增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)工程與技術(shù)ENGlNEERlNG＆TECHNOLOGY通過(guò)分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和在航空領(lǐng)域的應(yīng)用成果，探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展方向，從應(yīng)用角度闡明了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域發(fā)展中的重要性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望★AviationApplicationsandProspectofAugmentedReality◎趙新?tīng)N，鄭州大學(xué)左洪福，南京航空航天大學(xué)+曲強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality，AR’，日是一種將虛擬物體和真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，以達(dá)到為真實(shí)的場(chǎng)景提供信息擴(kuò)展和增

2、強(qiáng)的技術(shù)，借助光電顯示、人機(jī)交互和可視化等技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確地“放置”在真實(shí)環(huán)境中，利用顯示設(shè)備將產(chǎn)生的虛擬對(duì)象和真實(shí)環(huán)境融為一體，呈現(xiàn)給用戶一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境，使用戶從感官上確信虛擬物體是其周?chē)鎸?shí)環(huán)境的有機(jī)組成部分。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶在關(guān)注真實(shí)世界的同時(shí)，根據(jù)需要訪問(wèn)虛擬世界，最終實(shí)現(xiàn)人一機(jī)一環(huán)之間的“最佳結(jié)合與協(xié)同”，是“計(jì)算以人為本，人一機(jī)一環(huán)合一”這一理念的產(chǎn)物。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究真正興起是從20世紀(jì)80年代末到90年代初，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

3、技術(shù)不斷完善，設(shè)備價(jià)格不斷下降，推動(dòng)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療、制造、維修、機(jī)器人動(dòng)作路徑規(guī)劃、娛樂(lè)和軍事等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。航空器是技術(shù)密集的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，使用和維修過(guò)程對(duì)人員技術(shù)和工具設(shè)備都有極高的要求，因此，以提高民航機(jī)務(wù)人員維修水平，降低維修難度為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)一種以操作人員為中心，狀態(tài)信息為“驅(qū)動(dòng)”，誘導(dǎo)與操作同步，作業(yè)與訓(xùn)練同步的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的維修輔助系統(tǒng)具有極其廣闊的前景。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要任務(wù)是進(jìn)行真實(shí)世界和虛擬物體的無(wú)縫合成，為了解決真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體的合成一致性問(wèn)題，必

4、須在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中解決好三大問(wèn)題和3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。1．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵問(wèn)題增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)大致分為兩類：視頻透視式和光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。AR應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三大問(wèn)題是如何解決真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體在幾何、光照和時(shí)間方面的一致性問(wèn)題。幾何一致性問(wèn)題就是解決虛擬物體和真★基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)計(jì)劃基金(2006AA042427)國(guó)家自然科學(xué)基金資助(60672164)實(shí)場(chǎng)景在空間的一致性，是最基本的要求；光照一致性問(wèn)題是虛實(shí)融合顯示真實(shí)感繪制的要求；時(shí)間一致性問(wèn)題是實(shí)時(shí)交互的要求。幾何一致性問(wèn)題

5、：就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的三維注冊(cè)問(wèn)題，是指使虛擬物體與真實(shí)場(chǎng)景處于一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，并從同一個(gè)視點(diǎn)去觀察，使虛擬物體和真實(shí)物體保持一致的透視變換和正確的遮擋關(guān)系。當(dāng)用戶轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)頭部的時(shí)候，用戶所感覺(jué)到的場(chǎng)景信息變化應(yīng)是協(xié)調(diào)一致的。時(shí)間一致性問(wèn)題：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用附加的圖形和文字對(duì)周?chē)恼鎸?shí)世界動(dòng)態(tài)地進(jìn)行增強(qiáng)，期望用戶能夠像在現(xiàn)實(shí)世界一樣在增強(qiáng)信息空問(wèn)自由活動(dòng)，像和真實(shí)世界的物體一樣與虛擬物體進(jìn)行交互，要求系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性。要達(dá)到AR系統(tǒng)與用戶的實(shí)時(shí)交互，就要統(tǒng)一、高效地對(duì)AR設(shè)備和場(chǎng)景進(jìn)行管理，支持協(xié)同工作

6、。光照一致性問(wèn)題：一致性的真實(shí)感渲染反映出AR系統(tǒng)對(duì)顯示質(zhì)量的要求，光照一致性主要關(guān)注的是真實(shí)場(chǎng)景中的光照或新加入的虛擬光照對(duì)場(chǎng)景23萬(wàn)方數(shù)據(jù)工程與技術(shù)ENGINEERING＆TECHNOLOGY中的原有物體以及新加入的虛擬物體的作用，屬于虛擬物體真實(shí)感繪制問(wèn)題，包括明暗、陰影、反射等。光照一致性包含的技術(shù)問(wèn)題很多，完全的解決方案需要場(chǎng)景精確的幾何模型和光照模型，場(chǎng)景中物體的光學(xué)屬性描述等。2．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)為了解決AR應(yīng)用開(kāi)發(fā)中面臨的三大問(wèn)題，必須攻關(guān)以下3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：(1)跟蹤、定位與三維注冊(cè)

7、技術(shù)三維注冊(cè)所要完成的任務(wù)是實(shí)時(shí)地檢測(cè)出使用者頭部的位置和視線方向，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息確定所要添加的虛擬信息在投影平面中映射位置，并將這些信息實(shí)時(shí)顯示在光學(xué)透視式頭盔顯示器的正確位置。在維修誘導(dǎo)、教育培訓(xùn)等應(yīng)用領(lǐng)域，匹配精度至少要在毫米級(jí)，較大的注冊(cè)誤差將破壞用戶對(duì)其周?chē)h(huán)境的正確感知，改變用戶在真實(shí)環(huán)境中動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。要實(shí)現(xiàn)精確增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維注冊(cè)，必須要有高精度的跟蹤設(shè)備來(lái)保證。Dularch和Mavor曾得出結(jié)論：由于系統(tǒng)的不精確性和系統(tǒng)延時(shí)方面的限制，目前單一的跟蹤技術(shù)不可能很好地解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的

8、方位跟蹤問(wèn)題。國(guó)外著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究人員提出采用混合跟蹤的方法對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤注冊(cè)。(2)自然人機(jī)交互技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特殊的人一機(jī)關(guān)系和交互方式需要新型的輸入裝置，目前主要有以下幾種：特殊鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，主要有掌上鍵盤(pán)，可綁在手腕上單手操作；語(yǔ)音輸入裝置，這是可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最重要和最有潛力的輸入裝置之一；攝像裝置，微型攝像頭可安裝在眼鏡、頭盔、手套中，主要用于攝影、攝像、表情識(shí)別、手勢(shì)信號(hào)輸入等；傳感器，