增强现实 - 大众科学

走在街上，看看这个世界。这就是现实。现在重复一遍，但戴上一副看起来很奇怪、很笨重的眼镜，它会将选择性的、相关的数据片段投射到你的视野中；这些数据就像虚拟的便利贴一样漂浮在视野中，标注着你的景象。这就是增强现实。戴上眼镜，你往右边看，看到一家似曾相识的餐馆，然后按一下手中的小按钮。弹出文本提醒你，Tom’s Restaurant 是“Seinfeld”中餐厅的模型；不仅如此，而且——至少根据眼镜的说法——Morningside 沙拉值得点。

当增强现实 (AR) 技术完全成熟时，设备将不再是比眼镜和某种小型设备（如 PDA）多多少。但目前，它包括大约 26 磅的设备，这些设备被绑在背部和
头部，还有一个肩扛式的飞碟状天线。哥伦比亚大学开发的移动增强现实系统 (MARS)（离 Tom’s Restaurant 不远），是通过现成技术组装的，包括一台配备图形加速芯片的 1GHz 戴尔笔记本电脑和肥皂盒大小的电池，用于为显示眼镜和关键的定位和定向技术供电。穿上这套装备，你看起来就像一个从 CompUSA 逃出来的机器人小偷。

但如果你确实穿上这套装备，就像我一样，你就会开始理解 AR 系统的深远可能性，它可以将计算机生成的文本、图形、3D 动画、声音或任何其他数字数据叠加到现实世界中。想想看，当数字细节在你召唤时弹出，用来识别面孔、建筑物、正在维修的发动机部件、空中的飞机航班号或车站列车时刻表时，它能完成什么。

AR 已经为士兵提供实时战场数据，并在进行精密手术时为医生提供相当于 X 射线视觉的功能。数据就是力量，而 AR 有望成为将数据插入可见世界的一种强大方式。

其中大部分将不得不等到本世纪末才能实现：我佩戴的 MARS 系统是第一个将 AR 带到户外的系统，一次舒适的使用时间不能超过几分钟，即使你不介意路人的围观。佩戴者与数据显示系统之间的协调还需要更好地同步。但 AR 的原理已经得到了很好的演示，并且更实用的技术正在到来。

首先，AR 系统需要精确地知道两件事：你的位置在哪里，以及你的视线在哪里。为了准确地将数据叠加到视野中，MARS 系统依赖于两个独立的输入：来自差分全球定位系统 (GPS) 的数据，该系统可以帮助确定你站立位置的精确厘米级位置；以及来自计算视线方向的设备的数据，精确到几度的准确度。对于定位，系统通过三角测量来自上方几个 GPS 卫星的信号——因此有了飞碟状天线——以及哥伦比亚大学工程楼上的 GPS 发射器。对于定向，一个惯性/磁性跟踪器安装在 AR 眼镜上方的头带上。该设备结合了微型陀螺仪和加速度计，用于检测头部运动，以及一个电子罗盘，用于确定观察者的注视方向相对于地球磁场。

这里的关键因素是什么？AR 研究人员说：“注册，注册，注册，”他们重复着老式的房地产格言。挑战在于准确且持续地确定视线，然后将图形与之对齐。在室内，解决注册障碍要容易得多，因为头戴式跟踪器中的微型摄像机可以相对容易地读取天花板上放置的定位条形码或闪烁的红外标记。然而，在室外，情况变得更加棘手。由于目前使用的跟踪系统对磁场的突然变化敏感，图形与街道场景的对齐很容易被 19 世纪技术留下的任何一点残余物（如沥青下方的旧电车轨道）扰乱。最终，解决注册难题可能需要增加计算机视觉分析系统，以及能够识别房间或建筑物视频轮廓并将其与现实世界的 3D 计算机模型进行匹配的复杂软件。

即便如此，即使克服了这一点，可穿戴计算机技术也必须向前迈出一大步。在过去的几年里，许多小型公司推出了更方便的砖块大小的可穿戴式 PC。其中最著名的是 Xybernaut 公司，该公司正在销售日立 Poma（一种可穿戴互联网设备）的美国版本——这是第一款通过办公用品商店和电子产品零售商销售给企业和消费者的可穿戴计算机。它本质上是一款带有彩色单眼头戴式显示器的 Pocket PC，具有研究人员设想的未来 AR 设备所特有的纤薄外形。但尽管设计精良，这款设备的功率仅相当于一台普通的 PDA，对于立体 3D 位置敏感的 AR 来说远远不够。顶尖的 AR 研究人员——哥伦比亚大学 MARS 的开发者 Steven Feiner，以及北卡罗来纳大学、佐治亚理工学院和华盛顿大学的同行，以及索尼和西门子等公司的研究人员——估计需要至少两年时间才能开发出 AR 功能的可穿戴计算机。

在工作场所

“增强现实”一词最早由波音公司的研究员 Tom Caudell 于 1990 年提出。他和同事 David Mizell 被要求为工厂车间工人使用的昂贵的图纸和标记设备找到替代方案。他们建议用头戴式装置取代大型胶合板，该装置将通过高科技眼部设备显示每架飞机的特定图纸，并将其投影到多用途、可重复使用的面板上。与在制造过程的每个步骤中手动重新配置每个胶合板不同，定制的布线说明基本上将由工人佩戴，并通过计算机系统快速有效地修改。

在他提出这个计划后不久，Caudell 意识到他和 Mizell 正在扩大工厂工人视野中的信息范围。“我们正在开完关于电线束板的会议，在去洗手间的路上，我意识到我们正在增强用户的现实，”Caudell 说。“我们于 1992 年在一篇论文中首次公开了增强现实。”

尽管波音公司高层同意尝试新系统，但 Caudell 很快就离开了公司，去追求他对复杂科学问题的计算机可视化研究。Mizell 继续开发了几代电线束 AR 系统，包括波音员工特别喜欢的一个版本，该版本将显示镜片通过铰链连接到头带上。

但当波音公司没有在工厂车间采用该测试系统时，Mizell 也离开了公司。尽管波音公司不愿安装早期的 AR 系统，但该公司仍在试验这项技术；与 IBM 一起，它是少数几家这样做的美国主要公司之一。

在战场上

几十年来，军方一直为飞行员、坦克手和其他战士提供先进的视觉系统，将实时战斗信息叠加在计算机生成的分析数据上。然而，将这些能力扩展到地面上的士兵，对设备设计者来说是一个更难解决的问题。自 1992 年以来，国防高级研究计划局一直支持对头戴式显示器和其他 AR 技术的研发。七年前，美国陆军启动了“陆地战士”计划，该计划旨在开发可穿戴计算机作为标准设备。在项目出现重大延误后，陆地战士的领导者们现在预计将在 2003 年对可装备士兵的计算机系统进行现场测试，并计划在 2008 年为所有士兵配备。

从一开始，Feiner 在哥伦比亚大学的 AR 工作就得到了海军研究办公室 (ONR) 的资助。像 MARS 这样户外定位和定向感知的 AR 系统，如果缩小，将是未来海军陆战队在战斗中的福音。在美国海军研究实验室（位于华盛顿特区）的一群工程师，获得了 ONR 的资助，正在一个名为“战场增强现实系统”(BARS) 的项目中，引领着复制和改进 Feiner 的工作的努力。

“未来的战士必须在一个可能没有
标志，并且敌军四面楚歌的环境中作战，”海军研究实验室虚拟现实实验室主任 Lawrence Rosenblum 说（想想最近被轰炸的阿富汗城市的画面，你就能想象出来）。“利用增强现实来赋能下车的战士，并协调他们与指挥中心之间的信息，对于生存至关重要。”

在 AR 的未来，一小队被空运到偏远作战区域的士兵将遇到预先测绘好的地形。士兵们看到的不仅仅是岩石、树木和建筑物，他们还会看到标注的警告：“埋藏的雷区”或“敌人在这个建筑里储存武器”。随着侦察报告流入指挥中心，新的图形将被广播到 AR 设备。

一个由 1000 英里外指挥官输入平板电脑上的触控笔绘制的演习示意图，将出现在每个士兵对战区的视野中，并根据位置进行调整。

在医院

增强现实的首次临床医学实验正在北卡罗来纳大学教堂山分校进行。接受常规乳房活检和可能的lumpectomies 的患者被随机分配到 AR 测试组。放射科医生不再像往常一样看着超声波屏幕然后再看病人，而是通过医生的头盔将超声波图像直接投射到病人的身体上。这在整个手术过程中提供了类似虚拟 X 射线视觉的功能。乳房肿块和其他可能的癌变异常显示为不规则的灰色背景上的幽灵般的白色轮廓。头戴式显示器中的定位和定向传感技术让放射科医生能够以前所未有的精度“看到”引导活检针的位置。这项 AR 应用的预期成果包括减少现有手术的并发症和缩短恢复时间，以及开发新的手术技术。

对于活检和腹腔镜（微创）手术等简短手术，头戴式 AR 显示器是结合实际世界和计算机世界的理想解决方案。但对于较长手术或对较长过程进行抽查，头戴式设备可能不如手持显示设备或直接投射到现实世界的图像受欢迎。匹兹堡大学生物工程学助理教授 George Stetten 说：“目前头戴式显示器存在严重的局限性。“你的视野有限，分辨率不如自然视觉，而且在手术室里可能很笨重。”

Stetten 开发了一种手持式超声波换能器，它像 X 射线手电筒发出的黑白光束一样，将图像直接投射到患者正在检查的身体部分。在该系统中，计算机生成的超声图叠加在皮肤和骨骼上，都是通过镜子完成的。

在日常生活中

个人 AR 的愿望清单应用不计其数，无论是手持还是头戴。例如，可以想象一下未来的家庭车库。修理汽车时，就不需要把头从敞开的引擎盖下伸出来又缩回去查看笨重、油腻的手册了。有了 AR，你只需戴上一个小小的遮阳板，在你看到的每个发动机舱零件旁边就会出现指导性维修说明：“现在你已经断开了散热器软管，把它移到一边，然后拧下化油器盖。”或者，你也可以通过将一个 PDA 大小的定位感应屏幕放在发动机的任何部分前面，来检索相同的数据并在 Web 上浏览零件信息和更换销售网站。

当 AR 头戴设备缩小到普通眼镜的大小后，它可能会成为初露锋芒的经理们的必备品，以避免在商务会议和鸡尾酒会上出现职业或社交失误。每个人都会在眼镜里塞满额外的数据。每次你看着会议桌对面或拥挤的房间里某个人时，关于他们是谁以及他们的背景信息就会出现在你眼前。学习如何不明显地“扫描”某人的数据将是一项新的商业技能，就像试图在自动提词器前看起来自然一样。但这只是开始。如果你能接入对方的数据库来了解他们看到的是关于你的什么呢？或者如果计算机黑客在关键会议期间向 AR 系统下载虚假信息呢？随着 AR 在企业中找到自己的位置，它无疑会遇到工业间谍活动。

所谓“赛博格”——北美几十个在醒着的时间里都佩戴可穿戴计算机的人——已经亲身体验了生活在 AR 中的社会影响。其中一些人自 20 世纪 90 年代中期以来就一直在这样做，最早的“博格”是在麻省理工学院上学时发现彼此的。

Thad Starner，现在是佐治亚理工学院的副教授，是这些 uomo/macchina 混合体中的一员。他使用自己设计的可穿戴计算机来进行辅助记忆。在会议或谈话中，Starner 可以敲击他手中总是带着的一个紧凑的线控键盘，输入从硬盘或隐藏在他网络连接背心的无线互联网连接中获取信息的请求，并在他处方镜片眼镜中安装的一个小方框中显示。Starner 会做出沉思的表情和有意识的耸肩来提示他人他正在访问信息，而不是仅仅不注意。

如果 Starner 使用 AR 来为他的世界加载信息，那么另一位早期的麻省理工学院“博格”——现在是多伦多大学的计算机科学家 Steve Mann——有一个程序可以做到相反。尽管 Mann 的可穿戴计算机系统在他要求时会提供大量数据，但它也可以用 Mann 所说的“受损现实”来阻挡世界。这款 AR 软件可以用瀑布和其他自然场景的存储数字图像来替换广告牌、路标和公交车上的广告。

增强现实研究人员对它的时间表持现实态度。在我试穿了 MARS 设备后，哥伦比亚大学的 Feiner 承认，除了进行一次短暂的测试运行，它太笨重了。目前，笨拙的显示眼镜、在视野中将十字线聚焦在目标或地标上的持续需求，以及几乎可以肯定的注册漂移，使得大多数增强功能成为一种烦恼，而不是一种资产。尽管如此，Feiner 毫不犹豫地断言，增强现实成为我们日常生活的一部分只是时间问题。从已经充斥我们口袋的手机和掌上型组织者来看，他在预测“如果你没有可穿戴计算机来增强你的世界体验，你就会感到被抛弃”时，他可能是对的。