【校報·京工人物】王涌天：增強現(xiàn)實技術(shù)：把夢想照進現(xiàn)實
發(fā)布日期：2009-01-15 閱讀次數(shù)：
——專訪本校信息科學技術(shù)學院博士生導師王涌天
〖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,、匠心獨運,；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，映襯出不遠處線法山莊嚴偉岸的身姿,?？v觀整個園區(qū),，綠樹成蔭，鳥語花香,。透過眼前小小的目鏡,，天朝大國的百年輝煌栩栩如生。
這不是夢想,，然而,，用“現(xiàn)實”來形容卻也不恰當。
“增強現(xiàn)實技術(shù),，是在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù),。在你看到的真實場景上，疊加上虛擬的,、由計算機生成的景象,。”北京理工大學光學工程學科和計算機應(yīng)用技術(shù)學科博士生導師王涌天用通俗的語言來解釋這項“亦真亦幻”的技術(shù),。
增強現(xiàn)實技術(shù),，把夢想照進現(xiàn)實。
“神秘儀器”進駐圓明園
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”景點之間，樹立起一架名為“數(shù)字圓明園現(xiàn)實增強系統(tǒng)I型”的機器,。幾個科研人員模樣的人,，“圍著機器鼓弄了半天”。
聽說“通過這架儀器,，你可以看到真實的場景———圓明園廢墟,，和我們實時疊加上去的當年未被破壞前的場景”，游人們的好奇心被激發(fā)起來,，很多人自發(fā)地排起長隊,，“想看看圓明園曾經(jīng)是什么樣子的?！?
可是，游客們不知道,，面前這位學者模樣的人,，正是教育部長江學者和創(chuàng)新團隊學術(shù)帶頭人、國際工程光學學會資深會員（SPIEFel－low）,、中國光學學會理事王涌天教授,。
王涌天教授長期在技術(shù)光學和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域從事教學和科研工作，主要研究方向包括成像和照明光學系統(tǒng)設(shè)計和CAD,，新型光學元件,，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù),、系統(tǒng)和應(yīng)用，醫(yī)學圖像處理與手術(shù)導航等方面,。
短短七天商業(yè)試營運期中,，“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行現(xiàn)實增強的,，景物距離大概在20米到30米左右?！蓖踅淌谡f,。
目前，西洋樓部分模擬得比較完善,?！拔餮髽遣糠质钱敃r的一些傳教士給設(shè)計的。他們留了一些銅版畫,，給出了當年建筑結(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鏡，但是這個不望遠,、不放大,，都是一比一比例進行疊加?！拔覀冏龅氖侨S模型,，并實時渲染?！?
圓明園商業(yè)試運行的成功,，被金國藩院士、汪成為院士主持的驗收專家組評為“產(chǎn)生了良好的愛國主義教育效果,，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益,，在文物保護、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。在定點雙目立體觀察系統(tǒng),、超輕型大視場頭盔顯示器,、增強現(xiàn)實在文物古跡數(shù)字重建中的實際應(yīng)用等方面達到國際領(lǐng)先水平”。
團隊合作研發(fā)屢創(chuàng)佳績其實，增強現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用并非首次,。同樣由北京理工大學光電技術(shù)與信息系統(tǒng)實驗室研發(fā)的“現(xiàn)實海底漫游系統(tǒng)”在廣東科技中心大顯身手,。游客面對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景,。
這是一支什么樣的團隊,？又是什么引領(lǐng)他們屢創(chuàng)佳績？
光電技術(shù)與信息系統(tǒng)實驗室隸屬于北京理工大學信息科學技術(shù)學院,。該實驗室長期從事復雜光電系統(tǒng)設(shè)計,、加工、檢測方面教學和科研工作,，并在此基礎(chǔ)上,，開展虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實、醫(yī)學圖像處理和手術(shù)導航等交叉學科的研究,，有關(guān)研究成果多次獲得國家和省部級獎勵,。近年來，在王涌天教授的帶領(lǐng)下,，實驗室研究成果豐碩,，經(jīng)費支持充足，隊伍團結(jié)向上,，發(fā)展日新月異,。
實驗室現(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,，與美國亞利桑那大學,、加州大學洛杉磯分校、中佛羅里達大學有關(guān)實驗室以及國內(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)導的支持下在該市建立了光電信息技術(shù)研究中心。目前,，實驗室在新型光電系統(tǒng),、自由曲面光學、三維顯示設(shè)備,、人機交互技術(shù)、醫(yī)學圖像處理,、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實系統(tǒng)及其應(yīng)用等領(lǐng)域承擔著多項國家863目標導向及探索導向項目,、國家自然科學基金儀器專項和面上項目,、973項目課題、國防預(yù)研項目,、國際合作項目,、省市科技計劃項目和橫向科研項目。
“圓明園因為是在曠野而不是室內(nèi),，所以很難對頭盔顯示方式實現(xiàn)六自由度實時定位,，因為GPS對我們這種應(yīng)用的定位精度不夠。但在室內(nèi)我們可以放一些標志點,，就可以實時地監(jiān)控,。我們需要在頭盔上安置攝像機，拍攝真實場景并傳送到計算機,，通過提取其中的標志點來計算使用者視線的方位,，據(jù)此對虛擬物體進行渲染并疊加在真實場景圖像的正確位置上，再實時地將這個虛實融合的場景傳送到頭盔上顯示,?！?
該實驗室還利用互動地面投影技術(shù)為《紀念中國工農(nóng)紅軍長征勝利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)碼投影機營造的“草地”上,，腳下就會泛出漣漪,，同時看到雷電交加的滂沱大雨；走在“雪地”上,，也會留下清晰的腳印,，眼前狂風席卷雪花撲面而來。和“數(shù)字圓明園”項目相似,，身臨其境的感受使觀眾能夠更加真切地體驗當年長征路上的艱苦卓絕,，被中央軍委首長譽為該展覽的一個“亮點”。支持多人多點實時交互的桌面投影設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于上海消防館,、上海電信館,、彭德懷紀念館、毛澤東遺物館等等,，并將在建設(shè)中的中國科學技術(shù)館新館發(fā)揮重要作用,。
用科技創(chuàng)新富國強民
近年來，王涌天教授及其團隊成員在國內(nèi)率先開展了對增強現(xiàn)實的研究,，突破了三維環(huán)境注冊定位算法,、透視式融合顯示、立體顯示圖形生成等增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù),，完成了國內(nèi)第一個實時增強現(xiàn)實試驗系統(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月被金國藩院士主持的鑒定專家組評為“在增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)和虛擬現(xiàn)實人機交互技術(shù)方面取得的研究成果處于國內(nèi)領(lǐng)先,、國際先進水平”。
而增強現(xiàn)實技術(shù)作為信息領(lǐng)域一個新興的多學科交叉研究方向,，具有虛實結(jié)合,、三維注冊、實時交互的特點,，在醫(yī)療手術(shù),、工業(yè)設(shè)計、市政規(guī)劃,、軍事仿真,、教育培訓、文化娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。
醫(yī)學是增強現(xiàn)實技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向,。故此實驗室開展了對醫(yī)學圖像特別是血管造影圖像的三維重建和增強現(xiàn)實手術(shù)導航技術(shù)的研究工作。研究了冠脈造影圖像的多尺度彈性配準,，并提出了一種基于模擬圖像的彈性配準客觀評價方法,，有效地解決了配準減影方法缺乏定量評估標準的難題。研究了冠脈造影圖像的智能化自動分割算法,，在保證精度的前提下減小了分割過程對人工干預(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,?！拔覀兝迷鰪姮F(xiàn)實技術(shù)為醫(yī)院做了一種叫做‘鼻腔鏡’的儀器。如果一個病人,，鼻子或腦垂體長了瘤子,，都不需要開顱，直接從鼻子先插進去一個鏡子,，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)驗和感覺,。估計手術(shù)刀的距離,。”
利用增強現(xiàn)實技術(shù),，醫(yī)生們在手術(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,，王涌天及其團隊還做了一個真實的三維顯示器,，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,。目前,，該儀器精度達到一毫米左右。
再如飛行模擬器和飛行員的模擬培訓,?！皺C艙非常地逼真，飛行員戴上頭盔后可以看見自己的腿,、手,、機艙，但是外面的機場,、跑道,、天空都是我們疊加上去的，可以保證飛行員在很真實的環(huán)境中進行飛行訓練,?！?
目前，該實驗室正在與中國人民解放軍總醫(yī)院以及有關(guān)醫(yī)療儀器公司合作,，深入研究內(nèi)窺鏡手術(shù)術(shù)中注冊定位技術(shù),、三維醫(yī)學圖像與內(nèi)鏡圖像融合顯示技術(shù)、真三維實時顯示技術(shù),，開發(fā)基于增強現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)鏡手術(shù)導航系統(tǒng),。
作為北京市政協(xié)委員、2006年教育部創(chuàng)新團隊帶頭人,，王涌天教授在“海淀創(chuàng)新人物”獎獲獎感言中這樣寫道：“在當今科技時代,，創(chuàng)新是富國強民的唯一途徑。我們希望用自己的最新科研成果,，為海淀區(qū),、北京和國家的發(fā)展服務(wù)?！?
PS：增強現(xiàn)實是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域,，綜合了計算機圖形,、光電成像、融合顯示,、多傳感器,、圖像處理、計算機視覺等多門學科,，是一種利用計算機產(chǎn)生的附加信息對真實世界的景象增強或擴張的技術(shù),。系統(tǒng)的使用者可以在看到周圍真實環(huán)境的同時看到計算機產(chǎn)生的增強信息，這種增強信息可以是在真實環(huán)境中與真實物體共存的虛擬物體,，也可以是關(guān)于存在的真實物體的非幾何信息,。
（ 校報學生記者 莊一多）
