【校報·京工人物】王涌天：增強現實技術：把夢想照進現實
發布日期：2009-01-15 閱讀次數：
——專訪本校信息科學技術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。縱觀整個園區，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“現實”來形容卻也不恰當。
“增強現實技術，是在虛擬現實的基礎上發展起來的新興技術。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用技術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。
增強現實技術，把夢想照進現實。
“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現，在“大水法”和“觀水法”景點之間，樹立起一架名為“數字圓明園現實增強系統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起來，很多人自發地排起長隊，“想看看圓明園曾經是什么樣子的。”
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新團隊學術帶頭人、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光學和虛擬現實領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設計和CAD，新型光學元件，虛擬現實和增強現實技術、系統和應用，醫學圖像處理與手術導航等方面。
短短七天商業試營運期中，“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實增強的，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。“西洋樓部分是當時的一些傳教士給設計的。他們留了一些銅版畫，給出了當年建筑結構的透視圖。我們就根據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。“我們做的是三維模型，并實時渲染。”
圓明園商業試運行的成功，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濟效益，在文物保護、教育科普、文化娛樂、旅游開發等領域具有十分廣闊的應用前景。在定點雙目立體觀察系統、超輕型大視場頭盔顯示器、增強現實在文物古跡數字重建中的實際應用等方面達到國際領先水平”。
團隊合作研發屢創佳績其實，增強現實技術在國內的應用并非首次。同樣由北京理工大學光電技術與信息系統實驗室研發的“現實海底漫游系統”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？又是什么引領他們屢創佳績？
光電技術與信息系統實驗室隸屬于北京理工大學信息科學技術學院。該實驗室長期從事復雜光電系統設計、加工、檢測方面教學和科研工作，并在此基礎上，開展虛擬現實和增強現實、醫學圖像處理和手術導航等交叉學科的研究，有關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下，實驗室研究成果豐碩，經費支持充足，隊伍團結向上，發展日新月異。
實驗室現有教授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實驗室以及國內許多著名研究單位、企業保持著密切的合作關系，并在廣東省中山市領導的支持下在該市建立了光電信息技術研究中心。目前，實驗室在新型光電系統、自由曲面光學、三維顯示設備、人機交互技術、醫學圖像處理、虛擬現實與增強現實系統及其應用等領域承擔著多項國家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，所以很難對頭盔顯示方式實現六自由度實時定位，因為GPS對我們這種應用的定位精度不夠。但在室內我們可以放一些標志點，就可以實時地監控。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為《紀念中國工農紅軍長征勝利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備已經應用于上海消防館、上海電信館、彭德懷紀念館、毛澤東遺物館等等，并將在建設中的中國科學技術館新館發揮重要作用。
用科技創新富國強民
近年來，王涌天教授及其團隊成員在國內率先開展了對增強現實的研究，突破了三維環境注冊定位算法、透視式融合顯示、立體顯示圖形生成等增強現實關鍵技術，完成了國內第一個實時增強現實試驗系統，目前正在積極研究其在軍事、文化、醫療等領域的應用。有關研究成果在2005年12月被金國藩院士主持的鑒定專家組評為“在增強現實關鍵技術和虛擬現實人機交互技術方面取得的研究成果處于國內領先、國際先進水平”。
而增強現實技術作為信息領域一個新興的多學科交叉研究方向，具有虛實結合、三維注冊、實時交互的特點，在醫療手術、工業設計、市政規劃、軍事仿真、教育培訓、文化娛樂等領域具有廣泛的應用前景。
醫學是增強現實技術的一個重要應用方向。故此實驗室開展了對醫學圖像特別是血管造影圖像的三維重建和增強現實手術導航技術的研究工作。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的依賴；研究了X射線血管造影系統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醫院合作開發的內窺鏡舉例。“我們利用增強現實技術為醫院做了一種叫做‘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，通過鏡子醫生就可以看到這些墻體的結構，在插進去旋轉的手術刀，去割掉息肉和瘤子，過去，醫生只能看到腔體里面的結構，看不到腔體后面的器官和血管等等，以往都是憑借經驗和感覺。估計手術刀的距離。”
利用增強現實技術，醫生們在手術之前可以先用CT、核磁共振等等掃描技術做成三位的圖像，提取出關鍵部位，疊加到病人的病區。為了方便醫務人員觀察，王涌天及其團隊還做了一個真實的三維顯示器，可以看到手術過程中手術刀的位置，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。“機艙非常地逼真，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院以及有關醫療儀器公司合作，深入研究內窺鏡手術術中注冊定位技術、三維醫學圖像與內鏡圖像融合顯示技術、真三維實時顯示技術，開發基于增強現實技術的內鏡手術導航系統。
作為北京市政協委員、2006年教育部創新團隊帶頭人，王涌天教授在“海淀創新人物”獎獲獎感言中這樣寫道：“在當今科技時代，創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、北京和國家的發展服務。”
PS：增強現實是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的新興研究領域，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生的附加信息對真實世界的景象增強或擴張的技術。系統的使用者可以在看到周圍真實環境的同時看到計算機產生的增強信息，這種增強信息可以是在真實環境中與真實物體共存的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息。
（ 校報學生記者 莊一多）
