黃亮 柳吉齡 閆培新

近年來，以谷歌眼鏡和“圓窗裂痕”（Oculus Rift）頭戴式顯示器為代表的穿戴式設備吸引了公眾的廣泛注意。盡管尚處于開發(fā)階段，這些產(chǎn)品仍舊獲得了眾多用戶的期待。目前，各國已開始積極探索穿戴式設備在現(xiàn)代軍事領域的應用。例如，佩戴谷歌眼鏡的特種部隊能夠分享目標建筑環(huán)境的360°全景合成視圖;又如使用“圓窗裂痕”頭戴式顯示器可獲得無人機傳來的超視距影像，可實現(xiàn)對無人機的遠程控制及發(fā)射武器。

穿戴這類設備使人員具有“超人”能力，即能獲取和處理大量信息，甚至是獲得未見未知的歷史事件和信息的能力。獲得這種能力的技術，我們稱其為增強現(xiàn)實技術。

那么，何謂增強現(xiàn)實技術？增強現(xiàn)實（AR：Augmented Reality）技術是一種將計算機生成的感知信息與物理現(xiàn)實世界進行疊加的技術，以增加現(xiàn)實環(huán)境的元素信息，包括聲音、視頻、圖像和GPS數(shù)據(jù)等。

增強現(xiàn)實技術與介導現(xiàn)實（Mediated Reality）技術相關，后者主要基于計算機技術對現(xiàn)實景象進行修改（甚至可能是減弱，并非只有增強），前者則主要在于增強對現(xiàn)實的感知能力。增強現(xiàn)實技術中對于現(xiàn)實世界的增強通常是與環(huán)境相關的實時信息，例如電視播放體育賽事時的實時比分?；谙冗M的增強現(xiàn)實技術（如計算機圖像和目標識別），用戶周圍的環(huán)境信息變得具有交互性和數(shù)字可操作性。與環(huán)境和物體相關的虛擬化信息能夠疊加在真實世界之上。

增強/虛擬現(xiàn)實技術設備正在軍事領域中得到應用

“我已經(jīng)用谷歌眼鏡把視頻錄制好了！”這句話揭示了谷歌眼鏡的本質(zhì)功能。

對于使用早期限量發(fā)售的探索者版谷歌眼鏡的嘗鮮者來說，這不僅僅是一部具有500萬像素的聲控視頻設備，還是一臺攝像機。這款智能眼鏡實質(zhì)上是一臺內(nèi)置有處理器、存儲、藍牙和小型顯示屏的微型計算機，用戶可以使用它瀏覽郵件、文本信息以及來電信息，并通過眼鏡架腿上的觸摸板做出回應，還能夠?qū)⒄Z音輸入轉(zhuǎn)換為文本信息。谷歌眼鏡的用戶可以從顯示屏上獲得投影信息，甚至可以通過谷歌（Google）網(wǎng)站將輸入語句翻譯成外語。

美國BMI公司是位于俄亥俄州哥倫布市的一家私人非盈利性的研發(fā)公司，公司基于谷歌眼鏡展示了一種“戰(zhàn)術級增強現(xiàn)實應用”（TARA：Tactical AR Application）。TARA應用基于視頻識別技術，為攜帶化學生物放射性檢測裝備的應急人員提供對潛在有害物質(zhì)的評估。BMI公司的戴倫·沃爾夫解釋說：“該應用能夠給予應急人員不同顏色的指示信息，從而顯示當前檢測設備對被測試劑是否有效?！惫雀柩坨R的顯示屏能夠列出對危險品、爆炸物和大規(guī)模殺傷性武器的處置備忘錄。

在執(zhí)法行動中，谷歌眼鏡采集的視頻影像能夠被面部識別軟件處理，再結(jié)合相關數(shù)據(jù)庫信息分辨出嫌疑人。

“戰(zhàn)術級增強現(xiàn)實應用”可以與“圓窗裂痕”虛擬現(xiàn)實頭戴設備一起作為沉浸式訓練環(huán)境的一部分。基于內(nèi)置的頭部傳感器和一對手持傳感器，受訓人員可以與危險品、爆炸物和大規(guī)模殺傷性武器訓練場景中的虛擬目標進行交互。

在美國空軍研究實驗室，一名少尉正在演示谷歌眼鏡的用途

美國空軍研究實驗室（AFRL）已經(jīng)在探索將谷歌眼鏡用于空降救援和聯(lián)合戰(zhàn)術控制的前景，該計劃被命名為“蝙蝠俠 II”。正是由于谷歌眼鏡具有質(zhì)量輕、造價低和內(nèi)置大量傳感器的優(yōu)勢，美國空軍研究實驗室考慮用它來替代現(xiàn)有平臺?；诠雀柩坨R，戰(zhàn)術控制人員可以通過對目標的注視來為攻擊機指示目標。同時，美國空軍研究實驗室正在研究使用谷歌眼鏡協(xié)助空降救援人員實現(xiàn)基于遠程傳感器的傷員生命體征監(jiān)測和醫(yī)療信息傳輸，該應用將有助于確定哪些傷病人員急需救治。

BAE系統(tǒng)公司開發(fā)了一款類似谷歌眼鏡的頭戴式顯示設備（HMD），該設備采用單目顯示方式，用于單兵的版本稱為Q-WARRIOR。其能夠提升單兵的態(tài)勢感知能力，同時還能夠通過疊加的數(shù)據(jù)和視頻為單兵提供情報信息。該設備的主要特點是：具有增強型的夜間成像和規(guī)劃路徑能力，能夠識別敵方兵力、追蹤人員和設備，支持小組協(xié)同行動。BAE系統(tǒng)公司的該項技術將首先應用于包括偵察與反恐在內(nèi)的特殊軍事行動中。BAE系統(tǒng)公司的士兵系統(tǒng)項目主管保羅·懷特認為此裝備的最大需求也恰恰來源于最早采用態(tài)勢感知技術時所提出的優(yōu)勢和需求。

美國海軍研究局也與眼鏡生產(chǎn)廠商Vuzix公司和頭戴式顯示設備（HUD）制造商Six15科技公司合作，研制類似于谷歌眼鏡且可與標準軍用護目鏡集成的設備。美國海軍正計劃將這款頭戴式增強現(xiàn)實顯示設備用于軍事訓練。受訓士兵可以通過該設備在其視野內(nèi)增加虛擬角色、目標和各種特效等。

美國陸軍作戰(zhàn)實驗室基于智能手機開發(fā)了手持式“態(tài)勢感知工具”，以便士兵能夠獲得地面機器人和空中無人機傳輸?shù)囊曨l信息?；跓o線網(wǎng)連接戰(zhàn)術機器人或者小型無人機控制系統(tǒng)，分隊指揮官態(tài)勢感知工具可將視頻實時傳輸給班排指揮員，使他們部分取代傳統(tǒng)的無線電方式來發(fā)送請求和接收指令。

谷歌公司以及其他一些研究機構(gòu)正在致力于研究仿生“智能透鏡”——通過微電子元件與透鏡關聯(lián)。菲尼爾透鏡可以將影像聚焦到用戶的視網(wǎng)膜上，影像由發(fā)光二極管生成，整個系統(tǒng)由射頻天線和集成電路傳輸?shù)哪芰窟M行供電。

2014年早些時候，Oculus公司發(fā)布了新一代開發(fā)者工具包DK2。DK2使用有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器來解決運動圖像模糊和顫抖的問題，每只眼睛對應的顯示屏都具有960×1080的高分辨率。DK2還使用外置攝像機來支持六個自由度的頭部運動跟蹤。

Vuzix公司與Six15科技公司合作研發(fā)的頭盔式增強現(xiàn)實顯示裝備用于軍事訓練，受訓士兵可以通過該設備在其視野內(nèi)增加虛擬角色、目標和各種特效等，可極大提高訓練水平，節(jié)約訓練成本

隨后，Oculus公司在同年9月份發(fā)布了一款質(zhì)量更輕的樣機——“月牙灣”（Crescent Bay），該產(chǎn)品配置了一個能夠?qū)崿F(xiàn)全方位頭部運動跟蹤的攝像頭，使頭部運動不受約束。同時，“月牙灣”整合了耳麥，大大提升了用戶的沉浸感。

但是，曾就職于Quantum 3D公司的亨克·塞米內(nèi)克（Hank Semenec）發(fā)現(xiàn)Oculus公司采用的光學器件存在大量邊緣失真現(xiàn)象。仔細觀察Oculus的光學器件，就會發(fā)現(xiàn)存在的透光度問題以及與彩色光譜相關的邊緣失真現(xiàn)象，使得為受訓人員顯示的相關信息很快就變得無法識別。這款頭盔顯示器未來還需要改進。

索尼公司也進行了頭盔顯示器的研發(fā)，命名為“墨菲斯”計劃（Project Morpheus），與PlayStation 4 一起使用?！澳扑埂迸鋫淞艘粔K5英寸顯示屏，具有90°視角和1920×1080的高分辨率，內(nèi)置慣性傳感器，佩戴者只要轉(zhuǎn)動頭部，PlayStation的攝像頭就能夠準確捕獲用戶的頭部朝向。

三星（Samsung）與Oculus公司合作完成Gear VR系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Galaxy Note 4智能手機作為顯示器——手機安裝在Gear VR的前面，作為Gear VR的顯示器，能夠與Gear VR的眼鏡完全吻合。

谷歌公司發(fā)布了一款用于游戲的頭盔顯示器，名為Google Cardboard。該系統(tǒng)使用玩家自己的智能手機。更為有特色的是谷歌的“探戈”（Tango）項目，它不可思議地將3D空間感知和視覺技術應用于手機中。其核心是一塊由Movidius公司生產(chǎn)的Myriad 1 視覺處理器，芯片僅需要幾百毫瓦的電量，具有超萬億次處理能力。谷歌“探戈”手機還集成了體感虛擬傳感器，能夠?qū)κ謾C周圍的環(huán)境進行掃描。

SGIL公司的VisTA系統(tǒng)可用于多種虛擬環(huán)境下的訓練，集成了單人/多人、戰(zhàn)術突擊、決策判定和態(tài)勢感知訓練。

顯然，以訓練服務為目標的虛擬現(xiàn)實技術對軍事訓練尤其有效，使士兵能夠提高對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力以及面對危險環(huán)境時如何應對與處置的能力?；谔摂M現(xiàn)實的仿真技術能夠使士兵在沒有傷亡風險的前提下實現(xiàn)上述軍事訓練的目標。通過對特定場景的重現(xiàn)（例如與敵人戰(zhàn)斗的場景），使受訓人員擁有身臨其境的體驗，而且不存在真實環(huán)境中的任何風險。與傳統(tǒng)訓練方法相比，更加安全經(jīng)濟。

虛擬現(xiàn)實訓練需要借助于頭戴式顯示器（HMD）完成，頭戴式顯示器內(nèi)置運動追蹤和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用者能夠與虛擬環(huán)境進行交互。

空中控制員正在使用Oculus公司的增強現(xiàn)實設備。沉浸式的頭部裝置可有效為人員提供相關訓練

訓練中，士兵和其他相關人員配備虛擬現(xiàn)實眼鏡，該眼鏡能夠產(chǎn)生虛擬3D影像，而且在全體參與人員之間共享。但是，需要強調(diào)的是虛擬現(xiàn)實只能作為輔助設備使用，并不能完全替代真實訓練。

虛擬現(xiàn)實戰(zhàn)斗仿真利用虛擬化環(huán)境，對新兵進行必備技能和技術的訓練。新兵配備虛擬現(xiàn)實眼鏡或者具有追蹤系統(tǒng)的頭戴式顯示器，在這樣一種3D虛擬化環(huán)境中進行科目訓練。

虛擬現(xiàn)實還可用來治療創(chuàng)傷后精神失調(diào)（PRSD）。對于遭受戰(zhàn)場創(chuàng)傷和心理創(chuàng)傷的傷員，醫(yī)護人員可以采用虛擬現(xiàn)實技術在一個安全的環(huán)境下學習如何治療和處置這些病癥，使傷員能夠面對那些具有刺激性的環(huán)境和條件，使他們逐步調(diào)整和適應這些外來的精神刺激。該方法在緩解傷病員傷痛以及適應新環(huán)境方面明顯有效。

虛擬現(xiàn)實的應用形式和應用場景多種多樣，例如游戲和大規(guī)模虛擬化環(huán)境。虛擬現(xiàn)實游戲近年來逐漸流行起來，新兵也被要求基于這些游戲來學習提升戰(zhàn)斗技巧和技術。而且，新兵入伍前也經(jīng)常在閑暇時間玩類似的視頻游戲，因此對于這些游戲的操作和使用非常熟悉。這些游戲還可以用來作為新兵入門培訓的一部分，幫助他們熟悉和適應軍隊生活?？紤]到如今的年輕人能夠很快掌握這些游戲和技術并被其吸引，虛擬現(xiàn)實訓練也因此被用來作為新兵招募的噱頭，并計劃在士兵的整個軍旅生涯中進行推廣。

用戶在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中具有沉浸感，會認為自己完全處于這個虛擬世界中，并成為其中一部分。用戶還能夠通過多種方式與環(huán)境交互，換句話說，良好的虛擬現(xiàn)實體驗使用戶更加集中于在虛擬環(huán)境中的存在感，而對周圍的真實存在渾然不知。

增強/ 虛擬現(xiàn)實圖景，計算機生成的虛擬世界展現(xiàn)在訓練者眼前，使受訓者更加沉浸于虛擬環(huán)境中的存在感

如果模擬所有場景，虛擬現(xiàn)實環(huán)境需要大量信息和數(shù)據(jù)。在所有傳感器模擬要素中，大多數(shù)虛擬環(huán)境技術和應用都優(yōu)先考慮視覺和聽覺組件的影響，但是越來越多的科學家和工程師也在考慮通過觸摸系統(tǒng)將用戶的觸覺集成進來。

為了獲得良好的沉浸感，虛擬世界中出現(xiàn)的物體大小應該和真實環(huán)境中保持一致，并能夠無縫地進行視角轉(zhuǎn)換。如果在一個虛擬環(huán)境中的房子中央僅有一個基臺，那么用戶應能夠從任何角度觀察基臺，并且視圖可以隨著用戶所處位置和視角的變化而變化。真正的沉浸感能夠使用戶忘記所處的真實環(huán)境，為了實現(xiàn)這一目標，研發(fā)人員需要找到對用戶來說最為自然的信息輸入方式。

虛擬現(xiàn)實的交互性還包括對虛擬環(huán)境的更改。好的虛擬環(huán)境（VE）能根據(jù)用戶的行為動作產(chǎn)生正確的響應，如果虛擬環(huán)境的變化出乎意料，就會破壞用戶的現(xiàn)場感。

虛擬現(xiàn)實技術對軍事領域的支持由來已久，訓練包括從車輛模擬到班組作戰(zhàn)的所有項目。總之，相對其他訓練方式，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)更安全，而且從長期來看也更經(jīng)濟。事實證明，經(jīng)過充分的虛擬現(xiàn)實訓練的士兵也會很出色。

虛擬現(xiàn)實領域的最大挑戰(zhàn)在于：如何開發(fā)出更加優(yōu)秀的行為動作跟蹤系統(tǒng)，如何探索出虛擬現(xiàn)實中用戶交互的更加自然的方式，以及如何縮短構(gòu)造虛擬現(xiàn)實的耗時。

當前創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實需要很長時間。許多系統(tǒng)依賴的硬件設施對用戶及其選擇造成了限制和束縛。缺少精心設計的硬件設備，將會影響用戶的平衡感和距離感，甚至使用戶患上3D眩暈癥（cyber-sickness），出現(xiàn)包括惡心和迷失方向感等癥狀。一些心理學家關注沉溺于虛擬現(xiàn)實對用戶心理產(chǎn)生的影響，他們認為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)會導致用戶感覺遲鈍，或沉迷網(wǎng)絡成癮。

如今使用最新技術的圖形顯卡具有很強的處理能力。這也使得即使使用便攜計算機也可以使用虛擬現(xiàn)實技術，滿足許多軍事領域的虛擬化和仿真需求。但是用戶對虛擬現(xiàn)實的浸入式等級的需求也各不相同，需根據(jù)用戶需求靈活分級設定。

作戰(zhàn)人員借助增強現(xiàn)實技術提高戰(zhàn)斗力已有目共睹，有些技術已經(jīng)在軍事領域得到應用，有些正在開發(fā)之中。

當前，在實現(xiàn)完全的網(wǎng)絡化的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境之前，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)能夠基于最先進的增強現(xiàn)實技術來協(xié)助完成士兵訓練。未來，隨著科技的進一步發(fā)展，增強/虛擬現(xiàn)實技術會在軍事領域獲得更廣泛的應用。

編輯/劉蘭芳