全息投影和AR区别

近年来,随着科技的发展,我们经常会看到全体投影,AR技术出现在我们的生活中,这两个高端的技术都能让观众产生身临其境的体验,那么他们的区别又在哪里呢? 全息投影和AR区别

一、从含义来看全息投影与AR区别
全息投影:也可以称之为虚拟成像技术,通过投影技术,利用光学的干涉和散射、甚至衍射而达到的一个立体感相当强的画面,通过全息技术手段,把事先做好的影像播放出来,以3D形式展示在观影者面前。。 增强现实:需要摄像头捕捉特定的物体或者画面进行叠加,利用计算机建造模型叠加到现实环境中,简单来说就是让虚拟的东西与现实场景相结合,同步显示在大屏幕。

全息投影

二、从特征来看全息投影与AR的区别
AR的特点
1、真实世界和虚拟世界的信息集成。
2、具有实时交互性,根据你的位置、角度等,实时投射图像,并且进行互动。
3、是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。
全息投影与AR不同,最大的特征就是裸眼3D成像,无需佩戴任何设备,依靠裸眼就可观看3D效果。全息技术必须要通过全息投影膜,将影像投射到上面,才能显现出来。

全息投影和AR区别相同点
全息投影和AR区别相同点是都可利用虚拟图像造成视觉特效,带来很好的互动和视觉体验。
全息投影优势
1、投影出来的画面清晰度高,色彩鲜明,直观清晰,非常震撼,不需要佩戴3D眼镜。
2、立体感很强,能够让人沉浸在虚拟图像中。
3、不受场合的约束,能够支撑多角度全息投影,以不一样的方法展示出来。
4、可以任意更换增减需要展现的内容画面,适合表现各种题材,适用范围相对比较广。
5、可以根据客户的需求进行投影内容定制,而且后期更换维护都非常方便。

总的来说,全息投影和AR是两种完全不同的技术,全息投影的优势在于可以不通过特定设备就可以观看,AR的优势在于可以与虚拟事物实时互动,AR和全息投影技术各有千秋,当然AR技术还没有完全成熟。

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VR/AR为制造业开启上帝视角

在20世纪90年代初,美国波音公司就已经将AR技术应用于飞机制造中的电力线缆的连接和接线器的装配中。2003年,德国成功研制出用于工业设备装配和维修的Starmate系统和Arvika系统,之后,欧洲航空防务与航天公司(EADS)利用Arvika系统,指导工人轻松地完成高密度布线工作。

近年来,随着VR/AR概念的火热,不仅科技巨头涌入,大批创业公司也推出各自的产品,VR/AR技术被越来越多的工业企业采用。波音公司就使用Google Glass来协助工人组装电线网络,大大提高了效率,足足节省了25%的安装时间。

目前,VR/AR产品主要还处在军事、工业、商业用品阶段。随着工业4.0概念的兴起以及《中国制造2025》的推出,“VR/AR+工业”的概念不断升温,越来越多的企业开始尝试“VR/AR+工业”解决方案。

制造企业应用VR/AR空间巨大

2016年,微软与美国宇航局(NASA)合作代号为“Sidekick”的项目,宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)在国际空间站使用HoloLens增强现实设备进行空间站的使用和维修。

微软与世界名牌电梯厂商蒂森克虏伯公司合作,为其旗下2.4万名技术工人配备HoloLens眼镜,以便能够在安装、检修电梯设备的时候获得更及时、更便捷的技术支持,HoloLens眼镜大大提升了工人的工作效率。

通用电气使用微软HoloLens研究涡轮制造,通用电气称该技术为“digital twins”(数字双胞胎),装备的数据也是数字机器的副本,比如潜在部件故障、财物预测、最好的修复方法以及可以用到的真正业务数据等。

英特尔与 DAQRI 合作推出增强现实智能头盔 Smart Helmet,该头盔搭载了英特尔酷睿 M7处理器和英特尔RealSense 3D实感技术。DAQRI正与美国海军合作,让旗下的智能头盔应用于战舰上。而且财富前100名的公司都有试用这项技术,包括航空业、建造业、油气行业等。

可穿戴设备公司Osterhout Design Group(以下简称ODG)也推出了一款适用于危险工作场所的AR眼镜——R-7HL(HL代表危险位置),这款眼镜是专为那些在极端环境下工作的工人设计的。该公司表示,其现有的客户群大约有50%和R-7HL针对的行业是重合的。

PTC公司通过收购Vuforia,并结合PTC全生命周期管理解决方案和物联网解决方案,使制造行业企业深化应用AR技术拥有了更多想象的空间。

工业AR软件开发商Upskill致力于运用AR技术帮助客户提高工作效率和产品质量,主要产品为AR平台Skylight及配套智能眼镜。该公司与波音公司合作,帮助波音公司缩短了25%的生产时间并且提高了产品的质量,波音正在其美国的多个制造工厂中推广使用。通用旗下医疗设备工厂与再生能源工厂使用Upskill产品后工作效率分别提高了46%与34%。

工业设计软件和PLM软件商达索系统的工业软件支撑全球的航空制造、航天制造、汽车制造、水坝设计等高端制造业。该公司去年在上海展示了VR/AR的工业应用,计划今年开始商用。

而国内工业企业主要是这两三年开始试点、试用VR/AR行业应用解决方案。江铃汽车采用0glass的AR解决方案,生产效率提升了70%以上。目前0glass已经与航空维修公司、国家电网、西门子、华为、中广核等公司合作开发AR行业应用解决方案。

工业视觉实验室(Industrial Vision Laboratory简称IVLab)基于VR技术开发了多套工业VR平台级应用系统,并连续两年中标了北京市燃气集团VR培训项目。机械工业六院提出VR应急训练和技能实训解决方案,为烟草行业BIM项目提供增值服务。

厦门汇利伟业利用VR技术将设计图纸转化为VR工厂。只要戴上VR头显,任何人都可以从各个角度鸟瞰整个工厂,也可以步入各个楼层查看设备和管网布置细节。远东石化已经采用该解决方案。

曼恒数字开发了三维数字化矿产勘查虚拟仿真系统、稠油热采虚拟仿真实验系统、井控和井下事故与处理虚拟仿真实验系统、木材生产虚拟仿真实验教学平台等 ,主要用于教学。2017年5月,曼恒数字为商飞试飞中心提供的机载测试系统地面验证平台,对实际飞机中飞行的参数进行监控分析,确保飞机在预飞和实际飞行中相关参数的准确和正常,为C919成功首飞提供了坚实的数据保障。

通科仿真侧重实验实训、实习等实践环节数字化产品的开发,产品涉及电工电子、水利电力、机电一体化、土木建筑、资源环境、机械制造等70多个专业,其中通科建筑施工技术方针实训软件、通科建筑工程施工工艺仿真实训软件、通科焊工工艺仿真实训软件等分别填补了相关仿真实训软件的空白。

上海塔普制造有限公司推出“开源工业机械臂开发套件”,该开发套件是以物联网、嵌入式等新兴行业技术发展为背景,培养物联网工程、电子通信工程、传感网技术等相关专业学生工程素养、项目设计及创新实践能力的实训平台。

0glass公司创始人苏波认为,从纯技术上看,国内VR/AR+工业比国外落后一年,差距并不大;从应用上讲,国内VR/AR+工业反而比国外快一年,因为国内外应用环境不一样,国外企业考虑因素更单纯,为了提高生产、管理效率,而国内企业决策因素很多,更愿意去尝试新技术。

而且我国是制造大国,工业企业都在转型升级,这些都是VR/AR企业的机会。苏波认为,到2020年,国内VR/AR+工业在技术上会超过国外企业,因为国内应用更为领先,技术落地快,两三年内可能就能收回成本,进入良性循环状态;而国外技术虽然领先一年,但是并不具备落地价值,比如,国外光波导镜片很薄,有优势,但是一块镜片需要1500美元,不具备落地价值,很少人买单,像DAQRI创业已经七年,ODG创业也已经10年了,至今还不能自负盈亏。

但是机械工业六院科技研发部部长乔辉表示,目前国外企业采用AR/AR技术比较普遍,国内企业还处于尝鲜阶段,更多的是不了解或持观望态度,市场有待教育。

AR帮助“走完大数据的最后一米”

通过对国内外“VR/AR+工业”企业梳理可以看出,采用VR/AR技术的工业企业成员众多,种类繁杂。苏波将所有“VR/AR+工业”企业都总结为“三纵三横”企业,“三横”企业包括能源、制造和军工企业,能源企业包括电力、石油、煤炭企业,制造企业既包括卫星装配企业、江铃汽车等高端制造企业,也包括富士康等传统制造企业;“三纵”企业是指巡检和维修、生产和装备、实操培训企业。

“三纵三横”企业主要存在生产、管理和培训三大痛点,而VR/AR+工业解决方案则是它们除痛的一剂良药。从生产上看,虽然互联网和信息技术已经发展很多年,我们的生活和工作状态发生翻天覆地的变化,但是一线的产业工人并没有享受到信息技术发展带来的福利,他们的工作模式一成不变。

现在的信息技术不能解放他们的双手,手机虽然很小、很轻便,但是恰恰需要手,而AR眼镜不仅能解放他们的双手,还给予他们第一视角,同时提供数据可视化、更佳直观,有利于降低门槛,提升效率。

从企业管理来说,传统工业企业管理无法事无巨细到每一位一线员工,但是有了AR眼镜之后,AR眼镜可以通过摄像头实时收集一线员工的数据,一旦出错,AR眼镜就会提醒他,如果不改正,AR眼镜就会在手机上提醒管理者,便于管理者提前排除隐患或者避免事故发生。

而且PTC公司Vuforia工作室执行副总裁Michael Campbell说,AR技术打通了数字和物理世界的“任督二脉”。AR眼镜不仅可以收集机器、设备运行的数据,还可以收集人的行为数据,并将数据输出给特定的人,“走完大数据的最后一米”。例如,传统维修过程,人和维修对象是没有数据交流的,所以也没有直接的连接和反馈,而AR眼镜将改变这一切。有了这些数据之后不仅有利于提升员工工作效率,还便于管理。

从实操培训上讲,在工业企业,一般培训场景和工作场景是分开的,而根据微软712模型,培训对技能提升的贡献只占10%,20%技能需要靠自学完成,剩下70%的技能是在工作场景中获取的。培训场景和实操场景的分离,而且再加上人的生理遗忘曲线,培训效率很低。

而AR眼镜就可以将两个场景融合起来,就像你不会的知识可以直接百度。同样,VR+教育同样拥有非常大的市场空间。大连通科应用技术有限公司(简称通科仿真)总经理于双和指出,实操实训中存在“三高(高危险、高成本、高污染)、四难(难看到、难动作、难进去、难再现)”等问题,而实物介入在内的仿真实训教学软件正好可以解决这些痛点。

苏波指出,AR有可能像计算机一样,最初只有计算功能,很简单,但是随着技术不断演进,AR有可能成为一个平台,就像手机一样渗透到生活的方方面面。

工业企业为何没扩大AR使用范围?

乔辉指出,AR/VR+工业需要分开谈,AR+工业有市场需求,但是目前的技术还没有办法满足工业企业需求,例如,设备检修、巡检需要三维对象识别,但是目前AR技术最稳定的是二维图像识别,三维对象识别还无法商用。

VR+工业没有技术难度,但是VR技术特点决定了它的应用场景有限。VR主要适用于设计、培训、展示类业务场景,一般煤矿、电力、石化等高危行业有硬需求,但是国内企业利润较低,对新技术的投入比较谨慎,所以VR+工业目前面临的主要是业务需求和商业模式问题,市场也需要进行教育。

实际上,工业场景当中采用AR技术的较多,而且AR+工业已经发展多年,为什么一直走不出试点、试用的怪圈呢?也就是说,为什么工业企业没有扩大范围使用AR技术呢?

苏波认为,AR眼镜重量不轻、续航不久、运算不快,造成AR+工业不能真正落地。工业企业在试点试用的时候可以不惜成本,例如西门子采用0glass的解决方案时肯花10万元,但是当他们打算大规模采用的时候发现现在的AR眼镜都太重,不适合长时间佩戴,不具有落地价值。

而且现在AR眼镜的运算太慢,同样无法满足工业场景的需求。AR眼镜主要以3D视频、模型和图片为主,而且工业企业数据量很大,比如一辆汽车有几万个零部件,需要几十万个拆解步骤,运算量很大,如果AR眼镜运算跟不上,再轻也无法满足工业应用的需求。而微软HoloLens的运算能力跟上了,但是体积、重量、视场角又存在缺憾,很难实现平衡。

此外,续航和价格也是企业大规模采用AR眼镜的时候需要考虑的。按照8个小时工作时长来讲,AR眼镜续航时间一般至少需要8个小时,但是现在的智能眼镜大多只有两三个小时。如果从笔记本普及价格来看,一般是在5000元到8000元左右,但是现在AR眼镜动辄就是上万元的价格,如果企业要大量使用,价格可能是个拦路虎。

要破除试点试用的怪圈,AR眼镜企业首先要在重量、运算、续航和价格上下工夫。谁能够最先做出四个方面平衡的产品谁就有可能成为AR领域的一批黑马。但要做出一款黑天鹅式的产品并不容易。

在功能手机时代,不少企业尝试做智能手机,但是都没能成功,直到苹果iPhone4的出现才带动了智能手机行业的繁荣,革了功能机的命,让我们的生活发生了翻天覆地的变化。现在的AR应用还处于初级阶段,需要更多的市场验证,企业级市场爆发至少要到2020年以后。

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增强现实AR技术在工业制造五大应用模式

导读: 增强现实技术AR在制造业中也有了越来越广泛和深入的应用,这也成为很多企业重点研究的对象,同时也成为我国在制造业领域发展中关注的一项重要技术之一。

   近来,一款由日本电子游戏业巨头任天堂和美国软件开发公司Niantic联合开发的智能手机游戏“口袋妖怪Go”(英文名Pokemon Go)风靡全球,形成了一个无国界的全民参与现象,目前是美国Android和iOS应用商店下载量和收入额最高的应用。

  该游戏巧妙地结合生活,实现游戏中的地图和现实世界相互关联,地图会根据玩家的位置实时更新游戏中精灵的位置。

  如果想要捉到更多精灵,玩家需要经常更换地点,在各种各样的地方四处寻找,从而达到运动的目的,有益身心健康。如今,在美国、澳大利亚、日本等国的大街上,你会发现突然出现了许多年轻人,他们举着手机、插着充电宝,穿梭在各地寻找“妖怪”。

  作为这款游戏中用到的核心技术 “增强现实”技术(简称AR),盖过了最近炒得火热的“虚拟现实”(简称VR)技术,重新成为了全球目光关注的焦点。

AR工业技术

  增强现实AR技术与虚拟现实技术的区别是什么?

  “增强现实”是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。

  增强现实技术,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,实现两种信息相互补充、叠加,使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。简而言之,用户可以通过“增强现实”技术扩展自己的真实世界,直接看见真实世界中看不见的虚拟物体或信息。

  一般认为,“增强现实”技术的出现源于“虚拟现实”技术的发展,但二者存在明显的差别。

  虚拟现实技术(简称:VR)是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术,其特点在于可以创建和体验虚拟世界。使用户可以通过视、听、触等感知行为产生一种沉浸于虚拟环境的感觉并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。

  传统“虚拟现实”技术可以为用户创造另一个世界,使其沉浸在虚拟世界;而 “增强现实” 技术则是把计算机带入到用户的真实世界中,实现了技术“以人为本”。二者存在明显的差异。

  增强现实技术AR除了能够在游戏中大放异彩外,同时也在制造业中也有了越来越广泛和深入的应用。这也成为很多企业重点研究的对象,同时也成为我国在制造业领域发展中关注的一项重要技术之一。

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原来AR诞生于航空工业!

2016年,高盛发布了一份名为《VR与AR:下一个通用计算平台竞赛的解读》的行业报告,报告认为虚拟现实(VR)技术和增强现实(AR)技术将成为继计算机和智能手机之后的下一代计算平台,现有电子市场很可能将被重塑。到2025年,VR和AR的软硬件年销售额将达到800亿美元,如果解决了电池问题,年收入更可达到1820亿美元。

 

  报告发布之后,AR仿佛一夜之间进入了公众视野。实际上,AR技术并不是一个新兴概念,早在20世纪60年代末,就有科学家进行过增强现实技术的探索。而且AR(Augemented Reality)这个词的诞生还和航空有关,是由波音的工程师而创造。

 

  波音使用AR技术提高装配线束的效率

 

  1990年,波音启动了777飞机的研制工作。由于777采用了全新的航电、飞控、起落架等设计,需要在飞机上安装大量的航空线束。这些线束对于飞机来说,好比人体上的神经系统和能量传递系统,不仅提供传统的配电功能,还是各类系统的信息传输保证。线束的安装位置必须准确快速,一方面要保证各类线束之间彼此不产生干扰,另一方面也要避免被外界的信号干扰或者干扰外界的信号。

原来AR诞生于航空工业!

原来AR诞生于航空工业!

 

  图:飞机内部复杂的航空线束。

 

  为了安装这些复杂的线束,生产人员必须在看安装指导书的同时进行手动绕线装配工作。这种方式不仅工作效率较低,而且安装的准确性也很难保证。

 

  为了解决上述问题,1990年波音的两位工程师Thomas Caudell和David Mizell,提出使用一种抬头透视装置。它依据头部摄像头采集的场景生成数字CAD图,自动从完整的安装指导书提取匹配当前场景的部分,生成当前操作的安装指导虚拟图像,叠加到真实视野场景里。这样工人便可以按照透视的虚拟线路指导,进行各类布线安装。通过这个装置,轻而易举地提高了安装线束的效率同时减少安装线束的错误。由此他们创造了“Augmented Reality”这个英文词组,来描述在真实场景下依据用户看到的物体,自动叠加虚拟内容的技术。

原来AR诞生于航空工业!

  图:波音公司最早进行AR技术的尝试。

 

  所以要实现AR技术,有两项关键技术需要突破,分别是智能识别技术和跟踪注册技术。前者解决在哪里叠加虚拟物体,后者解决以何种姿态去叠加。由于配套上下游产业链尚不成熟,显示和跟踪注册等技术还不完善,最终这个设想离实用还有一段距离。

原来AR诞生于航空工业!

  图:工人按照谷歌眼镜的提示进行布线。

 

  20多年过去后,布线方法依然没有太大改变。唯一的改变就是,1990年安装工人需要查阅的是纸质版手册,而现在是查阅平板电脑上的PDF版本。但波音并没有停止在航空线束装配中应用AR技术的步伐,谷歌眼镜的诞生为AR技术在航空工业的应用创造了条件。

 

  谷歌眼镜是谷歌公司2012年推出的一款AR眼镜。谷歌眼镜在镜片的右上方配备了一个头戴式微型显示器,可以在显示器上投射需要的信息,其效果与在2.4m外的25in(635mm)高清屏幕显示效果类似。谷歌眼镜只提供了基础的硬件平台,波音为此找到应用软件开发商Skylight,共同开发满足线束装配的AR应用软件。在试验时,一名工人首先领取谷歌眼镜,通过扫描一个二维码完成设备认证;完成认证后,系统给谷歌眼镜自动推送一个线束装配应用;然后这名工人走向装配现场,再次利用眼镜上的摄像头扫描在装配现场某个部件上的二维码,该部件线束的装配指导就自动地在眼镜上显示出来;工人便按照指导一步步地进行线束的装配。

 

  Skylight还基于谷歌眼镜开发了远程专家协助功能。当工人遇到无法独立解决的问题时,利用谷歌眼镜,把拍到的现场视频实时传给其他地方的专家进行求助。由于AR眼镜的摄像头处于人眼附近,专家看到的画面和现场工人看到的基本一致,远程指导更加有效。

 

  那么这个项目取得了什么效果?波音工程师DeStories表示,AR眼镜帮助安装工人节省了至少25%的装配时间,并显著降低了错误率。

 

  波音为了分析AR技术对于减少装配错误的影响,在2015年专门启动了对照试验。该试验选择了一个有50个步骤的装配任务,定量采集AR技术对于减少错误和提高效率的基础数据。波音将45名学生分成了三组,一组使用纸质版的操作手册,第二组通过平板电脑读取PDF格式的手册,最后一组使用具有AR功能的触屏式平板电脑。结果显示,使用纸质手册的学生在第一次装配时发生了8次错误,第二次又发生了4次。PDF组第一次和第二次都发生了1次错误。然而,AR组第一次发生了0.5次错误,第二次没有发生。通过这个试验,波音坚信AR技术可以帮助公司减少培训时间,加快制造速度,降低工人在不同任务中的切换难度。

 

  然而基于谷歌眼镜研发的APP要真正走向实用,还面临一个很大的障碍:信息安全。在试验项目中,所有设备都在封闭的网络环境中进行,而实际的装配环境却是依赖网络才能展开。如果网络被黑客攻破,把错误的装配指导发给了现场工人,后果将不堪设想。DeStories表示,信息安全问题必须得到非常严格的保障后,才能考虑在生产过程中使用基于网络连接的AR眼镜。

 

  空客的AR应用尝试成果喜人

 

  空客公司对于AR技术的应用比波音要晚。空客曾将AR技术应用于水管安装、舱内连接器和客舱开发过程中。其中,在客舱开发时,空客使用AR技术在通用的设计样机/销售样机上叠加虚拟设计概念或用户配置,能够迅速让设计人员和用户体验到最终效果,减少刚性原型制作的昂贵成本。空客联合戴姆勒公司,利用索尼智能眼镜开发的AR系统、计算流体力学(CFD)软件和温度传感器等数据输入,实现座椅空间气流、温度的可视化,助力设计人员进行客舱开发。空客同时在不同机型的制造装配中,开展了使用增强技术辅助装配、质量控制等一系列的试验性项目。

 

  2015年上半年,空客在A330的最终装配阶段,引入了AR技术辅助实现座椅及其他客舱装修的精确位置标定,并首次利用了头盔式眼镜实现AR的功能。

 

  头盔式眼镜配备了一个摄像头,在扫描二维码后,设备会显示不同客户需求的舱内安装计划、信息和标定区域。原来必须有经验的工人来解码复杂的设计图、准备标定模板,并需要长时间保持专注。有了此AR头戴式设备,重塑了空客的标定操作模式,还能提供常见的手势交互和英文语音交互功能。

原来AR诞生于航空工业!

  图:空客工人利用AR眼镜在进行客舱装修的位置标定。

 

  为了获得更加全面的测试效果,空客在5架A330飞机上进行了试验。结果非常喜人,即便毫无装配经验的人,位置标定所需要的时间也仅需要之前的1/6,错误率更是降为0。

 

  与此同时,空客在A380、A350XWB和A400M开展了类似的AR试验项目。空客在复合材料机舱内安装6~8万个托架,用来支撑大量液压管和线束,并使用带有AR功能的平板电脑,访问飞机3D模型并将操作和安装结果与原始数字设计进行对比,以检查是否有缺失、错误定位或托架损坏。在检查完成后,自动生成报告,包括任何不合格零件的细节,都能够很快得到替换或修理。利用该AR系统,A380机身上8万个托架的检查时间从3周缩减到了3天。

 

  其他制造商在尝试应用AR技术

 

  作为美国军用飞机最大的制造商,洛克希德-马丁同样尝试了将AR技术应用到飞机制造过程中。其中采用爱普生Moverio BT-200 智能眼镜的AR平台加速了F-22和F-35的制造过程,AR平台实时提供视觉帮助,方便地让生产人员了解零件的编号和计划,确保每个部分都能正确、快速的装配。比如,当工程师戴着AR眼镜进行起落架的部件安装时,只需要通过眼镜看着起落架的轮子,就可以跟随安装手册的一步步指导,包括每根线缆和每个螺栓以及它们需要安装的位置和编号等信息,完成安装。

 

  在这个平台的帮助下,工程师们的装配速度能够提高30%,准确率达到96%。除此之外,通过应用AR技术,把安装指导手册和质量要求在工人的眼镜上按需显示,也大量缩短工人的培训时间。

原来AR诞生于航空工业!

    图:洛马的战斗机装配车间。

 

  洛马公司在维修领域也使用了平板AR技术,维修人员能够提前了解待修飞机的3D模型。通过这种方式能够将维修时间从几天减少到几个小时。

 

  除了以上飞机制造商之外,飞机维修维护企业汉莎技术和法荷航技术同样也有AR技术的应用探索。汉莎技术使用了基于激光投影的AR技术,协助机务实施头等舱舱内设施的安装。这个移动投影系统可以和每个安装场景适配,在飞机机体内可以灵活的固定和配准。所需要的安装模板直接被投影到飞机结构正确的位置上去,这个模板能为机务在正式安装时提供有力协助。据称,这种工作方式可减少50%的工作时间。而法荷航技术正考虑为法荷航提供具有AR功能的登机牌。

 

  时机成熟了吗?

 

  虽然分析了如此多应用AR的案例,但是要么是基于平板电脑的AR应用,要么是停留在试验阶段,并未在航空工业生产或者维修过程中,真正大面积实际应用基于眼镜的AR技术。

 

  跟踪和注册技术

 

  跟踪和注册是AR的核心技术之一,是实现虚实融合的基础技术。跟踪指的是确定某物体在物理世界中的位置和朝向,物体可以是待叠加虚拟图像的真实物体,也可以是指用户身体的某部分,如头部或者手部。注册是在跟踪的基础上,实现虚拟物体和真实物体的对准,从而完成虚实融合的目标。

 

  为了符合AR眼镜的使用要求,跟踪技术必须满足移动性、轻便性和厘米级精度。因此,基于硬件的跟踪技术,比如北斗/GPS、机械式跟踪器、电磁式跟踪器、超声波跟踪器、惯性跟踪器以及光学跟踪等,均无法满足上述要求。基于视觉的跟踪技术,提供了一种非接触式的、精确的、低成本的解决方法,在AR眼镜领域的实用性日益增强。尤其是随着处理芯片计算能力的增强、3D传感器成本和尺寸的大幅下降,即时定位与地图构建(SLAM)方法现在已经成了AR眼镜上跟踪技术的主流。SLAM技术通常使用深度传感器(ToF等)和双目视觉传感器采集到的3D数据,结合惯性传感器数据,不需要预存场景信息,在运行阶段完成场景的构建以及跟踪。这个技术满足了移动性、轻便性和厘米级精度的需求,已经在诸如微软Hololens等产品中得到了应用。

 

  注册的主要误差来自两个方面,第一个也是最主要的来源是跟踪误差,第二个来自于显示变形。跟踪误差改善的途径有两条,一是采用更多的传感器和更好的算法,比如使用SLAM等方法来减少跟踪误差;另一条是考虑渲染和跟踪误差,实现两者的联合优化,减少注册误差。因此,伴随着SLAM等技术的成熟和产品化,AR技术的跟踪和注册问题基本得到了解决。

 

  显示技术

 

  AR眼镜的显示包括了图像源和光学系统两个部分。图像源目前有LCoS(微软Hololens和索尼采用)、mini-OLED(苹果可能采用)和DLP(Oculus采用)等。显示技术现今的焦点在光学系统部分,按照成熟度由高到低,分别是ODG反射式方案、光波导方案以及光场技术。

 

  ODG反射式方案是一种改进型的棱镜方案,采用了单片半反半透镜的技术。该方案把棱镜的其他部分去掉,只留下半反半透的膜层。通过这种方式可以轻松实现夹着膜层的玻璃片的轻薄化。这种方案的特点是成本低、技术成熟,缺点是镜片尺寸和占用空间比其他两种方案略大。光波导方案利用了光的衍射原理实现图像投射。以Hololens为例,它使用了全息衍射波导光栅,这个显示技术的优点是镜片可以做到和普通镜片差不多厚度,缺点是现阶段视场较小,成本较高。MagicLeap公司曾将光场技术推向实用化,通过改变纤维在三维空间中的形状,特别是改变纤维端口处的切线方向来控制激光射出的方向。光场技术的发展潜能很大,能够解决目前VR/AR领域面临的诸如FOV较窄和图像质量差等诸多技术难题。然而,光场技术的缺点也是显而易见的,计算量大,极难在眼镜上实现,同时要以数据同步的方式实时调整光纤维的颤动方式,从而自然改变光的输出方向,也非常难实现。

 

  ODG反射方案和光波导方案现在均有了商用产品,而光场技术现在还停留在概念阶段,产品的推出尚没有准确时间。

 

  从AR眼镜在航空工业中的应用可能性来看,ODG反射式方案尽管体积较大,但对于工业级用户来说,可以接受。现阶段AR眼镜的显示技术也满足了大部分场景下的使用要求,但在航空领域的一些特殊工作场景,如室外机坪、大空间的机库和车间等,仍有难度。

 

  复杂环境适应性

 

  目前各大公司开发的AR眼镜和技术,目标的工作场景集中在小空间的室内环境,而航空工业的环境还包括室外机坪以及尺度达到几百米的大空间机库或者车间。

 

  室外的工作场景,除了对电子设备提出了三防、高低温等需求之外,对于AR的核心技术也提出了新的挑战。比如室外工作场景的光照条件是复杂多变的,会带来逆光、反光、光照不足、阴阳光照等问题,从而对于物体识别和SLAM技术带来实现的困难。此外,室外条件下太阳光的红外分量对于光传感器的干扰,也需要攻克。

 

  大空间也会对SLAM的工作距离提出挑战,现在的深度传感器最大的工作距离一般不超过150m,小于机库或者车间的尺寸。另外,在机坪、机库或者车间里,由发动机等设备发出的巨大噪声,也给语音交互造成技术障碍。

 

  因此,在复杂环境适应性方面,现有的AR技术需要进行进一步可行性论证和评估。

 

  实现AR在航空工业的突破

 

  待技术完全成熟有了产品,再去推广往往并不一定能成功。所以先以应用需求为牵引,在现有成熟技术的基础上,开发AR技术系统。只要能实现市场痛点的“单点突破”,就有机会推动应用的进一步纵向深入和横向扩展,同时也能促进技术的逐步成熟。

 

  尚未解决的核心技术必须高度重视。虽然现在实现光场技术还有很多困难,但是随着微软以及MagicLeap公司在该领域的深入,相信在不久的将来,该技术就有望实现产品化。由于光场技术对于人眼来说是最自然舒服的显示方式,一旦其实现产品化,势必会成为各大AR厂商首选的显示方案。

 

  复杂环境下的智能识别和环境建模也是下一步要攻克的难题。复杂的光照条件,对于基于视觉的识别和SLAM技术是一个难题。一旦得到解决,AR在航空工业的需求前景将十分广阔。

 

  随着芯片计算能力的提高、各种新型传感器小型化和低成本化、人工智能技术的快速发展,AR技术在航空工业中的应用前景将十分广阔。(作者:徐浩煜,中国科学院上海高等研究院;刘一,中国民航管理干部学院。)

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