增强现实技术在载人航天工程中的潜在应用

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1、载人航天2011年第5期成果应}}j增强现实技术在载人航天工程中的潜在应用郑耀谢天解利军杜昌平潘海斌(浙江大学航空航天学院)摘要增强现实是近年来的研究热点，它的三大支撑技术分别为跟踪注册技术、显示技术和交互技术。增强现实可以将计算机产生的虚拟物体叠加融合于真实场景之中，具有虚实融合、实时交互和辅助增强等特点。在我国载人航天工程的许多实践中，诸如太空维修和大时延遥操作等，增强现实技术可以发挥独特的作用。回顾了增强现实的三大支撑技术，展望了增强现实在载人航天工程中的潜在应用，分析了其中的技术难点，并提出了相应的方案。关键词增强现实载人舷天维修诱导大时

2、延遥操作分类号TP391．9文献标识码A文章编号1674—5825(2011)05—0046—07虚实融合、实时交互和辅助增强等特点l3l。1引言40年来，各国研究者除了在跟踪技术、显示技增强现实(AugmentedReality，AR)最早可以追术、交互技术这三个增强现实的支撑技术上不断突溯到上世纪60年代Sutherlandtl首次用透视式头盔破外，增强现实的应用领域也在被不断扩展[41。目前，示器(Head—MountedDisplay，HMD)展现三维物增强现实技术的应用范围已经逐步从桌面展示、电体。到本世纪初，增强现实技术逐渐发展成为一

3、个重脑游戏等小型室内环境，向工厂车间、户外等大的应要的科学研究领域。它借助计算机图形技术和可视用环境延伸。诸如波音公司l171、美国陆军等，都已将化技术生成现实环境中并不存在的虚拟对象，通过增强现实技术作为主导技术用于大型航空和军械设跟踪注册技术将虚拟对象准确地“放置”在真实环境备的维修诱导系统。中，然后借助显示设备或者人机交互设备将虚拟对在我国载人航天工程的许多实践(例如太空象与真实环境在感官上融为一体。在Milgramt2~定义维修和大时延遥操作等)中，如果对增强现实技术的虚实环境集概念中，增强现实是混合现实(Mixed加以研究、发展和利用，

4、必然可以发挥其独特的Reality，MR)的子集(图1)。它与增强虚拟(Aug—作用。mentedVirtuality，AV)和虚拟现实(VirtualEnviron—2增强现实的支撑技术ment，VE)最大的不同，就是它所呈现的环境主体是真实的而非虚拟的。在增强现实中，计算机产生的虚2．1跟踪注册技术拟物体只是在局部区域叠加于真实场景之中，具有虚拟物体在现实场景中是否能完美融合，意味厂—一混合现实———]着观察者在改变自身位置和观察角度的同时，观察中的虚拟物体能否融洽地与现实场景保持一致。要其实增强增强虚拟实现这个目标，首先必须明确虚拟物体将要

5、合并到环境现实虚拟现实现实场景的准确位置，其次要实时地检测观察者在图1Milgram的虚实集定义来稿日期：201卜05—16；修同日期：201l—O8—08。作者简介：郑耀(1963．05一)，男，博士，教授，主要从事飞行器设计研究工作。成果应用载人航天2011年第5期场景中的位置、视角，甚至是运动方向，然后才能计因为其易开发性和鲁棒性，基于计算机视觉的算出该时刻虚拟物体应该具备的显示方式，同时按注册技术的研究在增强现实领域一直处于主导地照观察者的视场重建坐标系。这个过程就是跟踪注位。依据对IsMAR(InternationalSymposium

6、O13册(TrackingTechniques)，目前常用的方法可以分为MixedandAugmentedReality)国际会议论文的统计，以下三种嗍：近十年来该会议接收的有关跟踪注册技术的论文(1)基于传感器的跟踪注册技术中，基于视觉的注册技术的研究占80％以上。基于传感器的跟踪注册技术Sensor—Based(3)混合跟踪注册技术TrackingTechniques)是在观察者头部安装跟踪器来在某些特殊的增强现实场景中，仅用基于视觉探测和跟踪真实环境中目标的位置和方向。这类跟的跟踪注册难以达到鲁棒的注册效果，因此需要一踪器包括电磁跟踪器、超

7、声波定位器、惯性跟踪器、些基于传感器的跟踪注册技术的辅助。混合跟踪注测距仪、全球定位系统等，相应的技术各有优缺点，册技术(HybridTrackingTechniques)就是指基于视在文献[5]中已有详尽的介绍。觉和基于传感器共存的跟踪注册技术。(2)基于视觉的跟踪注册技术2．2显示技术基于视觉的跟踪注册技术(Vision—BasedTrack—如何简单便捷地让用户感知现实场景和虚拟物ingTechniques)是通过对一幅或多幅视频图像的图体的融合，是显示技术所必须解决的问题。目前的增像处理，来计算获得固定在观察者头部的摄像机在强现实系统主要

8、使用透视式头盔显示器，而透视式真实场景中的位置和姿态。此类方法又分为基于特头盔显示器又分为光学透视式头盔显示器(Optical征(Fea