增强现实技术在航空领域中的应用及展望

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1、万方数据工程与技术ENGlNEERlNG＆TECHNOLOGY通过分析增强现实系统的关键技术和在航空领域的应用成果，探讨了增强现实技术在航空领域的发展方向，从应用角度阐明了增强现实技术在航空领域发展中的重要性。增强现实技术在航空领域中的应用及展望★AviationApplicationsandProspectofAugmentedReality◎赵新灿，郑州大学左洪福，南京航空航天大学+曲强现实(AugmentedReality，AR’，日是一种将虚拟物体和真实环境相结合，以达到为真实的场景提供信息扩展和增

2、强的技术，借助光电显示、人机交互和可视化等技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确地“放置”在真实环境中，利用显示设备将产生的虚拟对象和真实环境融为一体，呈现给用户一个感官效果真实的新环境，使用户从感官上确信虚拟物体是其周围真实环境的有机组成部分。增强现实技术使用户在关注真实世界的同时，根据需要访问虚拟世界，最终实现人一机一环之间的“最佳结合与协同”，是“计算以人为本，人一机一环合一”这一理念的产物。增强现实研究真正兴起是从20世纪80年代末到90年代初，随着科学技术的发展，增强现实

3、技术不断完善，设备价格不断下降，推动了增强现实技术在医疗、制造、维修、机器人动作路径规划、娱乐和军事等领域的研究和应用。航空器是技术密集的大型复杂机电系统，使用和维修过程对人员技术和工具设备都有极高的要求，因此，以提高民航机务人员维修水平，降低维修难度为目标，开发一种以操作人员为中心，状态信息为“驱动”，诱导与操作同步，作业与训练同步的基于增强现实技术的维修辅助系统具有极其广阔的前景。增强现实系统关键技术增强现实系统的主要任务是进行真实世界和虚拟物体的无缝合成，为了解决真实场景和虚拟物体的合成一致性问题，必

4、须在增强现实应用系统开发中解决好三大问题和3项关键技术。1．增强现实系统开发关键问题增强现实(AR)系统大致分为两类：视频透视式和光学透视式增强现实系统。AR应用系统开发的三大问题是如何解决真实场景和虚拟物体在几何、光照和时间方面的一致性问题。几何一致性问题就是解决虚拟物体和真★基金项目：国家863高技术计划基金(2006AA042427)国家自然科学基金资助(60672164)实场景在空间的一致性，是最基本的要求；光照一致性问题是虚实融合显示真实感绘制的要求；时间一致性问题是实时交互的要求。几何一致性问题

5、：就是增强现实的三维注册问题，是指使虚拟物体与真实场景处于一个统一的坐标系中，并从同一个视点去观察，使虚拟物体和真实物体保持一致的透视变换和正确的遮挡关系。当用户转动和移动头部的时候，用户所感觉到的场景信息变化应是协调一致的。时间一致性问题：增强现实系统利用附加的图形和文字对周围的真实世界动态地进行增强，期望用户能够像在现实世界一样在增强信息空问自由活动，像和真实世界的物体一样与虚拟物体进行交互，要求系统具有较高的实时性。要达到AR系统与用户的实时交互，就要统一、高效地对AR设备和场景进行管理，支持协同工作

6、。光照一致性问题：一致性的真实感渲染反映出AR系统对显示质量的要求，光照一致性主要关注的是真实场景中的光照或新加入的虚拟光照对场景23万方数据工程与技术ENGINEERING＆TECHNOLOGY中的原有物体以及新加入的虚拟物体的作用，属于虚拟物体真实感绘制问题，包括明暗、阴影、反射等。光照一致性包含的技术问题很多，完全的解决方案需要场景精确的几何模型和光照模型，场景中物体的光学属性描述等。2．增强现实系统开发关键技术为了解决AR应用开发中面临的三大问题，必须攻关以下3项关键技术：(1)跟踪、定位与三维注册

7、技术三维注册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添加的虚拟信息在投影平面中映射位置，并将这些信息实时显示在光学透视式头盔显示器的正确位置。在维修诱导、教育培训等应用领域，匹配精度至少要在毫米级，较大的注册误差将破坏用户对其周围环境的正确感知，改变用户在真实环境中动作的协调性。要实现精确增强现实三维注册，必须要有高精度的跟踪设备来保证。Dularch和Mavor曾得出结论：由于系统的不精确性和系统延时方面的限制，目前单一的跟踪技术不可能很好地解决增强现实应用系统的

8、方位跟踪问题。国外著名大学和研究机构的研究人员提出采用混合跟踪的方法对增强现实系统进行跟踪注册。(2)自然人机交互技术增强现实特殊的人一机关系和交互方式需要新型的输入装置，目前主要有以下几种：特殊键盘和鼠标，主要有掌上键盘，可绑在手腕上单手操作；语音输入装置，这是可穿戴增强现实系统最重要和最有潜力的输入装置之一；摄像装置，微型摄像头可安装在眼镜、头盔、手套中，主要用于摄影、摄像、表情识别、手势信号输入等；传感器，