扩展现实技术：亦真亦幻创新无限
4月3日，华中科技大学同济医学院附属协和医院叶哲伟教授团队，在全球范围内首创新冠肺炎混合现实三维立体医学影像——他们将新冠肺炎患者的肺部CT扫描数据输入到专业软件中，构成三维全息可视图像，医生佩戴混合现实眼镜后，一幅三维立体图便活灵活现地呈现在眼前。利用此手段，医生可精准了解病人肺部的空间结构和病理变化，有针对性地制订治疗方案，同时还能开展医术交流和远程会诊。
扩展现实技术应用示意图。梁晨合成
混合现实技术属于扩展现实技术中的一种。扩展现实技术不仅在医学领域广泛应用，而且在远程办公、远程巡检以及线上教育、线上商业展示等领域也高效运用。
可以预见，扩展现实技术未来在全球各领域的应用将会更加火爆。那么，它的概念是什么？有何重要应用？特别是在军事领域应用前景如何？请看——
一种综合性的高新技术群
扩展现实（XR）技术，是虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）这3种技术以及其他类似沉浸式技术的统称。
虚拟现实技术：利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，用户戴上VR显示器，能360°观看这个完全虚拟的世界。人们通过佩戴特殊设计的头盔设备，依靠计算机生成的虚拟环境，将自己与真实的物理世界隔绝开来，完全沉浸于一个独立的时空中。
增强现实技术：将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到现实场景中，从而实现对现实的增强。用户能够通过感官直接获取扩展现实的体验，具有极强的交互性。足不出户就能满足购物欲的“虚拟试衣”程序以及手机实景行车导航软件，都是增强现实技术的典型应用。
混合现实技术：把虚拟数字对象引入现实环境，物理和数字对象共存，并能实时互动。新冠肺炎混合现实三维立体医学影像事例中，医生戴上混合现实眼镜，患者器官的虚拟全息立体模型立即呈现在面前，医生可通过手势在空中移动、旋转、缩放三维影像，直接“透视”患者的肺部结构，从而为实现术前影像诊断、手术规划、术中导航和远程医疗等提供了极大方便。
虽然名称不同，但它们的底层软件硬件技术很多都是相通的，尤其是与芯片相关的支持技术以及软件开发包。扩展现实技术的实现实际上是这3种沉浸式技术的综合发展，离不开“四个支撑”：
——输入技术的支撑。即依靠对运动、环境做出感应和交互触发的技术。扩展现实技术系统需要多种感应器协同工作，在输入阶段就得捕捉并识别人体数据、环境数据，以提高识别精度；其交互触发功能向多模态方向发展，同时硬件设备将会可穿戴化或植入人体内。
——处理技术的支撑。即依靠输入信息识别、数字内容生成、虚实融合处理等技术。借助人工智能算法以及相应数据源平台，集中处理复杂、多元的非结构化海量数据，使真实和虚拟空间无缝融合，并将输入信息与数字内容按照用户期望的情境进行融合处理。
——输出技术的支撑。即依靠视觉、听觉、触觉、味觉及嗅觉五感反馈的技术，为用户提供情境化的真实感官体验。
——泛在技术的支撑。即依靠人工智能、物联网、高速传输网络等技术，保证数据从云端到边缘、再到设备端的传输稳定性。
应用于军事领域潜力巨大
扩展现实技术的创新应用，无论在医疗、制造、能源和交通等传统行业，还是在网络安全、电子商务、移动通信等数字化领域，均有广阔的发展前景，特别是在军事领域的应用潜力巨大。
——虚拟现实技术用于高端武器装备的研发。随着科学技术的进步，现代武器装备的性能越来越先进、系统越来越复杂，研制成本也越来越高昂。如果在武器装备研制论证阶段，提出的方案存在设计不合理、设计深度不够、设计漏项等缺陷，就会为后期的生产和使用留下大的隐患。为此，世界上很多一流的国防军工企业在生产新型汽车、飞机等武器装备前，通常会使用虚拟现实技术建立逼真的三维虚拟环境，设计制造人员戴上头盔显示器，审视设计合理性，并利用这样的环境反复修改设计方案和性能指标，提高设计的科学性，加快武器装备的研制进度。
——增强现实无人机用于战场侦察监视。军用无人机不仅能对敌方的目标实施致命打击，还能成为高效的空中信息搜集平台，对重点地区进行侦察监视，给决策者提供地形地貌、兵力部署、部队动态等信息，为实施作战任务规划提供支持。目前，世界上已有多个国家的军队将增强现实技术应用于无人机功能开发，进一步提升无人机的侦察监视能力。无人机操作员使用AR设备和软件，将重要的战场信息叠加到现场视频上，从而大幅增强对人道主义救援、搜索营救、潜在目标侦察等任务的态势感知能力。此外，采用增强现实技术的无人机还能使指挥官与其部队实时通信并中继关键信息，从而指挥部队更加精准地展开作战行动，同时减少附带损伤。
——扩展现实技术用于提升军事训练的质量效率。美国国防部高层认为，扩展现实技术将极大地改善战场态势感知、后勤保障、作战战备甚至医疗救护等的训练方式和实施过程。2019年5月，美国陆军参谋长詹姆斯·麦克康维尔上将对美国国会议员们说：“扩展现实是一项尖端技术，它将改变我们训练士兵和作战的方式，是让我们为之兴奋的技术。”美国陆军和海军陆战队正在研发被称为综合视觉增强系统的新型战场平视显示器，将合成训练环境与真实世界的数据结合起来，以提升步兵的战备水平和作战效能；海军和空军一直在使用类似的扩展现实技术训练他们的战斗机飞行员。美国空军通过采用虚拟现实、人工智能和生物特征跟踪等技术，将训练一名新飞行员的时间从12个月减至4个月。
未来发展需应对关键挑战
近年来，扩展现实技术取得了长足的发展，但要使人能够有更流畅、更沉浸的体验，还需要在工程技术方面取得重大突破，应对以下关键挑战：
——拥有舒适的可穿戴设备。这是一个不小的挑战。以佩戴的眼镜为例，没有人会喜欢一副又笨又重的眼镜，但又必须在眼镜上加载传感器、计算机、相机、电池等单元。要满足人们的这一要求难度很大。
——有效延长电池的待机时间。目前，扩展现实技术应用很大程度上依附于电脑和智能手机发展，但未来面向专业应用领域，扩展现实技术或将向可穿戴式设备发展，对电池的待机时间提出了更高要求。只有电池技术实现突破、有效延长电池的待机时间，才会促使扩展现实技术的发展更进一步。
——解决系统运行高时延问题。沉浸式体验不仅需要快速连接，还需要低时延。当前，大多数扩展现实技术的应用吞吐量很大，导致系统运行过程中存在高时延、用户体验差等问题。使用5G技术和边缘云，将扩展现实技术应用涉及的大量数据计算迁移到就近与基站相连的云服务器上，是未来解决这一问题的有效途径。
——消除系统存在的巨大风险。虽然扩展现实技术能够给人们带来无限机会，但也存在巨大风险。如扩展现实技术系统的底层数据会出现偏差，容易受到滥用和网络攻击的影响；扩展现实技术能够跟踪与人最密切的相关数据——人的感情、判断、反应和其他更多特质，如果相关信息被不怀好意的人或敌方掌握，将可能带来非常严重的后果。
人们相信，积极应对挑战，解决现实存在的诸多问题，扩展现实技术的更多主流应用会不断涌现，从而开启一个全新的未来。
（作者：王绍祺 马英男 涂砺）
