增强现实

走在街上，看看这个世界。这就是现实。现在重复一遍，但要戴上一副外观奇怪、笨重的眼镜，它会将有关这个世界的选择性相关数据放入你的视线中；这些数据就像虚拟的便利贴一样悬浮在你的视线中，注释着你的视野。这就是增强现实。戴上眼镜，你向右瞥了一眼，看到了一家有点熟悉的餐厅，然后按下手中的一个小按钮。弹出的文字提醒你，汤姆餐厅是《宋飞传》中餐厅的原型；不仅如此，而且——至少根据眼镜的说法——晨边沙拉值得点。

当增强现实 (AR) 技术完全开发出来后，该设备将只不过是一副眼镜和一些类似 PDA 的小型设备。不过，目前它由大约 26 磅重的设备组成，这些设备被绑在背部和
头部，以及位于肩部的飞碟形天线。哥伦比亚大学（离汤姆餐厅不远）开发的移动增强现实系统 (MARS) 采用了现成的技术，包括一台 1GHz 戴尔笔记本电脑，配有图形加速器芯片和肥皂块大小的电池，用于为显示眼镜和关键的定位和方向技术供电。戴上这个装备，你看起来就像 CompUSA 的在逃机器人窃贼。

但如果你像我一样戴上这个装备，你就会开始理解 AR 系统的深远潜力，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化数据叠加到现实世界中。想想看，当数字细节随叫随到时，它可以完成什么任务，识别面孔、建筑物、正在维修的发动机部件、空中飞机的航班号或车站火车的时刻表。

目前，AR 已为士兵提供实时战场数据，并为医生在精细手术中提供相当于 X 射线的视野。数据就是力量，AR 有望成为将数据插入可见世界的强大方式。

其中大部分将不得不等到本世纪末：我佩戴的 MARS 系统是首款将 AR 带到户外的系统，即使你不介意路人的注视，每次使用也只能舒服地使用几分钟。佩戴者和数据显示系统之间的协调需要更好地同步。但 AR 的原理已经得到很好的展示，更好的技术正在研发中。

首先，AR 系统需要精确地知道两件事：您所在的位置和您正在看的位置。为了准确地将数据叠加在视野中，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，这有助于确定您站立的位置，精度可达厘米；以及来自计算视线方向的设备的数据，精度可达几度。为了定位，该系统对来自头顶上几颗 GPS 卫星（因此有飞碟天线）和哥伦比亚大学工程大楼上的 GPS 发射器的信号进行三角测量。为了定位，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，可检测头部运动，以及电子罗盘，可确定观看者相对于地球磁场的注视方向。

这里的关键因素是什么？“注册、注册、注册”，AR 研究人员说，这与古老的房地产口头禅如出一辙。挑战在于准确、持续地确定视线，然后将图形与之对齐。在室内绕过注册障碍并不是什么问题，头戴式跟踪器中的微型摄像机可以相对轻松地读取方向和定位条形码或天花板上闪烁的红外标记。然而，在室外，情况就变得更加危险。由于当前使用的跟踪系统对磁场的突然变化很敏感，即使是 19 世纪技术的残余，如沥青下的旧铁制有轨电车轨道，也很容易扰乱图形和街景的对齐。最终，解决注册困难可能需要增加计算机视觉分析系统，该系统具有复杂的软件，可以识别房间或建筑物的视频轮廓并将其与存储的现实世界 3-D 计算机模型进行匹配。

不过，即使克服了这个问题，可穿戴计算机技术也必须取得飞跃。过去几年，许多小公司推出了更方便的砖块大小的可穿戴电脑。最突出的是 Xybernaut Corp.，该公司正在销售日立可穿戴互联网设备的美国版本，称为 Poma——这是第一款通过办公用品商店和电子产品零售商向企业和消费者销售的可穿戴计算机。它本质上是一台带有彩色头戴式（单眼）显示屏的 Pocket PC，具有研究人员设想的未来 AR 设备特有的纤薄外形。但是，尽管设计精巧，但该设备的功能仅与典型的 PDA 一样强大，对于立体 3-D 位置敏感 AR 来说功能过于有限。顶尖的 AR 研究人员——哥伦比亚大学的 MARS 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，开发出具有 AR 功能的可穿戴计算机至少还需要两年时间。

在工作场所

“增强现实”一词由波音公司的研究员汤姆·考德尔于 1990 年首创。他和同事戴维·米泽尔被要求设计一种替代当时用于指导工厂车间工人的昂贵图表和标记设备的技术。他们建议用头戴式设备取代大型胶合板（上面印有为每架飞机单独设计的接线说明），该设备通过高科技眼镜显示飞机的具体示意图，并将其投射到多用途、可重复使用的板上。无需在制造过程的每个步骤中手动重新配置每块胶合板，定制的接线说明基本上由工人佩戴并通过计算机系统快速高效地进行更改。

提出这个计划后不久，考德尔就意识到他和米泽尔正在扩大工厂工人视线范围内的信息广度。“我们刚从一场关于电线捆扎板的会议中出来，在去洗手间的路上，我意识到我们正在增强用户的现实，”考德尔说。“我们于 1992 年在一篇论文中首次公开介绍增强现实。”

尽管波音高层同意试验新系统，但考德尔不久后就离开了公司，去追求他对复杂科学问题的计算机可视化的兴趣。米泽尔继续开发了几代线束 AR 系统，其中一款波音员工特别喜欢，它将显示镜头用铰链固定在头带上。

但当波音公司没有在工厂车间采用测试系统时，米泽尔也离开了公司。尽管波音公司不愿意安装早期的 AR 系统，但该公司仍在试验这项技术；与 IBM 一样，波音公司是美国仅有的几家这样做的大公司之一。

在战场上

几十年来，军方一直为飞行员、坦克驾驶员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，将这些功能扩展到地面上的战斗机，对装备设计师来说是一个更困难的问题。自 1992 年以来，国防高级研究计划局一直支持头戴式显示器和其他 AR 技术的研究。七年前，美国陆军启动了陆地勇士计划，希望开发可穿戴计算机作为标准设备。在计划多次推迟后，陆地勇士高层现在希望在 2003 年对 GI 可穿戴计算机系统进行实地测试，并在 2008 年之前为所有士兵配备。

几乎从一开始，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 这样的户外位置和方向感应 AR 系统，如果缩小了，可能会为未来海军陆战队的战斗带来福音。在 ONR 的资助下，华盛顿特区海军研究实验室的一组工程师正在领导一项名为“战场增强现实系统 (BARS)”的项目，以复制和推进 Feiner 的工作。

“未来的战士必须在可能没有
海军研究实验室虚拟现实实验室主任劳伦斯·罗森布鲁姆说：“在战场上，到处都是敌军。”（想想最近阿富汗城市被炸毁的照片，你就能明白。）“使用增强现实技术来增强徒步作战人员的能力，并协调他们与指挥中心之间的信息，这对生存至关重要。”

在 AR 的未来，一小队士兵被空运到偏远的作战区域，他们将会遇到事先绘制好的地形。士兵们不仅会看到岩石、树木和建筑物，还会看到带注释的警告：“地雷”或“敌人在这座建筑中存放武器”。随着监控报告流入指挥中心，新的图形将会被传送到 AR 装备上。

用触控笔在 1,000 英里外的指挥官的输入平板电脑上绘制的动作将出现在每个士兵的战区视图中，并根据位置进行调整。

在医院

北卡罗来纳大学教堂山分校正在进行首个增强现实临床医学实验。接受常规乳房活检和可能的乳房肿瘤切除术的患者被随机分配参加 AR 测试。放射科医生通常先抬头看超声屏幕，然后再看回患者，而现在，超声图像通过医生的头戴式设备直接投射到患者身上。这在整个手术过程中提供了一种虚拟的 X 射线视野。乳房肿块和其他可能的癌变异常在凹凸不平的灰色背景上显示为幽灵般的白色轮廓。头戴式显示器中的位置和方向感应技术让放射科医生能够以前所未有的精度“看到”活检针应该引导到哪里。这项 AR 应用的预期结果是减少现有手术的并发症和缩短恢复时间，并开发新的手术技术。

对于活检和腹腔镜（微创）手术等简短的手术，头戴式 AR 显示器是将现实世界和计算机世界结合起来的理想解决方案。但对于较长的手术或冗长手术的抽查，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那么理想。匹兹堡大学生物工程学助理教授乔治·斯特滕 (George Stetten) 表示：“目前的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，而且在手术室中佩戴会很麻烦。”

斯特滕发明了一种手持式超声波换能器，它能直接投射图像到患者被检查的身体部位，就像 X 射线手电筒发出的黑白光束一样。在这个系统中，计算机生成的超声波图像与肉体和骨骼的叠加都是通过镜子完成的。

在日常生活中

无论是手持式还是头戴式，个人 AR 的愿望清单应用并不缺乏。例如，想象一下未来的家庭车库。在修理汽车时，不再需要将头伸进伸出打开的引擎盖来查阅厚重油腻的手册。有了 AR，你只需戴上一个小小的遮阳板，你注视的每个引擎盖下部件旁边就会出现指导维修说明：“现在你已经断开了散热器软管，将其移到一边，拧下化油器盖。”或者，你可以检索相同的数据，并浏览网络上的零件信息和更换销售网站，只需将 PDA 大小的位置感应屏幕放在发动机的任何部分前面即可。

当 AR 头戴设备缩小到普通眼镜的大小时，它可能会成为新晋管理者的必备装备，以避免在商务会议和酒会上出现职业或社交失误。每个人的眼镜里都会装上额外的数据。每次你在会议桌或拥挤的房间里看向某人时，你眼前就会出现他们是谁、他们的背景等信息。学会如何不让别人明显地知道你正在“扫描”某人的数据将成为一项新的商业技能，就像在提词器前表现得自然一样。但这仅仅是个开始。如果你可以利用其他人的数据库来了解他们看到了你的哪些信息，那会怎样？或者，如果计算机黑客可以在重要会议期间将错误信息下载到 AR 系统中，那会怎样？当 AR 找到企业归属时，毫无疑问它会遭遇工业间谍活动。

所谓的“机器人”已经开始亲自探索 AR 带来的社会影响。北美有几十个人，他们醒着的时候都戴着可穿戴电脑。有些人从 20 世纪 90 年代中期就开始这样做了，当时最早的“机器人”在麻省理工学院读书时就发现了彼此。

泰德·史塔纳 (Thad Starner) 现在是佐治亚理工学院的副教授，他是第一批人机混合体之一。他使用自己设计的可穿戴计算机来辅助记忆。在会议或对话中，史塔纳可以轻敲他一直用一只手握着的紧凑有线键盘，从隐藏在网络连线背心里的硬盘或无线互联网连接输入信息请求，并看到这些信息显示在他处方镜片眼镜上的一个小方块上。史塔纳会用若有所思的表情和有目的的耸肩来提醒别人，他正在获取信息，而不是漫不经心。

如果说 Starner 是利用 AR 来为他的世界添加信息，那么另一位麻省理工学院的原始博格、现多伦多大学计算机科学家 Steve Mann 则有一个与之相反的程序。尽管 Mann 的可穿戴计算机系统可以在他需要时提供大量数据，但它也会用 Mann 所说的“缩小现实”来屏蔽世界。这款 AR 软件可以用存储的瀑布和其他自然景观的数字图像取代广告牌、路牌和公交车上的广告。

增强现实研究人员对其时间表持现实态度。在我试戴 MARS 设备后，哥伦比亚大学的 Feiner 承认，除了短暂的试用外，它对于其他任何设备来说都过于笨重。目前，笨拙的显示眼镜、不断需要将视野中的十字准线聚焦在目标或地标上，以及几乎肯定会出现的配准漂移，使得增强现实成为一种烦恼，而不是一种优点。不过，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。从已经遍布我们口袋的手机和掌上电脑来看，他的预测可能是对的：“如果没有可穿戴电脑来增强您对世界的体验，您会感到被冷落。”