【校報(bào)·京工人物】王涌天：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)：把夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

發(fā)布日期：2009-01-15 閱讀次數(shù)：

——專訪本校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生導(dǎo)師王涌天

〖第741期 重要新聞 · 京工人物〗

    漫步“圓明園”，驚嘆于西洋樓的別致精雅、匠心獨(dú)運(yùn)；從雍容雄偉的觀水法徑直望去，大水法中心處，是令人叫絕的群鹿嬉水的逼真景象，晶瑩剔透的水花，映襯出不遠(yuǎn)處線法山莊嚴(yán)偉岸的身姿。縱觀整個(gè)園區(qū)，綠樹成蔭，鳥語花香。透過眼前小小的目鏡，天朝大國(guó)的百年輝煌栩栩如生。
    這不是夢(mèng)想，然而，用“現(xiàn)實(shí)”來形容卻也不恰當(dāng)。
    “增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)。在你看到的真實(shí)場(chǎng)景上，疊加上虛擬的、由計(jì)算機(jī)生成的景象。”北京理工大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科博士生導(dǎo)師王涌天用通俗的語言來解釋這項(xiàng)“亦真亦幻”的技術(shù)。
    增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

　　“神秘儀器”進(jìn)駐圓明園

    2008年“十一”黃金周期間，在圓明園遺址附近游覽的游客意外地發(fā)現(xiàn)，在“大水法”和“觀水法”景點(diǎn)之間，樹立起一架名為“數(shù)字圓明園現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)I型”的機(jī)器。幾個(gè)科研人員模樣的人，“圍著機(jī)器鼓弄了半天”。
    聽說“通過這架儀器，你可以看到真實(shí)的場(chǎng)景———圓明園廢墟，和我們實(shí)時(shí)疊加上去的當(dāng)年未被破壞前的場(chǎng)景”，游人們的好奇心被激發(fā)起來，很多人自發(fā)地排起長(zhǎng)隊(duì)，“想看看圓明園曾經(jīng)是什么樣子的。”
    可是，游客們不知道，面前這位學(xué)者模樣的人，正是教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人、國(guó)際工程光學(xué)學(xué)會(huì)資深會(huì)員（SPIEFel－low）、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事王涌天教授。
    王涌天教授長(zhǎng)期在技術(shù)光學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域從事教學(xué)和科研工作，主要研究方向包括成像和照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和CAD，新型光學(xué)元件，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、系統(tǒng)和應(yīng)用，醫(yī)學(xué)圖像處理與手術(shù)導(dǎo)航等方面。
    短短七天商業(yè)試營(yíng)運(yùn)期中，“每天大概都有一兩百人去看，游客反響很好。模擬圖像是按照一比一的比例進(jìn)行現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的，景物距離大概在20米到30米左右。”王教授說。
    目前，西洋樓部分模擬得比較完善。“西洋樓部分是當(dāng)時(shí)的一些傳教士給設(shè)計(jì)的。他們留了一些銅版畫，給出了當(dāng)年建筑結(jié)構(gòu)的透視圖。我們就根據(jù)這些資料在電腦里繪制成三維圖片。”
    王教授介紹，這架“神秘儀器”類似于公園高處和電視塔上的科技望遠(yuǎn)鏡，但是這個(gè)不望遠(yuǎn)、不放大，都是一比一比例進(jìn)行疊加。“我們做的是三維模型，并實(shí)時(shí)渲染。”
    圓明園商業(yè)試運(yùn)行的成功，被金國(guó)藩院士、汪成為院士主持的驗(yàn)收專家組評(píng)為“產(chǎn)生了良好的愛國(guó)主義教育效果，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，在文物保護(hù)、教育科普、文化娛樂、旅游開發(fā)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在定點(diǎn)雙目立體觀察系統(tǒng)、超輕型大視場(chǎng)頭盔顯示器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在文物古跡數(shù)字重建中的實(shí)際應(yīng)用等方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。
    團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)屢創(chuàng)佳績(jī)其實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并非首次。同樣由北京理工大學(xué)光電技術(shù)與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“現(xiàn)實(shí)海底漫游系統(tǒng)”在廣東科技中心大顯身手。游客面對(duì)只有水草和珊瑚的魚缸，只要戴上特制的頭盔，就可以猶如置身水晶宮，與身邊的魚兒嬉戲玩耍，甚至可以模擬出人向魚類喂食的場(chǎng)景。
    這是一支什么樣的團(tuán)隊(duì)？又是什么引領(lǐng)他們屢創(chuàng)佳績(jī)？
    光電技術(shù)與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室隸屬于北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。該實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事復(fù)雜光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)方面教學(xué)和科研工作，并在此基礎(chǔ)上，開展虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)圖像處理和手術(shù)導(dǎo)航等交叉學(xué)科的研究，有關(guān)研究成果多次獲得國(guó)家和省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。近年來，在王涌天教授的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室研究成果豐碩，經(jīng)費(fèi)支持充足，隊(duì)伍團(tuán)結(jié)向上，發(fā)展日新月異。
    實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教授4人，副教授4人，講師2人，博士后5人，博士生和碩士生70余人，與美國(guó)亞利桑那大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校、中佛羅里達(dá)大學(xué)有關(guān)實(shí)驗(yàn)室以及國(guó)內(nèi)許多著名研究單位、企業(yè)保持著密切的合作關(guān)系，并在廣東省中山市領(lǐng)導(dǎo)的支持下在該市建立了光電信息技術(shù)研究中心。目前，實(shí)驗(yàn)室在新型光電系統(tǒng)、自由曲面光學(xué)、三維顯示設(shè)備、人機(jī)交互技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其應(yīng)用等領(lǐng)域承擔(dān)著多項(xiàng)國(guó)家863目標(biāo)導(dǎo)向及探索導(dǎo)向項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)和面上項(xiàng)目、973項(xiàng)目課題、國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目、省市科技計(jì)劃項(xiàng)目和橫向科研項(xiàng)目。
    “圓明園因?yàn)槭窃跁缫岸皇鞘覂?nèi)，所以很難對(duì)頭盔顯示方式實(shí)現(xiàn)六自由度實(shí)時(shí)定位，因?yàn)镚PS對(duì)我們這種應(yīng)用的定位精度不夠。但在室內(nèi)我們可以放一些標(biāo)志點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控。我們需要在頭盔上安置攝像機(jī)，拍攝真實(shí)場(chǎng)景并傳送到計(jì)算機(jī)，通過提取其中的標(biāo)志點(diǎn)來計(jì)算使用者視線的方位，據(jù)此對(duì)虛擬物體進(jìn)行渲染并疊加在真實(shí)場(chǎng)景圖像的正確位置上，再實(shí)時(shí)地將這個(gè)虛實(shí)融合的場(chǎng)景傳送到頭盔上顯示。”
    該實(shí)驗(yàn)室還利用互動(dòng)地面投影技術(shù)為《紀(jì)念中國(guó)工農(nóng)紅軍長(zhǎng)征勝利70周年》大型主題展覽完成了《雪山·草地》大型景觀，觀眾踩在用數(shù)碼投影機(jī)營(yíng)造的“草地”上，腳下就會(huì)泛出漣漪，同時(shí)看到雷電交加的滂沱大雨；走在“雪地”上，也會(huì)留下清晰的腳印，眼前狂風(fēng)席卷雪花撲面而來。和“數(shù)字圓明園”項(xiàng)目相似，身臨其境的感受使觀眾能夠更加真切地體驗(yàn)當(dāng)年長(zhǎng)征路上的艱苦卓絕，被中央軍委首長(zhǎng)譽(yù)為該展覽的一個(gè)“亮點(diǎn)”。支持多人多點(diǎn)實(shí)時(shí)交互的桌面投影設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于上海消防館、上海電信館、彭德懷紀(jì)念館、毛澤東遺物館等等，并將在建設(shè)中的中國(guó)科學(xué)技術(shù)館新館發(fā)揮重要作用。

用科技創(chuàng)新富國(guó)強(qiáng)民

    近年來，王涌天教授及其團(tuán)隊(duì)成員在國(guó)內(nèi)率先開展了對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究，突破了三維環(huán)境注冊(cè)定位算法、透視式融合顯示、立體顯示圖形生成等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，完成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)實(shí)時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)，目前正在積極研究其在軍事、文化、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。有關(guān)研究成果在2005年12月被金國(guó)藩院士主持的鑒定專家組評(píng)為“在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)方面取得的研究成果處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平”。
    而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為信息領(lǐng)域一個(gè)新興的多學(xué)科交叉研究方向，具有虛實(shí)結(jié)合、三維注冊(cè)、實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)，在醫(yī)療手術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、市政規(guī)劃、軍事仿真、教育培訓(xùn)、文化娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
    醫(yī)學(xué)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方向。故此實(shí)驗(yàn)室開展了對(duì)醫(yī)學(xué)圖像特別是血管造影圖像的三維重建和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的研究工作。研究了冠脈造影圖像的多尺度彈性配準(zhǔn)，并提出了一種基于模擬圖像的彈性配準(zhǔn)客觀評(píng)價(jià)方法，有效地解決了配準(zhǔn)減影方法缺乏定量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的難題。研究了冠脈造影圖像的智能化自動(dòng)分割算法，在保證精度的前提下減小了分割過程對(duì)人工干預(yù)的依賴；研究了X射線血管造影系統(tǒng)的畸變校正和成像幾何標(biāo)定，提出了一種魯棒的三維重建優(yōu)化算法，建立了血管截面的精確擬合模型，成功地由多視圖造影圖像重建出高精度冠脈三維模型。
    王教授用與301醫(yī)院合作開發(fā)的內(nèi)窺鏡舉例。“我們利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為醫(yī)院做了一種叫做‘鼻腔鏡’的儀器。如果一個(gè)病人，鼻子或腦垂體長(zhǎng)了瘤子，都不需要開顱，直接從鼻子先插進(jìn)去一個(gè)鏡子，通過鏡子醫(yī)生就可以看到這些墻體的結(jié)構(gòu)，在插進(jìn)去旋轉(zhuǎn)的手術(shù)刀，去割掉息肉和瘤子，過去，醫(yī)生只能看到腔體里面的結(jié)構(gòu)，看不到腔體后面的器官和血管等等，以往都是憑借經(jīng)驗(yàn)和感覺。估計(jì)手術(shù)刀的距離。”
    利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，醫(yī)生們?cè)谑中g(shù)之前可以先用CT、核磁共振等等掃描技術(shù)做成三位的圖像，提取出關(guān)鍵部位，疊加到病人的病區(qū)。為了方便醫(yī)務(wù)人員觀察，王涌天及其團(tuán)隊(duì)還做了一個(gè)真實(shí)的三維顯示器，可以看到手術(shù)過程中手術(shù)刀的位置，離那些器官到底有多遠(yuǎn)。目前，該儀器精度達(dá)到一毫米左右。
    再如飛行模擬器和飛行員的模擬培訓(xùn)。“機(jī)艙非常地逼真，飛行員戴上頭盔后可以看見自己的腿、手、機(jī)艙，但是外面的機(jī)場(chǎng)、跑道、天空都是我們疊加上去的，可以保證飛行員在很真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行飛行訓(xùn)練。”
    目前，該實(shí)驗(yàn)室正在與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院以及有關(guān)醫(yī)療儀器公司合作，深入研究?jī)?nèi)窺鏡手術(shù)術(shù)中注冊(cè)定位技術(shù)、三維醫(yī)學(xué)圖像與內(nèi)鏡圖像融合顯示技術(shù)、真三維實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，開發(fā)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)鏡手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
    作為北京市政協(xié)委員、2006年教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，王涌天教授在“海淀創(chuàng)新人物”獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)感言中這樣寫道：“在當(dāng)今科技時(shí)代，創(chuàng)新是富國(guó)強(qiáng)民的唯一途徑。我們希望用自己的最新科研成果，為海淀區(qū)、北京和國(guó)家的發(fā)展服務(wù)。”

  PS：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，綜合了計(jì)算機(jī)圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等多門學(xué)科，是一種利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的附加信息對(duì)真實(shí)世界的景象增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)。系統(tǒng)的使用者可以在看到周圍真實(shí)環(huán)境的同時(shí)看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息，這種增強(qiáng)信息可以是在真實(shí)環(huán)境中與真實(shí)物體共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實(shí)物體的非幾何信息。

（校報(bào)學(xué)生記者莊一多）