技术则是将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成

增强现实技术的主要优势在于,通过真实世界和虚拟世界的相互结合,使真实世界在一定程度上得到增加与加强,从而以一种全新的方式,大幅提升人们认知和改造真实世界的能力,出现了从“人适应世界”到“世界适应人”的重大变化。增强现实技术有三个主要特征:一是虚实结合性。通过将虚拟环境与真实环境融合为一体,让用户基本上感觉不到虚拟环境与真实环境的融合所产生的不和谐。二是实时交互性。用户可通过交互设备,直接与虚拟物体或虚拟环境进行交互,增强了用户对环境的适时感知。三是3D定位性。例如,视频式增强现实系统,可以由摄像机拍摄所得的视频直接显示在显示器上,使用户看到真实的场景,同时可以由虚拟摄像机拍摄到的虚拟视频传送到显示器,通过虚、实两个摄像机的全方位对准,使虚拟场景与真实场景融合一体,可以在三维空间中自由增添、定位虚拟物体。增强现实技术要努力实现的,不仅是将图像实时添加到真实的环境中,而且还要更改这些图像以适应用户的头部及眼睛的转动,以便图像始终在用户视角范围内。

硬件和软件的协同实现

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实技术在战场上应用的关键技术,主要有显示技术、注册技术、交互技术、跟踪与定位技术、大数据技术、智能专家系统技术等。一个完整的增强现实系统,是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的。

增强现实技术在战场上的应用

电影中的增强现实技术

显示技术显示技术是增强现实系统的基本技术之一。在战场上应用的显示技术,主要有投影式显示、手持式显示和普通显示器显示。投影式显示是将虚拟的战场信息直接投影到需要增强的战场工程设施上,从而达成增强现实的效果。手持式显示,主要是采用摄像机等其他辅助部件来达成增强现实效果。利用增强现实技术,可通过头盔和眼镜等穿戴式设备,将作战现场的地图指示、建筑标识、敌人位置、队友状态和指挥命令等信息实时展现给士兵,大幅提升单兵野外作战的远程指挥能力。

注册技术注册技术是增强现实技术在战场上应用的关键技术之一。“注册”实际上就是将计算机生成的虚拟的战场工程设施和真实环境中景象“对齐”的过程。它必须先确定虚拟战场与观察者之间的关系,然后通过正确的几何投影,将虚拟战场投影到观察者的视野中。注册一般分为动态注册和静态注册。动态注册是摄像机与真实物体相对运动的情况下,确定两者的相对位置;静态注册是摄像机与真实物体相对静止的情况下确定两者的相对位置。在战场上,绝大多数采用的是动态注册,包括基于跟踪器的注册技术、基于视觉的注册技术以及结合前两种优势的复合注册技术。

自主交互技术在战场上应用增强现实技术,需要实现用户与真实环境中虚拟物体自然直观的三维交互,这就要系统设计针对增强现实系统的交互工具,并能够跟踪定位到交互工具的位置信息,执行用户对空间物体实施的指令。通过语音识别、草图识别、自然语言理解和智能问答系统等智能化人机交互软件技术,可以改善指挥员人机交互的体验,让指挥员感觉像与人交谈一样方便和自然。

跟踪定位技术在战场上,要实现虚拟战场和实体战场的完美结合,必须将虚拟战场合并到现实世界中的准确位置,这个过程通常被称为配准。因此,增强现实的跟踪定位系统,必须能够实时地检测观察者在场景中的位置、运动的方向,以便用来帮助系统决定显示何种虚拟物体,并按照观察者的视场重建坐标系。为了生成准确定位,增强现实系统需要进行大量的标定,测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器偏移、对象定位以及变形等。目前最常用的是视频检测技术,主要是使用模式识别技术识别视频图像中预先定义好的标记、物体或基准点,然后根据偏移和转动角度计算坐标转换矩阵。

增强现实技术在战场上的应用

利用增强现实技术,可以大幅提升单兵作战能力

大数据技术在战场上,应用增强现实技术实现对战场信息的增强,需要运用大数据技术,迅速挖掘数据信息的内在规律,提供更高效率的决策支持、图像识别服务等。利用大数据技术中的深度学习方法,可显著提升模式识别的准确率;利用大数据分析的深层神经网络模型,可在图像识别领域取得显著效果,在ImageNet评测中大幅降低错误率;通过对海量异构实时数据的分析,可获得有价值的决策信息,等等。对战场数据信息的展现,需要对海量多源异构数据进行及时、快速、准确的分析处理,大数据技术可以发挥重要作用。

智能专家系统技术 在战场上,应用增强现实技术实现对知识和智力的增强,就要运用智能专家系统技术,即以“知识工程”为核心,综合应用人工智能与计算智能原理与方法、现代设计理论与方法、先进建模与仿真技术,以及相关应用领域专业技术的复杂智能化系统。智能专家系统具有大量专门知识的智能程序,可应用人工智能技术,根据一个或多个专家提供的特殊领域知识进行推理,模拟专家做出决定的过程,能够解决那些需要专家解决的复杂问题,提供专家水平的解答。智能专家系统能够解决增强现实技术对基于知识的智能化工程技术的需求,建立基于知识工程的先进设计技术体系和不同层级的推理模型,综合考虑各种因素,运用专家知识,逻辑推导预判相关情形,辅助选择推送优化结果。

场上和场下的广泛应用

增强现实技术在诸如尖端武器制造与维修、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练等领域具有广泛的应用,而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性,在环境显示、工程设计、远程机器人控制等领域具有明显的优势。

增强现实技术在战场上的应用

增强现实技术在诸如飞行器的研制与开发等领域具有广泛的应用

战场作战指挥应用 将增强现实技术应用于联合作战指挥系统中,可以允许各级作战指挥机构和指挥员同时观看、讨论战场以及与虚拟场景交互,实现整个战场信息的高度共享,这将更有利于各级指挥员快速、正确理解上级作战意图。通过增强的作战指挥系统,作战指挥机构和指挥员能实时掌握战场态势和各个作战单元的情况,从而及时做出正确的作战决策。

战场工程设施设计 增强现实技术运用于战场工程设施设计施工,主要体现在几个方面:一是采将战场工程设施建设规划效果叠加真实场景中,以直接获得规划的效果。二是可实时展示和共享实物、模型、设计图纸等战场工程设施信息,利用多通道人机自然交互技术,使得异地、多人可以实时互动,沟通交流战场工程设施设计的思想与理念,改进战场工程设施的设计方案。三是可将战场工程设施模型及各种可能的设计方案融合在一起,显示给战场工程设施的设计人员,战场工程设施的设计人员可以通过增强现实系统,全面比较各种设计方案,而且能够将修改意见直接反映到战场工程设施模型上。四是可为用户提供先期演示,让用户和战场工程设施的设计人员同时进入虚实结合的环境中操作,检验工程设计方案及其操作的合理性。五是将标准工作流程指南准确地显示给建设施工单位,大幅提高战场工程设施建设的效率。

战场环境增强显示将增强现实技术运用于战场环境显示,主要是通过在真实环境中融合虚拟物体,不仅能向战场工程设施的设计和施工人员显示真实的场景,而且还能够通过增加虚拟物体,强调肉眼无法看见的环境信息,进而增强真实场景的显示,真正实现战场工程设施信息和建设、维护过程的可视化。在飞行员座舱的前方玻璃上或者头盔显示器上,可将矢量图形叠加到飞行员的视野中,不仅能向飞行员提供导航信息,还提供了包括敌方隐藏力量的增强战场信息。此外,可以利用增强现实技术,进行方位的识别,获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。

增强现实技术在战场上的应用

增强现实技术或将在太空战场上也得到广泛应用

战场建设现场控制 将增强现实技术运用于战场建设的现场控制,主要体现在三个方面:一是应用增强现实技术,可使战场建设管理人员实时掌握战场工程设施和施工队伍的情况,可以及时做出管理决策。二是应用于战场网系中,可以使作战人员同时观看、讨论战场工程以及与虚拟场景交互,实现整个战场工程信息的高度共享。三是将增强现实系统应用于多用户、多终端协同工作,可为各用户、终端建立一个共享的、可理解的虚拟空间,允许各用户、终端共享信息、实时交流互动。

作战人员训练演练 将增强现实技术运用于作战人员训练中,有助于创新培训方法,加大训练实战化程度。应用基于增强现实技术的训练系统,能够构建一种极为逼真的实战化训练环境,受训人员通过随身携带的增强现实系统,不仅可以看到真实的训练场景,而且可以看到场景中增加的各种实战化虚拟物体,从而实现对作战人员的沉浸式训练,进一步提升培训演练的实际效果。2014年,美军展示了“增强现实沙盘”系统,该系统可直观反映战场真实地形地貌,使作战人员能身临其境地了解作战地形,这将对未来作战演练、兵棋推演等产生重大影响。

战场工程运营维护 增强现实技术运用于战场工程设施的运营维护中,主要通过在实际设备中添加各类维护辅助信息,可指导维护人员按步骤实施维护维修,能够精确定位不直接可见的零部件,并将其可视化,从而确认要进行测试的零部件并进行修理或替换,这不但能够帮助维护人员迅速熟悉和掌握各种维修技术,同时也保证了整个维护维修过程的标准化和规范化,极大减少了维护人员的培训成本,降低了设备拆装、保养、维修的难度,提高了维护维修保障效率,并且有助于技术与经验的传承。

结 语

增强现实技术在战场上的各个领域、各个环节均能发挥重要作用,具有广阔的应用前景。要加大对增强现实技术的研发力度,突破高性能软件建模、内容拍摄生成、增强现实与人机交互、集成环境与工具等关键技术,研制虚拟显示器件、光学器件、高性能真三维显示器、开发引擎等产品,建立增强现实的技术、产品、服务标准和评价体系。应该看到,目前增强现实技术还面临诸多的挑战,如对于大型物体尚没有使用三维跟踪技术的可靠方式,因而无法实现对大型战场工程结构的实时图像采集;包括图形渲染、CAD模型以及用户界面等,尤其是将海量纸质作业指导书转化为数字化模型,工作量非常大。对于这些困难问题,需要持续加大对增强现实技术的研发力度与探索实践,拿出系统解决方案,提升增强现实技术的可靠性、实用性、适应性,将来能够更加有效地运用到战场上,发挥更大的作用。

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