羅 斌

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川綿陽621999)

核輻射環(huán)境增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用發(fā)展初探

羅 斌

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川綿陽621999)

初步論述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用發(fā)展，首先闡述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的基本特性，分析了適用于核輻射環(huán)境應(yīng)用的頭部姿態(tài)跟蹤、顯示和人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)，描述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電站、輻射手套箱、反應(yīng)堆等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，最后討論了發(fā)展趨勢(shì)和難點(diǎn)，并進(jìn)行了總結(jié)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；人機(jī)交互；核輻射環(huán)境

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)[1-4]是在用戶觀察的真實(shí)場(chǎng)景或者攝像機(jī)視頻圖像中添加計(jì)算機(jī)生成的文字、3D模型等信息，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合視圖的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。其基本原理是使用頭部姿態(tài)跟蹤器提供的姿態(tài)信息精確地對(duì)準(zhǔn)虛擬的物體和攝像機(jī)攝取的視頻圖像或者通過透射方式觀看到的自然景象，當(dāng)用戶在轉(zhuǎn)動(dòng)或平移頭部時(shí)，用戶還能夠在視頻透射式或光學(xué)透射式頭盔顯示器(Head-mounted display，HMD)屏幕上觀看到精確對(duì)準(zhǔn)的虛實(shí)融合圖像。Milgram等[5]使用一個(gè)橫跨純真實(shí)與純虛擬之間的連續(xù)閉集對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)虛擬(Augmented Virtuality)以及混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality)進(jìn)行清晰甄別，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)描述為更接近于純真實(shí)空間之間的一段連續(xù)空間，如圖1所示。由于用戶不僅可以與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬物體進(jìn)行交互，而且還可以與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互，這種高級(jí)人機(jī)交互能力促使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)[6，7]、軍事[8]、醫(yī)學(xué)[9]、文化遺跡[10]、游戲娛樂[11]、導(dǎo)航[12]和教育[13]等領(lǐng)域，而且在核輻射環(huán)境中也具有巨大應(yīng)用潛力。

在核科學(xué)領(lǐng)域，核輻射主要指由放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量，分為天然輻射和人工輻射，前者源自于宇宙射線、陸地輻射源和體內(nèi)放射性物質(zhì)，后者來自于放射性診斷和放射性治療輻射源如X光，放射性藥物、放射性廢物、核武器爆炸以及核反應(yīng)堆和加速器產(chǎn)生的照射等。核輻射環(huán)境是可產(chǎn)生核輻射的工作環(huán)境，本文特指為工業(yè)領(lǐng)域放射性物質(zhì)的加工制造、存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)用環(huán)境。放射性物質(zhì)一般在封閉手套箱內(nèi)進(jìn)行加工，可利用核反應(yīng)原理產(chǎn)生強(qiáng)輻射，或構(gòu)建各種裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生核能，被應(yīng)用于核電站、核動(dòng)力潛艇和火箭、核裝備等。核輻射環(huán)境的共同特點(diǎn)是安全第一，必須采取核輻射防護(hù)措施防止核輻射泄漏造成環(huán)境污染，防止強(qiáng)輻射射線進(jìn)入人體內(nèi)將對(duì)身體健康造成傷害，使人致病、致癌和致死。防輻射措施包括控制工作用戶的受照射時(shí)間，增大與輻射源距離以及采用屏蔽物進(jìn)行隔離等。此外，操作人員與核輻射環(huán)境構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)工作環(huán)境，操作人員也是影響核輻射環(huán)境安全的要因素。操作人員必須借助于工作手冊(cè)熟悉和掌握工作流程，熟練操作設(shè)備，經(jīng)過數(shù)年培訓(xùn)，才能上崗執(zhí)行工作任務(wù)，也必須具備較強(qiáng)的技術(shù)能力和心理素質(zhì)，不能出現(xiàn)任何操作失誤，否則會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至生命危險(xiǎn)。因此，改善工作人員的工作環(huán)境，使得操作人員遠(yuǎn)離輻射環(huán)境，并結(jié)合使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工作過程進(jìn)行培訓(xùn)和引導(dǎo)，提高工作效率和縮短培訓(xùn)周期，增強(qiáng)核輻射環(huán)境的安全性具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 Milgram等的真實(shí)-虛擬連續(xù)閉集示意圖Fig.1 Melgram’reality-virtuality continuum

目前，在國(guó)內(nèi)很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了深入研究，但目前關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行初步討論，首先介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)基本屬性，然后分析適用于核輻射環(huán)境應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，最后闡述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)基本屬性

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有其區(qū)別于虛擬現(xiàn)實(shí)的三大獨(dú)特特性：(1)虛實(shí)融合； (2)實(shí)時(shí)交互；(3)三維注冊(cè)。這三大屬性支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射環(huán)境中的不同應(yīng)用。

1.1 虛實(shí)融合

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛實(shí)融合方式可分為三類。第一類是二維融合，即直接在視頻圖像上或者在虛擬的二維平面上添加文字、圖片和動(dòng)畫等2D虛擬對(duì)象。這類虛實(shí)融合方式主要用于界面虛擬菜單[14]，用于顯示工藝流程手冊(cè)，工具圖片，以及工藝操作動(dòng)畫等，幫助用戶在感知真實(shí)視頻圖像環(huán)境的同時(shí)，也能即時(shí)獲得當(dāng)前真實(shí)環(huán)境所需的信息，比如下一步的工藝操作，圖像中操作設(shè)備的使用方法等，如圖2(a)所示。第二類是三維融合，是在觀察的真實(shí)物體上添加3D虛擬對(duì)象，并在真實(shí)物體移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等的同時(shí)，虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)地與真實(shí)物體對(duì)準(zhǔn)在一起。這類融合方式主要用于顯示三維模型，以及三維操作動(dòng)作，比如旋轉(zhuǎn)控制板上的按鈕的等，如圖1(b)所示。第三類融合方式是第一類與第二類的組合，即在用戶觀察的設(shè)備上顯示虛擬信息，當(dāng)用戶觀察視角變化時(shí)，顯示的2D信息可以伴隨真實(shí)物體產(chǎn)生移動(dòng)，但是該虛擬的2D信息會(huì)始終面向用戶，信息清晰度隨觀察視距變化而變化，視距越小越清晰，視距越大越模糊。

圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛實(shí)融合方式示意圖Fig.2 virtual-real fusion of AR(a) 二維融合； (b) 三維融合

1.2 實(shí)時(shí)交互

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)交互方式可分為兩類。第一類是用戶通過攝像機(jī)提供的圖像與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互，其特點(diǎn)是不需要任何交互媒介，直接利用攝像機(jī)提供的視頻作為交互接口，如圖2所示。用戶可以直接通過視頻圖像觀察自己的交互動(dòng)作，也可以在虛擬的二維或三維信息引導(dǎo)下進(jìn)行操作動(dòng)作，比如根據(jù)部件裝配動(dòng)畫進(jìn)行裝配等。第二類是用戶與虛實(shí)融合視圖中的虛擬信息進(jìn)行交互，可以單獨(dú)使用標(biāo)志板、人手勢(shì)等交互媒介，也可以將人手勢(shì)、語音等進(jìn)行綜合進(jìn)行多模人機(jī)交互，詳見2.3節(jié)具體討論。

1.3 三維注冊(cè)

三維注冊(cè)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心特征，是指在不同觀察視角條件下，通過實(shí)時(shí)跟蹤用戶的頭部姿態(tài)，將頭部姿態(tài)的投影矩陣與AR環(huán)境中虛擬攝像機(jī)的投影矩陣保持一致，實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)虛擬的三維信息與真實(shí)的環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用中，由于頭部快速運(yùn)動(dòng)或者頭部姿態(tài)估計(jì)不精確等原因，虛擬物體并不會(huì)完全與真實(shí)環(huán)境精確對(duì)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)虛擬物體與真實(shí)環(huán)境對(duì)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)是注冊(cè)誤差[15]，包括靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，前者為描述空間域虛實(shí)物體之間的姿態(tài)之差，后者為描述時(shí)間域虛實(shí)物體之間的時(shí)間差。靜態(tài)誤差的來源包括光學(xué)元件畸變、姿態(tài)優(yōu)化估計(jì)算法、視參數(shù)、標(biāo)志物布局結(jié)構(gòu)、圖像噪聲等，一般可采用標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)[16]獲得光學(xué)元件畸變參數(shù)，采用有最小二乘法和隨機(jī)抽樣一致性等方法[17]優(yōu)化姿態(tài)估計(jì)值等。動(dòng)態(tài)誤差的來源來自圖像輸入端和圖像顯示端的系統(tǒng)延遲，一般采用濾波方法[18]進(jìn)行預(yù)測(cè)，減小動(dòng)態(tài)延遲誤差。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建一個(gè)面向核輻射環(huán)境應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，重點(diǎn)需要考慮到系統(tǒng)用戶的頭部姿態(tài)跟蹤、融合圖像的顯示、用戶與系統(tǒng)的人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)問題，本小節(jié)重點(diǎn)介紹和分析核輻射環(huán)境AR應(yīng)用的這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 頭部姿態(tài)跟蹤技術(shù)

頭部姿態(tài)跟蹤技術(shù)[19]包括機(jī)械、電磁、GPS、超聲波視覺攝像機(jī)以及慣性傳感器等硬件跟蹤技術(shù)和混合跟蹤技術(shù)，其中機(jī)械和電磁跟蹤器在對(duì)跟蹤較高的AR領(lǐng)域已較少使用。GPS是使用多個(gè)衛(wèi)星估計(jì)用戶絕對(duì)位置的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，跟蹤范圍大，穩(wěn)定性好，但無法在室內(nèi)使用；超聲波是根據(jù)超聲波發(fā)射源信號(hào)到達(dá)接收器之間的時(shí)間差、相位差或聲壓差估計(jì)位置和方向，精度高，穩(wěn)定性好，但需要超聲波源，成本高，刷新率低，有遮擋；慣性傳感器是使用慣性陀螺儀和微加速計(jì)來估計(jì)相對(duì)位置和方向，體積小、免遮擋，刷新率高，計(jì)算負(fù)載低，但內(nèi)部漂浮導(dǎo)致精度下降；視覺跟蹤器使用攝像機(jī)跟蹤目標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)計(jì)算攝像機(jī)姿態(tài)，分為標(biāo)識(shí)(Marker)跟蹤和免標(biāo)識(shí)(Markerless)跟蹤，前者使用LED[20]，二維碼[21]，ARToolKit[21]，AR-Tag[23]等作為攝像機(jī)跟蹤目標(biāo)，成本低廉，可測(cè)性好，高精度，穩(wěn)定性好，遮擋，大范圍內(nèi)需布置大量標(biāo)志板，提前測(cè)量標(biāo)志板；后者使用邊緣[24]、角點(diǎn)[25]和平面[26]，特征不變量[27]等復(fù)雜自然特征作為攝像機(jī)跟蹤目標(biāo)，計(jì)算負(fù)載高，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下跟蹤不穩(wěn)定；混合跟蹤器是是不同跟蹤器的組合，可實(shí)現(xiàn)不同跟蹤器之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)大范圍室內(nèi)外跟蹤，但需要復(fù)雜的標(biāo)定和同步方法[28]。

核輻射增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的跟蹤方法選擇取決于具體應(yīng)用和跟蹤范圍。首先，輻射工業(yè)環(huán)境一般都處于室內(nèi)，不能使用GPS，不能在環(huán)境中布置超聲波源和攝像機(jī)等，只有慣性傳感器，視覺攝像機(jī)和慣性-視覺混合跟蹤器是比較合適的選擇。其次，由于輻射環(huán)境中的場(chǎng)景特征比較復(fù)雜，使用自然特征跟蹤方法，計(jì)算負(fù)載大，跟蹤不穩(wěn)定，因此使用標(biāo)識(shí)物特征跟蹤，能夠同時(shí)確保低負(fù)載、高精度和穩(wěn)定性。目前使用的ARToolKit等標(biāo)志物適用于約3m以內(nèi)的短距離跟蹤；當(dāng)跟蹤距離擴(kuò)大時(shí)，不可能在環(huán)境中放置大型方塊標(biāo)志板，但可以使用線型標(biāo)志物[29]，將線型標(biāo)識(shí)安置在管線等長(zhǎng)條型物體上，可有效擴(kuò)大跟蹤距離。能夠同時(shí)進(jìn)行短距離和長(zhǎng)距離跟蹤的方法是使用多尺度標(biāo)志板[30]，在長(zhǎng)距離時(shí)跟蹤該標(biāo)志板的外圓特征，在短距離時(shí)跟蹤該標(biāo)志板的內(nèi)圓特征。最后，在有遮擋的AR環(huán)境，可以選擇使用攝像機(jī)-慣性混合傳感器進(jìn)行跟蹤，既能夠補(bǔ)償慣性漂浮，又能夠解決攝像機(jī)遮擋導(dǎo)致的跟蹤失敗問題。可見，在核輻射環(huán)境下，標(biāo)志物跟蹤是最適用的頭部姿態(tài)跟蹤方法。

2.2 顯示技術(shù)

目前AR領(lǐng)域使用的顯示設(shè)備包括計(jì)算機(jī)顯示器、視網(wǎng)膜顯示器、頭盔顯示器和手持設(shè)備等，其中頭盔顯示器又包括視頻透射HMD、光學(xué)透射HMD[31]、投影式HMD(Head-Mounted Projective Displays，HMPD)[32]等。計(jì)算機(jī)顯示器是最普通的AR顯示器，視網(wǎng)膜顯示器使用激光將虛實(shí)融合的圖像合成在視網(wǎng)膜上，亮度好，電源能耗低、高分辨率，重量輕，目前實(shí)際應(yīng)用還少；視頻透射HMD則是將視頻攝像機(jī)的真實(shí)視頻圖像與計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖形合并顯示在HMD的屏幕上，虛實(shí)物體精確對(duì)準(zhǔn)，高亮度，有時(shí)間延遲，圖像分辨率受限制；光學(xué)透射HMD是將用戶人眼觀察到真實(shí)的自然場(chǎng)景與HMD上的虛擬圖形合成為虛實(shí)融合場(chǎng)景，無時(shí)間延遲、無漂浮，無圖像退化，但標(biāo)定步驟復(fù)雜，同時(shí)觀察虛實(shí)物體有難度；HMPD綜合使用投影儀和折反射材料將虛擬圖像投影到現(xiàn)實(shí)的真實(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)融合，免遮擋，可多人觀察融合圖像，但需要在環(huán)境中安裝設(shè)備；投影顯示系統(tǒng)由投影機(jī)和顯示屏幕構(gòu)成，供多人觀察融合圖像；手持式設(shè)備包括指平板電腦、移動(dòng)智能設(shè)備等，體積小、顯示屏幕小、重量輕，工作模式可切換，但顯示器屏幕小，手不能進(jìn)行操作。AR顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是逐步向高分辨率、大視場(chǎng)、輕量級(jí)、完全真實(shí)感和交互感、便攜式等方面發(fā)展[33]。

在核輻射特殊工作環(huán)境中使用視網(wǎng)膜顯示器、光學(xué)投射HMD和HMPD是不現(xiàn)實(shí)的。在輻射材料封閉儲(chǔ)存環(huán)境中，操作人員只能遠(yuǎn)程觀察內(nèi)部場(chǎng)景和進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，因此適合選擇大型投影屏幕和計(jì)算機(jī)顯示器作為遠(yuǎn)程顯示終端。在核電站環(huán)境下，操作人員需要大范圍工作，更適用于開發(fā)便攜式AR系統(tǒng)，使用視頻透射HMD和手持式顯示器是合理選擇；在核輻射手套箱環(huán)境下，操作人員工作區(qū)域小，且需要長(zhǎng)時(shí)間工作，使用輕量級(jí)視頻透射HMD是優(yōu)化選擇。

2.3 人機(jī)交互技術(shù)

用戶與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)交互主要表現(xiàn)在與虛擬物體之間的交互，它利用出現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中的標(biāo)志物、手勢(shì)、語音等作為交互媒介，通過建立真實(shí)物體運(yùn)動(dòng)與虛擬物體任務(wù)命令之間的映射關(guān)系，操作真實(shí)環(huán)境中的物體，自然直覺地與虛擬物體進(jìn)行交互，執(zhí)行用戶定義的操作，如圖3所示。標(biāo)志物AR交互是用戶手持標(biāo)志物，或者在手上綁定標(biāo)志物，使用攝像機(jī)識(shí)別標(biāo)志物，比如啟動(dòng)菜單執(zhí)行AR建模任務(wù)[34]。語音交互是將語音語義轉(zhuǎn)換為任務(wù)命令，比如轉(zhuǎn)換為文字顯示以幫助聾啞人進(jìn)行交流[35]。手勢(shì)AR交互是通過識(shí)別手勢(shì)進(jìn)行交互，大致可分為三類方式。第一類是將彩色標(biāo)志物綁定在手指上，使用攝像機(jī)跟蹤標(biāo)志物獲得手指語義，實(shí)現(xiàn)虛擬撥號(hào)[36]和虛擬鍵盤操作[37]。第二類是3D自然手勢(shì)交互，指用攝像機(jī)直接跟蹤手指，直接在手上注冊(cè)虛擬物體，當(dāng)手移動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)虛擬物體隨之運(yùn)動(dòng)[38，39]。第三類是使用攝像機(jī)直接跟蹤手指/指尖運(yùn)動(dòng)，用手指/指尖實(shí)現(xiàn)與虛擬信息/物體的特定交互操作，比如用人手指尖拾取、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)虛擬物體[40-43]，模擬鼠標(biāo)交互行為[44]，選擇虛擬菜單執(zhí)行任務(wù)操作等[45-47]。此外，集成語音和手勢(shì)的多模交互在實(shí)際應(yīng)用中得到用戶更多青睞[48]。

圖3 用戶與AR虛擬物體進(jìn)行交互Fig.3 AR interaction between users and virtual objects(a) 手持標(biāo)定板交互； (b) 手指綁定彩色物體交互；(c) 3D手指交互； (d) 2D手指交互

在核輻射環(huán)境下，操作人員一般不使用自然手勢(shì)與注冊(cè)的虛擬物體進(jìn)行直接的3D交互，更普遍的用法是通過識(shí)別手勢(shì)、語音和標(biāo)志板，并翻譯為自己定義的命令釋義，啟動(dòng)、終止某一任務(wù)操作，比如用手指模擬點(diǎn)擊虛擬菜單驅(qū)動(dòng)虛擬的三維物體運(yùn)動(dòng)。在反應(yīng)堆遠(yuǎn)程操作應(yīng)用中，由于操作用戶已經(jīng)脫離現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，遠(yuǎn)程操作人員適合使用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)進(jìn)行交互。在輻射手套箱特殊環(huán)境中，由于操作人員手戴防輻射手套進(jìn)行操作，使用語音是最實(shí)用的任務(wù)交互方法，可以將防輻射手套顏色制作為與人手相似的皮膚色，直接跟蹤手套皮膚色，獲得防輻射手套指尖像素位置，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用系統(tǒng)二維虛擬對(duì)象的交互。在核電站便攜式或移動(dòng)式AR應(yīng)用中，交互方法的選擇較多，可以使用攝像機(jī)跟蹤裸手、彩色標(biāo)志物，或使用語音等。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，專家學(xué)者將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)基本屬性與核輻射特殊環(huán)境緊密結(jié)合，促進(jìn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用研究，為操作人員帶來現(xiàn)實(shí)的好處，包括讓操作人員遠(yuǎn)離輻射環(huán)境，輔助工作人員進(jìn)行材料加工、設(shè)備維護(hù)和遠(yuǎn)程操作，提高工作人員的工作效率和增強(qiáng)核輻射環(huán)境中工作人員的安全性。根據(jù)查閱的現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，本文從水下核動(dòng)力堆檢查、核電站維護(hù)、輻射材料加工制造等方面，介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.1 水下核動(dòng)力堆檢查

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射工業(yè)環(huán)境中較早的應(yīng)用是水下核動(dòng)力堆。水下核動(dòng)力堆主要利用核反應(yīng)過程來推動(dòng)潛艇等水下機(jī)械設(shè)備。通用研究開發(fā)中心的Corby和Nafis[49]開發(fā)了一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，用于執(zhí)行水下核動(dòng)力堆的預(yù)期檢查、補(bǔ)給和修補(bǔ)儲(chǔ)運(yùn)損耗等任務(wù)。該系統(tǒng)利用CAD模型創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)時(shí)合成的水下核反應(yīng)堆虛實(shí)圖像，顯示了檢查任務(wù)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前的實(shí)時(shí)視頻圖像、過去的視頻圖像和檢查報(bào)告，以及過去可靠的檢查決策等數(shù)據(jù)，提高了操作人員檢查任務(wù)的效率。

3.2 核電站維護(hù)

核電站利用核反應(yīng)過程，構(gòu)建發(fā)電堆產(chǎn)生電能，包括核材料、載熱體以及相關(guān)的控制設(shè)施、防護(hù)設(shè)施和安全系統(tǒng)等。核電站的特點(diǎn)是設(shè)備繁多復(fù)雜、工作區(qū)域大，這給增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核電站的應(yīng)用帶來很大困難。Fuchs等[50]使用基于模型的特征識(shí)別方法跟蹤曲面和輪廓表面，開發(fā)了一個(gè)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)操作系統(tǒng)，并與監(jiān)督系統(tǒng)集成，讓操作人員遠(yuǎn)程維護(hù)核電站的加壓水反應(yīng)堆。德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)的Klinker等[51]開發(fā)了用于核電站氦激勵(lì)裝置維護(hù)的便攜式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)驗(yàn)證了交互式電子手冊(cè)(interactive electronic technical manuals，IETM)、IETM網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音識(shí)別分析和LCD平板等輸入輸出用戶接口的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了基于組件的系統(tǒng)集成，其界面如圖4所示。日本京都大學(xué)能源科學(xué)研究院的Ishii和Shimoda等對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電站的應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，分析了適用于核電站的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)[52]，提出了面向核電站應(yīng)用的條形碼標(biāo)志物跟蹤方法[29]，將AR技術(shù)用于核電站的位置導(dǎo)航、危險(xiǎn)區(qū)指示、不可見管線提示等維護(hù)任務(wù)[53]，拆除核電站過期設(shè)備[54]，并結(jié)合無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，AFID)技術(shù)開發(fā)了核電站水隔離增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了閥門指示、導(dǎo)航、確認(rèn)和任務(wù)步驟管理等功能，使用虛擬信息引導(dǎo)操作人員執(zhí)行閥門維護(hù)任務(wù)[55]，如圖5所示。最近，Leutert等[56]在核電站機(jī)器人遠(yuǎn)程操作中，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在用戶觀察的場(chǎng)景中直接自覺地可視化復(fù)雜信息，以支持機(jī)器人的遠(yuǎn)程檢查、環(huán)境交互等功能。

圖4 核電站氦激勵(lì)裝置便攜式AR系統(tǒng)Fig.4 Wearable NPP helium flushing AR system

圖5 核電站水隔離AR系統(tǒng)Fig.5 NPP water isolation AR system(a) 指示閥門;(b) 指示閥門旋轉(zhuǎn)方向

3.3 輻射材料加工制造

輻射手套箱是用于輻射材料加工的特殊封閉環(huán)境，它的特點(diǎn)是潛在的身體健康危險(xiǎn)，加工工藝復(fù)雜，操作條件苛刻等。手套箱環(huán)境必須全封閉且箱體具有防輻射功能，操作人員必須手戴防輻射手套與輻射材料接觸，在操作過程中會(huì)出現(xiàn)精神緊張和注意力不集中，導(dǎo)致操作失誤的可能性也不可能徹底消除。當(dāng)前操作人員必須借助于加工手冊(cè)熟悉和掌握煩瑣復(fù)雜的加工工藝流程，任何操作失誤都可能損毀材料而導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。手套箱內(nèi)部空間狹小，操作人員必須將戴防輻射手套的手通過操作孔伸入加工環(huán)境內(nèi)進(jìn)行操作，而且人手臂長(zhǎng)度有限，在有限自由度運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間操作，導(dǎo)致手臂酸痛疲勞和視覺疲勞。其次，操作人員在進(jìn)行手工操作的同時(shí)，還必須透過觀察孔觀察內(nèi)部區(qū)域。針對(duì)這些問題，德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)[57]使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了醫(yī)用輻射材料加工的手套箱增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用于保護(hù)用戶免受核放射材料的永久威脅，幫助操作人員完成嚴(yán)格而有壓力的復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)使用一個(gè)慣性頭部跟蹤器控制環(huán)境監(jiān)視攝像機(jī)的姿態(tài)，確保手套箱外的操作人員能夠通過HMD觀察到手套箱內(nèi)的大部分工作區(qū)域，并使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工作區(qū)域添加核輻射、警告、危險(xiǎn)區(qū)域等輔助信息，幫助操作人員處理工作任務(wù)、放松決策、減輕壓力和增強(qiáng)操作舒適度。圖6顯示了該系統(tǒng)的工作環(huán)境、解決方案以及手套箱加工過程中的操作任務(wù)和控制面板的增強(qiáng)效果。

圖6 AR在輻射手套箱中的應(yīng)用Fig.6 AR applications for nuclear radioactive glove box(a) 手套箱操作環(huán)境； (b) 手套箱AR解決方案；(c) 手套箱內(nèi)部場(chǎng)景的HMD增強(qiáng)視圖

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用還處于起步階段，但鑒于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在增強(qiáng)安全性和提高效率等方面的價(jià)值體現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用將會(huì)不斷深入和發(fā)展，主要的發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾點(diǎn)。

(1) 應(yīng)用范圍向各種反應(yīng)堆等領(lǐng)域擴(kuò)展。文獻(xiàn)顯示，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)核輻射環(huán)境的應(yīng)用主要集中在核電站維護(hù)和輻射材料加工等方面，而進(jìn)一步的方向包括各種反應(yīng)堆應(yīng)用，比如研究堆、動(dòng)力堆、熱室和輻照室等。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以進(jìn)行反應(yīng)堆的布局設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝維護(hù)、實(shí)驗(yàn)原理演示和實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練等，減少工作人員在反應(yīng)堆環(huán)境中的輻射照射時(shí)間，提高操作的準(zhǔn)確性等。

(2) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合。目前的AR核輻射環(huán)境應(yīng)用主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程操作、設(shè)備維護(hù)和操作引導(dǎo)等實(shí)驗(yàn)性研究，而比較實(shí)用的目標(biāo)是構(gòu)建基于知識(shí)數(shù)據(jù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。這些知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)包括當(dāng)前的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)、任務(wù)流程、CAD模型，以往的操作過程或加工數(shù)據(jù)和專家的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。比如在輻射手套箱材料加工AR應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)全工藝加工流程的虛擬培訓(xùn)和操作引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)歷史操作數(shù)據(jù)和專家知識(shí)數(shù)據(jù)的管理和查詢，為當(dāng)前操作人員提供豐富的經(jīng)驗(yàn)和正確的操作選擇等。

(3) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與機(jī)器人結(jié)合。目前的AR輻射環(huán)境應(yīng)用只是從一定程度上降低輻射材料對(duì)操作人員的健康威脅。使用機(jī)器人代替操作用戶，讓操作人員徹底遠(yuǎn)離合輻射環(huán)境，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、任務(wù)操作、遠(yuǎn)程加工等是核輻射環(huán)境AR應(yīng)用的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。比如在核反應(yīng)堆退役應(yīng)用中，使用機(jī)器人進(jìn)入封閉的輻射環(huán)境，利用AR交互接口實(shí)現(xiàn)核廢棄材料的遠(yuǎn)程移動(dòng)、搬運(yùn)和處理。在輻射材料加工應(yīng)用中，使用機(jī)器人遠(yuǎn)程搬運(yùn)、裝卸工件，遠(yuǎn)程控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行材料加工等。

5 存在難題

目前，鑒于核輻射環(huán)境的特殊性，依然還存在一些難題需要進(jìn)一步解決，以滿足更實(shí)際的核輻射環(huán)境AR應(yīng)用需求。這些難題包括以下幾個(gè)方面。

(1) 核電站大范圍區(qū)域內(nèi)的海量標(biāo)志物識(shí)別技術(shù)。開發(fā)實(shí)用的核電站維護(hù)AR系統(tǒng)，需要在諸多設(shè)備上安裝數(shù)以千計(jì)的標(biāo)志物，但是目前使用的ARToolKit、ARTag等標(biāo)志板識(shí)別數(shù)目有限，而且它們的開發(fā)平臺(tái)自成一系，無法同時(shí)集成到一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，將標(biāo)志板、AFID和二維碼等目標(biāo)進(jìn)行組合是可選的解決途徑，但還需要進(jìn)一步研究和測(cè)試。

(2) 核反應(yīng)堆環(huán)境下的機(jī)器人定位跟蹤技術(shù)。使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆封閉環(huán)境下的遠(yuǎn)程操作，需要對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行精確跟蹤和定位。目前在機(jī)器人領(lǐng)域，集成攝像機(jī)與慣性傳感器的即時(shí)定位與地圖重建等技術(shù)[48]還無法實(shí)現(xiàn)室外復(fù)雜場(chǎng)景的跟蹤定位，對(duì)于完全封閉、場(chǎng)景未知而且受光照影響的核反應(yīng)堆環(huán)境進(jìn)行跟蹤定位就更為困難。

6 結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過二十多年發(fā)展已經(jīng)取得重大進(jìn)步，它與核輻射環(huán)境的特點(diǎn)緊密結(jié)合，促進(jìn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用，增強(qiáng)了核輻射工業(yè)環(huán)境的安全性。本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了初步論述，論述要點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核反應(yīng)堆、核電站和輻射手套箱等核輻射環(huán)境中的應(yīng)用目標(biāo)各不相同，在核反應(yīng)堆環(huán)境中主要用于遠(yuǎn)程操作，在核電站中主要用于便攜式系統(tǒng)維護(hù)，在輻射手套箱中主要用于加工操作引導(dǎo)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)一步的應(yīng)用方向是研究堆、動(dòng)力堆等反應(yīng)堆環(huán)境。

(2) 目前在不同核輻射環(huán)境中最穩(wěn)定和實(shí)用的姿態(tài)跟蹤方法是標(biāo)志物跟蹤方法，但對(duì)顯示器的選擇各不相同。投影顯示器適合于核反應(yīng)堆遠(yuǎn)程操作，輕量級(jí)HMD和手持式顯示器適合于核電站便攜式設(shè)備維護(hù)，而輕量級(jí)HMD適合于輻射手套箱材料加工。

(3) 不同核輻射環(huán)境對(duì)人機(jī)交互手段要求不同。核反應(yīng)堆遠(yuǎn)程操作一般使用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤，而核電站和核輻射手套箱環(huán)境使用手勢(shì)和語音進(jìn)行交互更實(shí)用。

(4) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射環(huán)境中的發(fā)展趨勢(shì)是與工作任務(wù)相關(guān)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集成，長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是與機(jī)器人結(jié)合，使用機(jī)器人代替操作人員，實(shí)現(xiàn)輻射環(huán)境機(jī)器人的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、任務(wù)操作和遠(yuǎn)程加工等功能。

(5) 核輻射環(huán)境AR應(yīng)用的現(xiàn)有難題是核電站大范圍區(qū)域內(nèi)的海量標(biāo)志物識(shí)別技術(shù)，長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)難題是需要突破核反應(yīng)堆環(huán)境下的機(jī)器人定位跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)封閉復(fù)雜的核反應(yīng)堆環(huán)境的跟蹤定位。

綜上，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核輻射環(huán)境可發(fā)揮重要作用，它為改善當(dāng)前核輻射環(huán)境工作條件，增強(qiáng)操作人員的安全性提供了獨(dú)特的技術(shù)途徑。伴隨增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤注冊(cè)、人機(jī)交互、顯示等關(guān)鍵技術(shù)及其機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用必將更為實(shí)用和有效，未來實(shí)現(xiàn)核輻射環(huán)境下基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)器人遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程材料加工將不再是一個(gè)夢(mèng)想，而是一個(gè)現(xiàn)實(shí)。

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A primary survey of augmented reality applicationsfor nuclear radiation environments

LUO Bin

(Institute of Computer Application，China Academy of Physics and Engineering，Mianyang of SiChuan Prov.，621999，China)

A primary survey of augmented reality applications for nuclear radiation environments is presented. The element properties of augmented reality is introduced and the key technologies served within nuclear radiation environments are analyzed including head pose tracking，display and human-computer interaction，then the state-of-the-art applications of augmented reality are described in the fields of nuclear power plants，nuclear glove box and nuclear reactor，finally the pending problems and the development tendency are discussed and the summary is made.

Augmented reality；Human-computer interaction；Nuclear radiation environment

2015-12-20

中國(guó)工程物理研究院預(yù)先研究項(xiàng)目資助

羅 斌(1974—)，男，侗族，貴州石阡人，高級(jí)工程師，博士，從事虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究

TP391，TL7

A

0258-0918(2016)04-0561-10