增强现实技术引发视觉革命

刘秉军

增强现实技术是一种将现实世界的信息和虚拟信息“无缝”集成的新技术，能把原本人类在现实中一定时间、空间范围内难以感知的信息（视觉、听觉、味觉、触觉信息），通过模拟仿真后叠加，令其被人类感官所感知，从而实现超越人类固有能力的感官体验。

近来，增强现实技术在优化人类视觉方面的应用取得了多项重要成果，正在引发一场备受关注的视觉革命。

方便日常使用的“夜视薄膜”

澳大利亚国立大学近日发布公报称，该校科研人员领导的一个国际科研团队研发出一种由纳米晶体构成的薄膜，可以让人们在黑暗中看清事物。

红外成像技术在夜视仪、车辆导航和食品质量控制等领域有着广泛的应用。然而，传统的红外成像技术需要使用特殊半导体材料，这种材料对热量干扰非常敏感，通常需要冷却，因此红外成像设备普遍体积大、成本高。

微软开发的HoloLens系统

澳大利亚与欧洲多国合作，利用半导体材料砷化镓的晶体制成纳米级厚度的薄膜。它能将目标的红外图像与较强的泵浦光合成。泵浦指的是一种用光将电子从较低能级“泵”到较高能级的过程。经过处理后，目标图像可以在薄膜中从低能量的红外线图像转换为高能量的可见光图像。

这项研究的主导者——澳大利亚国立大学的罗西奥·卡马乔·莫拉莱斯博士表示，新开发的这种薄膜可以直接安装在眼镜上，起到“视觉增强器”的作用，将肉眼不可见的红外线转化为可以清晰看到的光学图像，让人们能在黑夜中看到远处的物体。

当前的高端红外成像设备普遍需要在低温环境中才能工作，生产、维护和使用成本都较高。相比而言，纳米晶体薄膜有轻便、室温环境即能工作、成本低且易于大规模生产等优势，更方便人们日常使用。

“集成视觉增强系统”

在一些科幻电影和游戏中，有的士兵头盔上加装“抬头显示器”，有的“抬头显示器”则直接整合到头盔中，让士兵有能力获取更多的战场信息，在全天候条件下提升其在战场上的行动能力。

其实，这类增强视觉的装备并非只存在于科幻作品中。各国军方早在十几年前就开始开发、试验这类装备。预计今年底，这种“梦幻装备”就将配发给美军使用。它名为“集成视觉增强系统”，在2018年进入测试阶段，旨在增强士兵的态势感知能力。全套“集成视觉增强系统”包括整合式传感器、“抬头显示器”、背负式微型计算机和“舒适穿戴式”电池。约10套该装备可共用一部充电器。

“抬头显示器”的目镜拥有横向80度、纵向40度的视野，能显示指南针、3D数字地图，可实现精确导航，且在复杂的城镇环境以及开阔的野外环境中都能运作。整合式传感器包含测距系统，使用者可随时在3D数字地图上标出自己的位置，并分享给同伴，便于协同行动。“集成视觉增强系统”通过加装软件，还可以实现人脸识别、语言翻译等功能。

在穿戴性上，“集成视觉增强系统”解决了以往的同类系统将重量集中于头部的问题，除“抬头显示器”外，其余的组件和电池将重量分散到穿戴者身体的各个部位。特别是“舒适穿戴式”电池，被完美地集成到防护服中，既节省了空间，又能起到分散重量的作用。

在测试中，美军斯特瑞克及布莱德利战车部队的机械化步兵体验了这种新系统。他们在野战演习中切换各个角度进行战场观察，尝试对系统进行电力管理，并测试了各项通信功能。

视觉增强系统提供的清晰画面

视觉增强系统能直观呈现各种信息

步兵们表示，穿戴这套系统并未影响他们的机动能力，可以轻松地上下车。特别神奇的是，车载步兵通过“抬头显示器”即可获得车外360度视野的概况，“就像亲身踏出车外一样”。这得益于传感器的灵敏和高效。美军中士巴特尔表示，在配备“集成视觉增强系统”之后，士兵们不需要冒险下车，就能获得较好的视野，并弄清战场上的情况。

值得关注的是，“集成视觉增强系统”的应用已开始向民用领域延伸。微软公司与美国军方建立合作，推动该系统的民用化设计开发。

微软公司此前开发的HoloLens“混合现实”系统，是虚拟现实技术的进一步发展。该技术通过在现实场景中呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户游戏体验的真实感。

HoloLens是微软开发的不受线缆限制的全息计算机设备，配备先进的传感器、头戴式高清晰度3D光学全角度透镜显示器，以及环绕音效系统，能让用户通过眼神、语音和手势等与数字内容实现交互，并与周围真实环境中的全息影像互动。简言之，HoloLens“混合现实”系统能够提供一种沉浸式游戏体验。

基于以上技术，微软有能力将军用“集成视觉增强系统”与HoloLens整合，从而大幅增强特殊人群的视觉，例如需要从事野外作业的工程技术人员、越野极限运动爱好者等等。

民用“集成視觉增强系统”将具备夜视功能;可将数据信息投射到设备穿戴者的视野中，增强其态势感知能力;具备面部识别、语言翻译以及导航功能;其内置传感器可与微型无人机相连，能让使用者从无人机的视角进行观察;后方控制中心能通过该系统监控野外作业者的状态，包括疲劳程度以及体温等。

汽车驾驶视觉增强系统

以色列BWV公司开发出一种汽车驾驶视觉增强系统，能够在夜间、炫光中、雨天、隧道内等各种不良环境条件下增强驾驶员的视觉。其具体功能包括：根据不同的光线条件，在不同的距离范围内（夜间最远可达250米），对所探测的物体实施多重图像传感器曝光，再聚合成单一图像加以显示，使驾驶员在夜间或弱光条件下能够看清远方的物体;在一定范围内，实现被探测物周围的杂波抑制，增强目标探测算法的效果，剔除被探测物周围的背景，使弱光下的被探测目标更加清晰;在雨天等恶劣天气条件下，或炫光等不良光线条件下，抑制空气中的悬浮颗粒所导致的光线散射，使被探测物更加清晰。

BWV公司拥有一系列增强视觉和计算机图像分析技术的相关专利。除了汽车驾驶视觉增强系统，其相关技术和产品还具有广泛的用途，可应用于矿业、海事、铁路、社区摄像监控等领域。

VR技术治疗弱视症

加州大学伯克利分校的神经科学教授弗兰克·沃伯林指出，新兴的 VR（虚拟现实）技术可以帮助视力障碍群体改善视觉感知能力。他领导的团队开发出一款名为 IrisVision 的设备和相应的 App。该设备对于佩戴者头部的动作会作出反应——放大其所观察的景象，实现“看清楚”的效果。

英国人詹姆斯·巴拉哈自幼患有弱视症。他组建了 Vivid Vision 公司，借助VR技术为弱视症患者提供视觉增强方案。

弱视症的成因是儿童在成长期间长期缺失正常的视觉刺激，大脑最终放弃了部分视力功能，结果令视力衰退，丧失对视野纵深的感知能力。医学界认为，如果这个问题不在患者8岁之前解决，那么他们将无法恢复正常视力。但巴拉哈不这样认为。他的公司开发的头戴式显示器，综合亮度、对比度等元素提升算法，为人眼提供可刺激大脑作出反应的视觉信息，从而实现恢复视力的效果。该设备能够帮助弱视症患者恢复 90% 的视力。

英国SmartSpecs公司与巴拉哈展开合作，进一步提升这款头戴式显示器的功能。巴拉哈表示：“技术的发展不应该以抛弃一些人为代价，而是应该让所有人的世界都变得更美好。”

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com