增强现实技术：给潜艇一双利眼

　　增强现实技术简介

　　虚拟现实技术现在已经广泛应用于军事教育训练、作战模拟、作战分析研究、作战任务保障与评估、武器装备研制等方面，成为军事高科技发展的重要领域。目前，利用计算机图形技术与计算机视觉技术，以照相机或摄像机获取的像素图像为基础，将虚景与实景相结合来构造用户所需的虚拟环境，已成为虚拟现实技术的发展趋势之一。

　　增强现实技术简称AR（AugmentedReality）技术，是虚拟现实在虚实结合方面得到应用的一项技术，是虚拟现实的一个重要分支。增强现实系统借助于计算机图形学、可视化等多种技术，将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。该技术能生成现实环境中不存在的虚拟环境，通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，然后呈现给用户一个感官效果真实的新环境。

　　真实与虚拟环境的组合、实时交互、精确的三维定位是增强现实系统的三大特性。将计算机产生的虚拟物体与用户周围的真实环境进行全方位对准的三维定位技术，是衡量增强现实系统性能、影响其实用性的关键指标。三维定位显示系统并不一定要立体显示器，基于监视器的显示接口、单目系统、通透式头盔显示器等都可以使用。一个典型的增强现实系统通常由虚拟场景发生器、透视式头盔显示器、跟踪用户观察视线的头部方位跟踪设备、实现虚实场景对准的定位设备及交互设备组成。

　　增强现实技术最早在医学可视化中得到应用，现在已广泛用于复杂机器的制造与维修、军用飞机的导航与攻击瞄准。例如，军用飞机飞行员使用平视显示器和头盔瞄准具，把向量图形叠加在实际世界的飞行图上（即飞行员的视野中），提供基本的导航与飞行信息。这些图形可以对环境中的目标进行定位，或者与武器系统接口来进行瞄准、攻击。现在美国海军正在研究把增强现实技术应用在潜艇成像系统中，构成新一代的潜艇成像系统。

　　“弗吉尼亚”级潜艇的新一代成像系统

　　随着光电子技术和计算机技术的发展，为适应现代海战对潜艇作战的要求，作为“潜艇眼睛”的光机和光电潜望镜，将逐步被配备光电桅杆的潜艇成像系统所取代。

　图1 AN/BVS-1光电桅杆的头部传感器      图2 AN/BVS-1光电桅杆利用图像拼接技术获得的虚拟全景图像

　　美国海军为未来近海作战设计的新一代“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇，拥有最新型的潜艇成像系统，是世界上第一艘用光电桅杆取代传统潜望镜的潜艇。其成像系统由两根非穿透壳体升降桅杆、多种先进的光电传感器和电子设备、显控台及先进的图像处理软件组成。它利用软件算法提高图像质量，利用信息融合技术进行多光谱图像融合，以获得超高分辨率的图像。整个系统具有自动弦角生成、360°视场、图形显示、遥控操作、自动测距、全数字成像、自动目标识别等功能。此外，还可与作战控制系统集成在一起，进行目标管理、辅助导航、获取非战术信息资源、把视频分配到潜艇的视频网络等工作。

　　美国科尔摩根公司为“弗吉尼亚”级潜艇的成像系统研制了新型的AN/BVS-1光电桅杆。它采用先进的图像处理硬件和结构，可生成360°实时全景扫描图像，对数字图像进行处理、存储、回放，并能利用图像拼接技术提供虚拟的大视场图像。操作人员可以通过手柄转动传感器头部、选择可见光摄像机，进行目标管理或拍摄静止图像。其头部传感器有：红外摄像机、彩色与黑白电视摄像机、红外脉冲激光测距仪、电子视频六分仪、雷达预警/定向天线、全球定位系统和一个单独装在耐压防震盒中的“任务紧急控制”摄像机等。这些头部传感器采集到图像，通过光缆传送到潜艇控制舱里的光电桅杆工作台和指挥工作台。光电桅杆工作台上的显示器可以显示全屏或分屏的视频图像，图像既可以是生动的实时图像，也可以是预先记录的图像或静止的一帧图像。这些传感器能大大提高潜艇针对水面舰艇、飞机和陆上目标的作战效能。

　　应用增强现实技术的“环视”潜艇成像系统

　　美国海军新一代的潜艇成像系统，采用两根可以记录潜艇外部图像场景的非穿透光电桅杆替换传统的潜望镜，图像以视频信号的形式传入艇内，与相关系统数据一起进行处理。由于图像是基于视频信号而不是基于光学通道，因此可以保证艇上不同舱室中的多个用户在不同显示器上共享图像。在这种环境中，操作员可以坐在装有2台大屏幕视频显示器的工作台旁观测和控制光电桅杆系统，但要想精确地探测、分辨和识别目标，需要高度集中注意力。因为与传统的潜望镜一样，显示器并没有占满操作人员眼睛的整个视场，因此，潜艇成像系统操作人员的注意力很容易被“周围”的活动分散。此外，由于成像系统的操作更加复杂，这也可能使成像系统操作员中断搜索工作。对此，需要采用一些控制和显示方面的新技术来消除这些不利的影响。