第358期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《探寻增强现实的世界》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——探寻增强现实的世界
主 持 人：段玉龙
做客嘉宾：程德文，北京理工大学教授。
陈 征，博士、北京交通大学物理教师。
讲座时间：2022年5月2日～5月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——探寻增强现实的世界
讲座内容：
各位观众朋友，您好!欢迎收看《透视新科技》，我是段玉龙。AR技术被称之为增强现实技术，在生活中的运用越来越广泛，比如我此刻身处的这间演播室，身边的操作台，身后的机械臂，还有这个实验台，这仅仅是增强现实技术的部分应用，关于这项技术还有什么样的应用呢？我们通过短片了解一下，AR是增强现实技术的简称，这是一种实时地计算影像位置、角度，并添加相应图像的新技术，它能将现实环境的信息和虚拟的数字信息集成在一起，使我们沉浸在真实与虚拟融合的环境中，有人预测10年之内AR（增强现实）技术将无处不在。AR（增强现实）技术有什么特点和优势？未来它将应用到哪些领域呢？今天做客演播室的二位嘉宾分别是北京理工大学的程德文教授以及北京交通大学的陈征老师，欢迎二位！主持人好！主持人好！我们在以上的短片中，看到有增强现实技术的运用。包括我们今天一开始，也向各位观众朋友展示了我们的演播室也是运用了增强现实技术，那么究竟这个名词，我们理解一下增强现实技术，什么是现实？这现实又是如何被增强的呢？
大家应该能够理解这个含义，就是它好像事实上在你身边存在，然后你走到跟前去就可以摸得到它的，这些就是所谓的现实。那么我们在这个现实上面增加的那部分信息，你的旁边突然就出来一个信息框，你的年龄，你的体重，你的身高，你的背景资料就出现了，那就是增强。实际上就是我们出现的这个操作台，我们的机械臂等等这样的一些信息，是我们通过这个计算机虚拟出来的这个信息，这就是虚拟的信息。也就是说我们通过增强现实这个技术，增强了现实当中咱们没有看到的这些东西，但是这些信息对于我们来说都非常有用，非常重要。就像我们刚才看到的这个棚，我们现在对于正在看电视的朋友来讲，我们和我们面前的桌子是现实的那部分，然后我们整个这个场景就是增强出的那个信息。可是大家看起来却是浑然一体的。对的，那么究竟这样的一个视觉效果是如何呈现出来的？这个现实是怎么就被增强到大家看到的那个结果的呢，程老师？
这个呢，实际上要通过一些融合的技术手段，包括像我们生活中常见的像半反半透镜，就像我手上的这样一个镜片。半反半透镜。通过这样一些光学的介质，他可以看到真实的场景。比如说，我们可以看到您。比如说我们在开车的时候，比如说我们把这个导航的信息放到下面，这样的话我就可以看到一些导航的路线，可以直接投影到我汽车的前方，这样的话就是这个半反半透镜，其实就起到了一个把虚拟信息增强到我们现实中的一个有效的技术手段。现有的现实增强技术，实际上都离不开这样的一块小玻璃。光学介质。光学介质。对。那必须得要用这个光学介质吗，陈征博士？在当前看来，因为我们对外界的这个感观，最主要的信息来自于眼睛，那眼睛接收的主要是光信息，那么我们要叠加现实的场景和那个虚拟的增强的那部分信息，就需要用光的形式进来，所以我们今天还是用投影，用反射镜，用这样的方式，那未来就有可能我把一个虚拟的信息通过视神经送进大脑，和现实从眼睛里看到的那部分的神经信号合并到一起，这样也能实现，但今天主要还是靠光学。对。这里我要稍微补充一下，其实增强现实的概念，这个技术是比较广的，但是我刚才可能直接就把它，归类为这个视觉的增强，其实还有这个声音的增强，触觉的增强，还有这个味觉的增强，这些其实都是属于增强现实。
说到视觉这一部分，其实呢，增强现实在它之前我们就曾经听过另外一个技术，增强现实称之为AR，最早呢还有个技术叫VR（虚拟现实），这两个之间的区别在哪里？实际上，增强现实AR应该算是从这个虚拟现实（VR）衍生出来的一个新的技术，这个从技术层面上来讲，就是VR（虚拟现实）主要是把人带到一个虚拟环境中去，就是用户戴着这个VR（虚拟现实）的设备去看到的场景，全部都是由计算机虚拟出来的。比如说我们刚才开场的短片，就比如说这个虚拟的实验室，如果说我们人没有在里面，然后用户直接去体验的话，比如说去做实验，或者说有相应的操作。这些呢，就是把人带到这个虚拟的实验室里面去，这个就叫虚拟现实。像我们刚才短片里这个呢，为什么叫增强现实，因为我们还有人在里面，我们可以把操作台、机械臂这些东西给它投射到我们这个真实场景中，我们可以对它进行一个相应的一个交互，一个操作，这个呢算是增强现实。虚拟现实实际上现在还是比较大的一个设备，然后我们戴着这个虚拟现实（设备）的时候，我们是看不到这个外界的一个场景的。其实虚拟现实和增强现实，我们或许可以用这样一个简单的判断标准，就是我看到的东西，所有的都是摸不到的，那就是虚拟现实，所有的信息全部都是屏幕显示给我的，那如果这里边有屏幕显示给我的，也有现实就在我身边存在的，那这就是增强现实。那么程教授在您看来，增强现实技术还有一些什么样的特点？
增强现实在它的技术特点上来说呢，第一个特点呢，就是虚实融合。嗯。就是这个虚拟的场景，我们增加的这个场景，要跟真实的场景要融合起来。我来举几个例子吧，就是第一个虚实结合，就像我们刚开始的时候说的，你去想象一下科幻片里的一个场景。我看到你的时候，你旁边儿就出一个信息框，那比如今天你去相亲，然后呢，看到了你的另一半相亲对象，然后我们也许只是一个第一面，能了解的信息很少。但是，如果有这么一个装置，我就看到你的边上出一个信息框，身高、体重这些不说了，你们家还有几头猪，有几只羊，这就是所谓虚实结合的这么一个概念。第二点，就要有一个实时的交互，就相当于我们虚拟物体的出现，跟我们这个真实的场景地（交互），比如刚才您的一些动作要协调起来，要匹配起来，这样才可以达到一个比较好的效果。实时交互，比如我现在打一个元气弹给你，那么这个时候，那个所谓的元气弹，虚拟出来的元气弹，它应该是跟着我的动作走。第三个特点呢，跟第一个特点有比较强的关联，就是要精确定位。就是我手在哪，这个元气弹得在哪，而不是它只在一个确定的路线上走，然后我的手必须，我的手在这的时候它在这，那这个就不能满足这样一个所谓的增强现实的效果，它就变成割裂了。
AR（增强现实）技术具有虚实融合，实时交互，准确定位三大功能。参与者借助于屏幕，AR眼镜这样的光学介质，产生身临其境的逼真感受，甚至能体验到真实世界中没有的视觉、声音和触觉这样的实体信息，从而达到超越现实的感官体验。那么在我们的生活中，AR（增强现实）技术已经有了哪些应用呢？虚实融合、实时交互、准确定位，这是关于增强现实技术的三个特点，我们已经有这么好的技术了，这个技术呢也有很多创新，也有很多的特点，具体能用在什么样的地方呢？举一个教育的例子，我们上中学的时候都学过立体几何，这些立体几何呢，对有一些学生来说，它是比较抽象的。我就记得当时上课的时候，老师拿一个白色的立方体。对，他会拿一个模型出来，然后告诉我们中间有一条对角线，可是那个立方体是实实在在的一个大白块，我真的看不见那个对角线，就是说这种用实物模型，来讲这个课程的一个局限。如果说现在模型变了，那我又得准备其他的模型出来，会准备很多的模型，而且有些东西它隐藏在实体的后面，你也是看不到的。
比如说把这个增强现实技术，用到立体几何的教学中，当我们讲到一个立方体的时候，我们可以直接在我们的正前方投出一个立方体的模型，我们可以对它进行一个旋转、放大、缩小的操作，如果要讲到对角线，有不理解的概念的时候，我们可以通过把立方体的表面做一个透明化的处理，然后可以直接从画面的A点，慢慢地绘制到这个画面的B点，这样的话我们学生可以直接看到对角线的一个生成的过程，有一个非常直观的印象，加强他对立方体对角线的一个了解。还有就是一些抽象的物理模型，比如说原子模型，分子模型这些东西呢，实际上我们是都是要去通过想象去实现的，但现在如果说有这样的一个技术，我直接可以把这样的一个模型叠加到，比如说我的这个书本上，或者一些特定的位置上，我看到这个地方，我就能出现这个模型三维的，把一些抽象的概念，变成一个很形象的概念。老师教起来也省事了，学生理解起来效率也高了。有哪些应用已经跟我们的现实生活中对接上了？我们已经在现实生活中用到了这些东西呢？
跟我们生活比较相关的，通过这样的一个AR（增强现实）头盔，把我们手机的屏幕作为一个载体，它就把这个电影的一个IP（知识产权），做成一个游戏AR（增强现实）的游戏，叠加到我们的真实产品中来。比如说一些战斗形象去跟它发生对战，这个就有一种身临其境的这种对战的体验，这个也得到了很好的一个推广跟应用。在目前玩家也比较多，实际上这个技术在咱们的大兴机场已经得到了应用，实际上就是安检人员，他就可以戴上这样的一个AR（增强现实）的眼镜，它就类似于一个很小的眼镜，架到我们这个（头上）。就像您桌子上这种是吗？比这个还要简单一些，就相当于戴上一个AR眼镜，因为他在机场，他可以直接比如说您陈老师，我直接就一扫您的脸，就知道我的登记信息就都显示了，是吧。对，您的登机信息，您的航班，这些信息我都有了。这样的话我就不需要再进一步去做更多核实。这已经是一个很成熟的应用了。这已经是一个成熟的应用。
那么在生产当中还能有什么样的用途？比如说在这个飞机发动机的维修上，通过这样的一个AR眼镜，然后再通过远程的一些视频的技术，可以对这个维修进行一个实时指导。比如说我戴了这样的一个AR眼镜，然后上面它有摄像头，它可以把我看到的以第一视角看到的这个场景，实时地拍摄下来，然后传递到这个后台的专家系统里面去。比如我的专家在北京，然后维修我在上海，这个时候呢，我后台的专家他可以实时地看到我拍摄的这个发动机模型，看到这个模型之后，比如说后台的专家发现这个发动机某个地方有故障，但是这个实际的维修工人他并不知道这样的一个故障存在，这个专家呢，可以在这个视频上，在故障的位置画一个红圈。这个时候呢，维修的工人在（增强现实）眼镜里，就有一个红圈实时地叠加到，实际的故障的位置当中去。然后这个专家告诉他，你应该在这个红圈的位置，怎么去拆这个设备，怎么去维修这样的设备。这样的话呢，它也就体现了这个增强现实（技术）一个实时互动交互，还有一个定位，你要把这个红圈准确地投到那个故障的位置，这样的话这个维修工人就可以准确地知道我应该修这个地方，而不是像以前比如说我就通过打电话，我说往左一点往右一点，这个是非常笼统的概念，他不知道准确的地方在哪。而且飞机发动机多么重要。没错。一点差池都不能有。
您刚才在描述的过程中，我有一个问题是它是已经部分实现了，还是说已经完全成为一个成熟的产品，我们在生活中，在生产中已经开始应用？这样的一个技术，目前其实还处于一个比较早期的一个尝试的一个阶段，现在虽然已经有一些案例得到了应用，比如说我刚才描述的这个飞机发动机的维修，这个实际上已经有一些案例在操作，像包括我们的海航的发动机，还有咱们国家的大飞机C919的装配线的制造，其实已经用到了这样的一个增强现实的技术。嗯。但是，目前因为它还是属于一个工业的领域，就是说如果说它要大规模应用的话，他需要做很多的内容上的一个制作。嗯，就是说硬件设备就从某种程度上来说，它已经可以去做这样的一个使用，但是从大规模的应用上来说，它还需要更多的人参与进来，把每一个案例给它细化，把它的内容相应地制作出来，这样的话才会有更多的应用，进入到我们的工业生产制造，我们的日常生活中来。这也是现在增强现实技术，也就是AR（增强现实）技术所面对的一个问题。技术是个好东西，但是应用的场景的确是有限。那么在二位专家看来，阻碍AR（增加现实）技术走进更多人身边的因素还有什么？
从AR（增强现实）的实现过程可以看到，它首先要检测，检测完了要处理信息。处理信息完了，还要提供反馈的信息，然后再把信息通过硬件的方式给投射出来。所以AR（增强现实）这个东西，虽然我们看到的往往只是一个眼镜，一块屏幕，但背后其实有非常非常多的工作，所以从这个角度看，这中间每一个环节可能都是限制它发展的来源之一，比如说检测的精度，数据处理的复杂程度。反馈的复杂程度，输出和实际的配合，定位的精准等等这些问题，这都是需要考虑的问题。程教授在您看来。刚才陈老师讲得特别好，这里我想补充一点，就是实际上这些技术它用到了像传感技术，有运算的技术，还有显示的技术。这些技术从单个来看，在目前阶段可能都相对来说比较成熟，但是作为这样一个AR（增强现实）的眼镜设备来说，要把这样的一些技术有机地融合成一个整体，这个现在还存在着很大的不足。难在哪儿？我个人认为就是这样的一个技术，因为它的集成度太高，就好比我们的手机，我们的pad（平板电脑）来说，实际上我们用到的很多技术，在手机、pad（平板电脑）上都已经可以实现。但是像这样的一个AR眼镜来说，它就不可能像手机（具有）这么通用的模块。因为每个人的头、头围、头宽这些都会有不太一样的地方。然后这样的一个设备戴到头上，因为有大量的计算，有大量的传感器，它的散热会是一个比较大的问题，你像我们用笔记本电脑，我们可能还可以加个风扇，加大散热的面积，对吧？
这些东西在我们的AR眼镜里面，其实都不能够很好的去运用，因为我们不可能在头上加个风扇，听到嗡嗡的风扇吹的声音，然后也没有特别大的面积去做这样的一个散热。但是这样的一些计算，它需要很大的算力，需要有很大的发热，这些是其中的一个技术，然后还有像电池的技术，因为手机的话我现在一般基本上能用一天，晚上充电，白天基本上可以用，这个基本上已经得到很好解决，但是作为这样的一个AR（增强现实）的设备来说，它可能还存在这样的不足，我我要把电池加到我的头上来，我的重量会增加，这样的话最终还是会把重量落到我们的颈椎上，这也是一个问题。然后还有一些现在就是说从单独的技术上来讲，像这种刚才陈老师提到的这种定位的技术，它其实还没有达到我们想象中的那么准确，那么稳。虚拟物体叠加到真实场景中来的时候，它可能会飘，可能还会错位，这些在目前阶段都还是限制我们AR（增强现实）技术得到大规模应用的一些制约的因素。它为什么没有得到大规模应用的一个原因，其实首先是硬件总结一下，就是硬件设备还存在一定的局限，然后另外一点就是说跟它匹配的内容的生态还没有形成。比如说现在都是一个单点的一些应用，比如说我刚才说的发动机、医疗。所以说从硬件和软件的角度来讲，都有一个瓶颈现在存在，陈征博士。
比如一个手机摄像头，现在可以做得很小，大概就是小姆指甲盖儿这么大，但是它在你手上拿的时候你觉得很小，当你把它放在眼镜框上的时候，你立刻就觉得他变得很大。电池也是这样，整个的电路系统，存储系统等等的所有的硬件，当最后只能变到可能最多一个大拇指这么大的时候，你想想这么大的一个东西，完成一台台式机的所有功能，甚至它的要求比一台台式机的要求还高，因为这里边有很多的模型计算算力的要求非常高，你想象一下这个事情的难度到底有多大。从个体的体验的角度，以及从技术的实现的角度，和人匹配的角度来讲，（AR）眼镜是最好的一个选择。我觉得是这样，刚才我们提到了AR眼镜的一些技术上的瓶颈，比如说硬件的小型化，然后后台的软件生态的问题，软件生态的问题，其实相对随着它应用场景增加，然后它的商业价值变大，软件生态会逐渐构建起来。而硬件这块，因为这些年比如通信技术的发展，那么我就可以让我的眼镜，把一部分功能移到移到后端去，比如说我的眼镜只负责获取信息，显示信息，把信息的处理和计算，我可以送到远程的超级计算机上去。送去云端。对，用远程的超级计算机来完成这个工作，那这样的话，就使得眼镜本身的负担降低了，它就可以小型化、轻量化，功耗也可以降下来。从这个角度来看，好像这个技术路线上边已经没有太显著的瓶颈。所以我觉得从它的可实现性的角度讲，现在看起来是有可能的。
因为AR（增强现实）技术在硬件和软件方面的局限，比如硬件的小型化和电池散热问题，软件系统的开发问题，目前它在应用上还处于早期的尝试阶段。但是在某些专业领域，AR（增强现实）技术已经发挥了很大的作用，从内容展示到内容互动，从娱乐应用到实际的生产生活，从单人体验到多人互动，随着智能穿戴设备的进一步普及，不远的将来AR（增强现实）技术将会像手机一样，逐渐融入我们的生活。那咱们国家目前在增强现实技术，也就是AR（增强现实）技术当中的研发状态是怎样的？这一点我们可以比较自豪地说，我们在增强现实领域的研发，其实现在至少是已经处于（与）国际并跑的一个局面，相比于以前的像互联网技术，以及移动互联网这两代的技术，实际上我们是处于一个跟跑的状态，但是移动的AR眼镜这样一个技术，在目前阶段我们应该可以算是一个领跑，或者说并跑的一个技术水平。我觉得我们还有一个很大的优势，就我们中国这个市场很大，它可以有很多的应用，像雨后春笋般地爆发出来，这个实际上就是我们这个土壤已经非常成熟了，然后加上我们的技术，我们的人才优势，这样的话我们迎头赶上，甚至在某一些领域超越国外的大公司的一些技术水平，我觉得这个是没有问题的。
现在手机已经成为我们生活当中不可缺少的一部分，甚至有人说这是人的器官的一个延伸。AR（增强现实）技术，尤其是集中在眼镜上的这个技术，在很大程度上它也已经具备了手机的很多功能，未来它有没有可能会替代手机，以至于替代我们生活中更多的这些电子产品呢？在我们看来在未来的五到十年，我们觉得这个可能性非常大。我们认为这个AR（增强现实）技术，实际上是下一代的计算平台技术，它可以有望取代我们现在的手机，我们的pad，甚至我们的笔记本（电脑）这样的一个技术。就AR（增强现实）的技术呢，虽然现在还有各种各样的问题，但是它在未来能够给我们技术上的突破带来了一些，能够给我们生活带来便利性的这个情景就会非常非常多，可能在未来还有一些更先进的手段。包括甚至像隐形眼镜，甚至像把我们的这个视频的信号，直接叠加到我们视网膜上面去。这样的话呢，我们就不需要这样的一些半反半透镜啊，手机啊，直接就可以看到一些虚拟的信息，就相当于是对现实增强的一些信息在我们的眼前。然后至于它会给我们带来什么？我觉得大家就想想，我们看的各种各样的科幻片里的场景，我们大致可以分这样三类场景。
比如生活，就像刚才程老师已经介绍过的走路，我跟我爱人想约在一个地方见面，然后我给她打电话，到第几个路口向左，第几个路口向右，一会就不知道把她指挥到哪去了。那有这样的技术呢，就可以直接用箭头指引的方式就完成了，这只是很小的一个例子。那么在生产当中呢，那么假如我有个流水线，一个熟练工人的工作效率比一个新来的工人的工作效率会高很多。但是如果有这样的技术，那么你可以想象一下，就是你要做的，你要把一颗螺丝拧在这儿，一颗螺丝拧在这，一个线头接到这，一个线头接到这，那么整个通过增强现实的方式，完全手把手的带着你走。这样的话，一个新手变成熟练工的，这个速度会快很多，这样就会使得生产效率显著提高，而且有这样的指引，差错率还会降低。那么，它就会对整个生产效率的提高带来非常显著的影响。还有我们作为科技工作者，比如说我们做科研，你可以想象一下，读文献的时候儿一边读着文献，然后它的整个的知识脉络不断地通过增强现实的方式呈现，那么你在读一篇文献的时候，就很容易形成整个有关这篇文献，有关这个信息的一个知识体系。
另外一个例子，比如说在医疗里面，我在动手术的时候开刀，我可以远程的，这个专家可以把要开刀的位置，和怎么开的位置给它标识出来。这样的话，真正的在动手术的这个大夫，他就知道，我应该在这个地方去下刀，避开哪个血管或者怎么着，这样的话就能够避免一些，以前这种通过语音来指导的一些误差。就这样的话，戴上这副眼镜人人都是大专家了。没错。虽然说增强现实技术，距离我们每个人的大范围的普及应用还有很长的一段路要走，但是我们今天也欣喜地看到这项技术已经是跑的越来越快，也期待未来有一天，增强现实技术能够服务更多的人。再次感谢二位专家，做客本期《透视新科技》，也感谢电视机前各位观众朋友收看，本期节目就到这里结束了，下期再见。
