增强现实技术的应用探析

刘会英，杜 英

（装甲兵学院，安徽 蚌埠 233050）

增强现实技术的应用探析

刘会英，杜 英

（装甲兵学院，安徽 蚌埠 233050）

文章针对增强现实技术在模拟训练中的应用问题展开研究。首先阐述了增强现实相关概念；然后分析了增强现实应用于模拟训练的优势；总结了增强现实技术关键技术以及其在军事模拟训练中的典型应用案例；最后，展望了增强现实在军事模拟训练的应用趋势及未来亟需解决的问题。

增强现实；模拟训练；虚实融合

增强现实（Augmented Reality，AR）技术在现实世界画面上“叠加”虚拟信息，以提升人类对真实世界的感知能力，相比追求虚拟世界沉浸感的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，有着更广泛的应用潜力和可延展性，在诸多领域都具有广泛应用。

模拟训练以其安全、经济、可控、可多次重复、不受气候和时空限制等特点，日益受到各国军队的高度重视。未来的战场将是陆海空多维一体的数字化战场。基于数字技术驱动的AR技术，无论是可靠性，还是虚实融合、实时交互等特点，对于军事模拟训练都具有得天独厚的优势[1]。对于威胁、费用昂贵的训练项目，基于AR技术将复杂的军事环境进行模拟、增强，进而提高军事模拟训练的效率、降低训练成本。

1 AR与模拟训练

1.1 AR相关概念

AR技术是一种利用投影将真实环境和虚拟世界进行“无缝”集成的新技术。它将人类原本无法在现实世界一定时空范围内体验到的感官信息，通过信息处理技术进行模拟仿真后，再实时叠加在现实世界中，使其被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

1.2 AR技术特点

1.2.1 虚实同步，可实时获取并显示战场态势

基于AR技术，可将传统态势信息以图形化形式进行直观显示，并以虚拟图像形式自然叠加在受训人员的视野中，就像态势信息可以直接“看到”一般，而且“看到”的信息还是经过充分优化和处理后的有价值信息，提供高效的战场辅助决策支持。

1.2.2 虚实融合，可构建逼真模拟训练环境

逼真的训练环境是提升模拟训练军事效益的关键。AR技术可为受训人员提供真实环境下的沉浸式训练环境，可以将训练中需要但不具备的战场环境构建出来，并将其融合到实际战场环境中，再通过显示设备实时呈现给受训者，其真实程度是虚拟现实仿真所不可比拟的[2]。

1.2.3 交互自然，可提升指挥控制的实时交互效率

基于AR技术，受训人员可以使用手部动作与手势控制所读出的3D模型移动旋转，以及通过语音、眼动、体感等更多的方式来进行信息的交互。将AR技术和指挥控制、情报获取等结合在一起，有利于指挥意图的直观表达、替身指挥控制的有效性，从而提升整体参训部队的战斗力[3]。

2 AR关键技术

2.1 三维跟踪注册

三维注册技术一般可分为基于硬件设备和计算机视觉两类。基于硬件设备的注册技术主要是通过惯性导航系统，GPS，电磁，光学或超声波位置跟踪器等硬件传感器来进行位置追踪。该注册技术特点是速度比较快，但相应的注册精度不是很高；基于计算机视觉的注册技术主要是利用计算机视觉获取真实场景的信息后，通过图像处理技术来进行真实场景的识别、定位及跟踪。特点是精度较高，但计算量非常大，而且算法复杂，对系统配置要求非常高。

2.2 虚实融合显示

AR的显示技术包括3种类型：头戴式显示、手持显示以及投影显示。

（1）头戴式显示技术。按照工作原理可以分为光学透视式和视频透视式两种。光学透视技术通过将计算机生成的虚拟信息和通过透镜直接看到的现实场景两者汇聚到人眼的视网膜上实现AR效果。而视频透视技术是借助安装头显上的摄像头来捕捉获取外部真实环境，计算机将数字模拟信息叠加到摄像机的视频信号上，再将真实场景和虚拟场景进行融合[4]。

（2）手持显示技术是指利用智能手机、平板电脑等移动设备屏幕作为窗口或放大器来显示虚拟信息。具有较高的便携性以及可触控性，人机交互很方便[5]。

（3）投影式显示是将生成的虚拟对象信息直接投影到需要融合的真实场景中的一种增强显示技术。

2.3 人机交互

人机交互主要实现用户在真实环境中和虚拟物体的自然交互。目前，典型的人机交互方式主要有3种：外接设备交互、特定标志交互以及徒手交互。

3 AR技术的典型应用

3.1 增强现实头盔Q-Warrior

Q-Warrior是一款由英国航空系统公司的电子系统业务工程师研发的可穿戴军用头盔。其配备一块低功耗的显示屏，能够为受训人员提供高清晰的实时图像传输，受训人员可以直观看到所需信息，同时不会影响对现实世界的观察。其主要亮点是可将路径点、兴趣点和目标信息叠加呈现在穿戴者的前方视线区上；为受训者呈现字符、警告、威胁等信息，从而增强他们的情境意识并提高追踪人员和资源的能力。

3.2 AR实景射击游戏

“Father.io”是一款由著名游戏开发商Proxy42研发的AR射击手游。该游戏采用AR和基于位置的GPS技术。游戏中，玩家的手机将会化身成为一把武器（枪），通过特定的手势进行操作。玩家可以和朋友或者路人一起组队，分成敌我阵营，然后在真实场地中进行游戏。游戏场所并不固定，游戏者可以在街道、巷弄甚至办公室开展一场逼真的“生死枪战”。

3.3 AR电子沙盘

2014年，美军推出了一项名为“AR沙盘”的新技术，将普通沙盘变成真实的3D战场空间地图。该沙盘原理是利用传感器扫描一个与微软Kinect游戏机相连的沙盘，然后将真实地形照片投影在上面，同时可对改变沙盘态势的动作进行实时反馈。有专家称，AR沙盘技术未来或将引发指挥方式的革命。AR沙盘可以利用战场反馈信息，实时生成动态变化的战场环境。指挥官可通过安装参演官兵、装备身上的传感器，实时跟踪了解人员和装备动态，并可根据战场情况，用手势移动地图上的各种图标，从而改变沙盘态势。因此，有人将这种演练比喻为指挥官的“即时战略游戏”。

3.4 基于AR的武器维修

在复杂武器装备的维修上，AR技术也能发挥巨大的作用。AR系统虚实结合、实时交互的特征，可为维修人员提供一个虚拟信息辅助引导与实物操作同步结合的操作环境。

例如，美国洛马公司使用基于爱普生智能眼镜的AR平台进行F-22和F-35的维修。基于该系统，检测员能够通过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。同时，分析并集成来自每架战斗机的信息，以实施故障预测与维护规划。该AR平台能够让机械师的工作速度提高30%，操作精度上升96%。

4 未来应用趋势及展望

AR作为下一代的计算平台，近两年已迅速延展到广泛的民用领域，但其在军事领域的应用却已有数十年之久。随着技术的完善，各国都在加大力度将AR技术引入军事，提升自身在现代高科技战争中的优势。

未来，AR必将深度融入军事模拟训练领域。但是，目前AR的推广还将面临一系列的问题。从核心技术上看，仍然面临跟踪定位技术（含计算机技术）尚未成熟、用户交互方式单一、图像渲染及数据库标准不统一问题；从产品应用上看，存在设备复杂笨重、价格昂贵、通用性差、应用创意不足等问题。

[1]郝冲，许有武，孙晋华.基地化训练中AR技术的应用设想[J].国防信息学院学报，2012（2）：62-63.

[2]程委，廖学智，李智.增强现实及其军事应用研究[J].计算机技术与发展，2007（12）：165-168.

[3]黄天智，王涌天，闫达远.增强现实技术的军事应用与前景展望[J].兵工学报，2006（6）：1043-1046.

[4]毛潭.移动增强现实中的快速场景识别与注册方法研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[5]孔祥.基于移动平台的增强现实技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

Application of augmented reality technology

Liu Huiying, Du Ying
（Armored Force Institute, Bengbu 233050, China）

This paper studies the application of augmented reality in simulated training. Firstly, the concept of augmented reality is introduced. Then, the advantages and characteristics of augmented reality application in simulation training are discussed. The key technologies of augmented reality and its typical application cases in military simulation training are summarized. Finally, the application trend of augmented reality in military simulation training and the problems needed to be solved in the future are prospected.

augmented reality; simulation training; virtual-real fusion

刘会英（1984— ），男，湖北黄石人，讲师，博士；研究方向：信息安全，图像处理，模拟训练。