2016年，高盛發(fā)布了一份名為《AR與VR：下一個通用計算平臺競賽的解讀》的行業(yè)報告，報告認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)將成為繼計算機(jī)和智能手機(jī)之后的下一代計算平臺，現(xiàn)有電子市場很可能將被重塑。到2025年，AR和VR的軟硬件年銷售額將達(dá)到800億美元，如果解決了電池問題，年收入更可達(dá)到1820億美元。

報告發(fā)布之后，AR仿佛一夜之間進(jìn)入了公眾視野。實(shí)際上，AR技術(shù)并不是一個新興概念，早在20世紀(jì)60年代末，就有科學(xué)家進(jìn)行過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索。而且AR（Augemented Reality）這個詞的誕生還和航空有關(guān)，是由波音的工程師而創(chuàng)造。

波音使用AR技術(shù)提高裝配線束的效率

1990年，波音啟動了777飛機(jī)的研制工作。由于777采用了全新的航電、飛控、起落架等設(shè)計，需要在飛機(jī)上安裝大量的航空線束。這些線束對于飛機(jī)來說，好比人體上的神經(jīng)系統(tǒng)和能量傳遞系統(tǒng)，不僅提供傳統(tǒng)的配電功能，還是各類系統(tǒng)的信息傳輸保證。線束的安裝位置必須準(zhǔn)確快速，一方面要保證各類線束之間彼此不產(chǎn)生干擾，另一方面也要避免被外界的信號干擾或者干擾外界的信號。

飛機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的航空線束

為了安裝這些復(fù)雜的線束，生產(chǎn)人員必須在看安裝指導(dǎo)書的同時進(jìn)行手動繞線裝配工作。這種方式不僅工作效率較低，而且安裝的準(zhǔn)確性也很難保證。

為了解決上述問題，1990年波音的兩位工程師Thomas Caudell和David Mizell，提出使用一種抬頭透視裝置。它依據(jù)頭部攝像頭采集的場景生成數(shù)字CAD圖，自動從完整的安裝指導(dǎo)書提取匹配當(dāng)前場景的部分，生成當(dāng)前操作的安裝指導(dǎo)虛擬圖像，疊加到真實(shí)視野場景里。這樣工人便可以按照透視的虛擬線路指導(dǎo)，進(jìn)行各類布線安裝。通過這個裝置，輕而易舉地提高了安裝線束的效率同時減少安裝線束的錯誤。由此他們創(chuàng)造了“Augmented Reality”這個英文詞組，來描述在真實(shí)場景下依據(jù)用戶看到的物體，自動疊加虛擬內(nèi)容的技術(shù)。

波音公司最早進(jìn)行AR技術(shù)的嘗試

所以要實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)，有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要突破，分別是智能識別技術(shù)和跟蹤注冊技術(shù)。前者解決在哪里疊加虛擬物體，后者解決以何種姿態(tài)去疊加。由于配套上下游產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，顯示和跟蹤注冊等技術(shù)還不完善，最終這個設(shè)想離實(shí)用還有一段距離。

工人按照谷歌眼鏡的提示進(jìn)行布線

20多年過去后，布線方法依然沒有太大改變。唯一的改變就是，1990年安裝工人需要查閱的是紙質(zhì)版手冊，而現(xiàn)在是查閱平板電腦上的PDF版本。但波音并沒有停止在航空線束裝配中應(yīng)用AR技術(shù)的步伐，谷歌眼鏡的誕生為AR技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

谷歌眼鏡是谷歌公司2012年推出的一款A(yù)R眼鏡。谷歌眼鏡在鏡片的右上方配備了一個頭戴式微型顯示器，可以在顯示器上投射需要的信息，其效果與在2.4m外的25in(635mm)高清屏幕顯示效果類似。谷歌眼鏡只提供了基礎(chǔ)的硬件平臺，波音為此找到應(yīng)用軟件開發(fā)商Skylight，共同開發(fā)滿足線束裝配的AR應(yīng)用軟件。在試驗(yàn)時，一名工人首先領(lǐng)取谷歌眼鏡，通過掃描一個二維碼完成設(shè)備認(rèn)證；完成認(rèn)證后，系統(tǒng)給谷歌眼鏡自動推送一個線束裝配應(yīng)用；然后這名工人走向裝配現(xiàn)場，再次利用眼鏡上的攝像頭掃描在裝配現(xiàn)場某個部件上的二維碼，該部件線束的裝配指導(dǎo)就自動地在眼鏡上顯示出來；工人便按照指導(dǎo)一步步地進(jìn)行線束的裝配。

Skylight還基于谷歌眼鏡開發(fā)了遠(yuǎn)程專家協(xié)助功能。當(dāng)工人遇到無法獨(dú)立解決的問題時，利用谷歌眼鏡，把拍到的現(xiàn)場視頻實(shí)時傳給其他地方的專家進(jìn)行求助。由于AR眼鏡的攝像頭處于人眼附近，專家看到的畫面和現(xiàn)場工人看到的基本一致，遠(yuǎn)程指導(dǎo)更加有效。

那么這個項(xiàng)目取得了什么效果？波音工程師DeStories表示，AR眼鏡幫助安裝工人節(jié)省了至少25%的裝配時間，并顯著降低了錯誤率。

波音為了分析AR技術(shù)對于減少裝配錯誤的影響，在2015年專門啟動了對照試驗(yàn)。該試驗(yàn)選擇了一個有50個步驟的裝配任務(wù)，定量采集AR技術(shù)對于減少錯誤和提高效率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。波音將45名學(xué)生分成了三組，一組使用紙質(zhì)版的操作手冊，第二組通過平板電腦讀取PDF格式的手冊，最后一組使用具有AR功能的觸屏式平板電腦。結(jié)果顯示，使用紙質(zhì)手冊的學(xué)生在第一次裝配時發(fā)生了8次錯誤，第二次又發(fā)生了4次。PDF組第一次和第二次都發(fā)生了1次錯誤。然而，AR組第一次發(fā)生了0.5次錯誤，第二次沒有發(fā)生。通過這個試驗(yàn)，波音堅信AR技術(shù)可以幫助公司減少培訓(xùn)時間，加快制造速度，降低工人在不同任務(wù)中的切換難度。

然而基于谷歌眼鏡研發(fā)的APP要真正走向?qū)嵱茫€面臨一個很大的障礙：信息安全。在試驗(yàn)項(xiàng)目中，所有設(shè)備都在封閉的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行，而實(shí)際的裝配環(huán)境卻是依賴網(wǎng)絡(luò)才能展開。如果網(wǎng)絡(luò)被黑客攻破，把錯誤的裝配指導(dǎo)發(fā)給了現(xiàn)場工人，后果將不堪設(shè)想。DeStories表示，信息安全問題必須得到非常嚴(yán)格的保障后，才能考慮在生產(chǎn)過程中使用基于網(wǎng)絡(luò)連接的AR眼鏡。

在國外有谷歌在嘗試，在國內(nèi)有深圳的0glass在嘗試，0glass AR智能眼鏡在飛機(jī)發(fā)動機(jī)維修中已經(jīng)落地應(yīng)用。0glass將人工智能技術(shù)、AR智能眼鏡與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合而設(shè)計的0glass AR智能眼鏡全終端工作輔助和培訓(xùn)系統(tǒng)（PSS）在工作、管理、培訓(xùn)、和知識積累這幾方面展示出智能化維修的優(yōu)勢。

PSS不僅是一套AR智能眼鏡工作輔助的數(shù)字化工具和系統(tǒng)平臺，它核心的價值是“以人為中心”的企業(yè)大數(shù)據(jù)輸出、采集、沉淀、過濾、分析的智能引擎，使用越多，數(shù)據(jù)積累越多，最終成為企業(yè)生產(chǎn)、管理決策的大腦之一。

PSS同時也是機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的典型案例，它對“以人為中心”產(chǎn)生的人機(jī)、設(shè)備、環(huán)境等大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，可以實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、提升工作效率、預(yù)防事故發(fā)生、改善客戶體驗(yàn)、對工人進(jìn)行精確的個性化培訓(xùn)、知識沉淀等。

空客的AR應(yīng)用嘗試成果喜人

空客公司對于AR技術(shù)的應(yīng)用比波音要晚?？湛驮鴮R技術(shù)應(yīng)用于水管安裝、艙內(nèi)連接器和客艙開發(fā)過程中。其中，在客艙開發(fā)時，空客使用AR技術(shù)在通用的設(shè)計樣機(jī)/銷售樣機(jī)上疊加虛擬設(shè)計概念或用戶配置，能夠迅速讓設(shè)計人員和用戶體驗(yàn)到最終效果，減少剛性原型制作的昂貴成本?？湛吐?lián)合戴姆勒公司，利用索尼智能眼鏡開發(fā)的AR系統(tǒng)、計算流體力學(xué)（CFD）軟件和溫度傳感器等數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)座椅空間氣流、溫度的可視化，助力設(shè)計人員進(jìn)行客艙開發(fā)?？湛屯瑫r在不同機(jī)型的制造裝配中，開展了使用增強(qiáng)技術(shù)輔助裝配、質(zhì)量控制等一系列的試驗(yàn)性項(xiàng)目。

2015年上半年，空客在A330的最終裝配階段，引入了AR技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)座椅及其他客艙裝修的精確位置標(biāo)定，并首次利用了頭盔式眼鏡實(shí)現(xiàn)AR的功能。

頭盔式眼鏡配備了一個攝像頭，在掃描二維碼后，設(shè)備會顯示不同客戶需求的艙內(nèi)安裝計劃、信息和標(biāo)定區(qū)域。原來必須有經(jīng)驗(yàn)的工人來解碼復(fù)雜的設(shè)計圖、準(zhǔn)備標(biāo)定模板，并需要長時間保持專注。有了此AR頭戴式設(shè)備，重塑了空客的標(biāo)定操作模式，還能提供常見的手勢交互和英文語音交互功能。

空客工人利用AR眼鏡在進(jìn)行客艙裝修的位置標(biāo)定

為了獲得更加全面的測試效果，空客在5架A330飛機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果非常喜人，即便毫無裝配經(jīng)驗(yàn)的人，位置標(biāo)定所需要的時間也僅需要之前的1/6，錯誤率更是降為0。

與此同時，空客在A380、A350XWB和A400M開展了類似的AR試驗(yàn)項(xiàng)目?？湛驮趶?fù)合材料機(jī)艙內(nèi)安裝6～8萬個托架，用來支撐大量液壓管和線束，并使用帶有AR功能的平板電腦，訪問飛機(jī)3D模型并將操作和安裝結(jié)果與原始數(shù)字設(shè)計進(jìn)行對比，以檢查是否有缺失、錯誤定位或托架損壞。在檢查完成后，自動生成報告，包括任何不合格零件的細(xì)節(jié)，都能夠很快得到替換或修理。利用該AR系統(tǒng)，A380機(jī)身上8萬個托架的檢查時間從3周縮減到了3天。

其他制造商在嘗試應(yīng)用AR技術(shù)

作為美國軍用飛機(jī)最大的制造商，洛克希德-馬丁同樣嘗試了將AR技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)制造過程中。其中采用愛普生Moverio BT-200 智能眼鏡的AR平臺加速了F-22和F-35的制造過程，AR平臺實(shí)時提供視覺幫助，方便地讓生產(chǎn)人員了解零件的編號和計劃，確保每個部分都能正確、快速的裝配。比如，當(dāng)工程師戴著AR眼鏡進(jìn)行起落架的部件安裝時，只需要通過眼鏡看著起落架的輪子，就可以跟隨安裝手冊的一步步指導(dǎo)，包括每根線纜和每個螺栓以及它們需要安裝的位置和編號等信息，完成安裝。

在這個平臺的幫助下，工程師們的裝配速度能夠提高30%，準(zhǔn)確率達(dá)到96%。除此之外，通過應(yīng)用AR技術(shù)，把安裝指導(dǎo)手冊和質(zhì)量要求在工人的眼鏡上按需顯示，也大量縮短工人的培訓(xùn)時間。

洛馬的戰(zhàn)斗機(jī)裝配車間

洛馬公司在維修領(lǐng)域也使用了平板AR技術(shù)，維修人員能夠提前了解待修飛機(jī)的3D模型。通過這種方式能夠?qū)⒕S修時間從幾天減少到幾個小時。

除了以上飛機(jī)制造商之外，飛機(jī)維修維護(hù)企業(yè)漢莎技術(shù)和法荷航技術(shù)同樣也有AR技術(shù)的應(yīng)用探索。漢莎技術(shù)使用了基于激光投影的AR技術(shù)，協(xié)助機(jī)務(wù)實(shí)施頭等艙艙內(nèi)設(shè)施的安裝。這個移動投影系統(tǒng)可以和每個安裝場景適配，在飛機(jī)機(jī)體內(nèi)可以靈活的固定和配準(zhǔn)。所需要的安裝模板直接被投影到飛機(jī)結(jié)構(gòu)正確的位置上去，這個模板能為機(jī)務(wù)在正式安裝時提供有力協(xié)助。據(jù)稱，這種工作方式可減少50%的工作時間。而法荷航技術(shù)正考慮為法荷航提供具有AR功能的登機(jī)牌。

時機(jī)成熟了嗎？

雖然分析了如此多應(yīng)用AR的案例，但是要么是基于平板電腦的AR應(yīng)用，要么是停留在試驗(yàn)階段，并未在航空工業(yè)生產(chǎn)或者維修過程中，真正大面積實(shí)際應(yīng)用基于眼鏡的AR技術(shù)。

跟蹤和注冊技術(shù)

跟蹤和注冊是AR的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的基礎(chǔ)技術(shù)。跟蹤指的是確定某物體在物理世界中的位置和朝向，物體可以是待疊加虛擬圖像的真實(shí)物體，也可以是指用戶身體的某部分，如頭部或者手部。注冊是在跟蹤的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)虛擬物體和真實(shí)物體的對準(zhǔn)，從而完成虛實(shí)融合的目標(biāo)。

為了符合AR眼鏡的使用要求，跟蹤技術(shù)必須滿足移動性、輕便性和厘米級精度。因此，基于硬件的跟蹤技術(shù)，比如北斗/GPS、機(jī)械式跟蹤器、電磁式跟蹤器、超聲波跟蹤器、慣性跟蹤器以及光學(xué)跟蹤等，均無法滿足上述要求?；谝曈X的跟蹤技術(shù)，提供了一種非接觸式的、精確的、低成本的解決方法，在AR眼鏡領(lǐng)域的實(shí)用性日益增強(qiáng)。尤其是隨著處理芯片計算能力的增強(qiáng)、3D傳感器成本和尺寸的大幅下降，即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）方法現(xiàn)在已經(jīng)成了AR眼鏡上跟蹤技術(shù)的主流。SLAM技術(shù)通常使用深度傳感器（ToF等）和雙目視覺傳感器采集到的3D數(shù)據(jù)，結(jié)合慣性傳感器數(shù)據(jù)，不需要預(yù)存場景信息，在運(yùn)行階段完成場景的構(gòu)建以及跟蹤。這個技術(shù)滿足了移動性、輕便性和厘米級精度的需求，已經(jīng)在諸如微軟Hololens等產(chǎn)品中得到了應(yīng)用。

注冊的主要誤差來自兩個方面，第一個也是最主要的來源是跟蹤誤差，第二個來自于顯示變形。跟蹤誤差改善的途徑有兩條，一是采用更多的傳感器和更好的算法，比如使用SLAM等方法來減少跟蹤誤差；另一條是考慮渲染和跟蹤誤差，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合優(yōu)化，減少注冊誤差。因此，伴隨著SLAM等技術(shù)的成熟和產(chǎn)品化，AR技術(shù)的跟蹤和注冊問題基本得到了解決。

顯示技術(shù)

AR眼鏡的顯示包括了圖像源和光學(xué)系統(tǒng)兩個部分。圖像源目前有LCoS（微軟Hololens和索尼采用）、mini-OLED（蘋果可能采用）和DLP（Oculus采用）等。顯示技術(shù)現(xiàn)今的焦點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)部分，按照成熟度由高到低，分別是ODG反射式方案、光波導(dǎo)方案以及光場技術(shù)。

ODG反射式方案是一種改進(jìn)型的棱鏡方案，采用了單片半反半透鏡的技術(shù)。該方案把棱鏡的其他部分去掉，只留下半反半透的膜層。通過這種方式可以輕松實(shí)現(xiàn)夾著膜層的玻璃片的輕薄化。這種方案的特點(diǎn)是成本低、技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是鏡片尺寸和占用空間比其他兩種方案略大。光波導(dǎo)方案利用了光的衍射原理實(shí)現(xiàn)圖像投射。以Hololens為例，它使用了全息衍射波導(dǎo)光柵，這個顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是鏡片可以做到和普通鏡片差不多厚度，缺點(diǎn)是現(xiàn)階段視場較小，成本較高。MagicLeap公司曾將光場技術(shù)推向?qū)嵱没ㄟ^改變纖維在三維空間中的形狀，特別是改變纖維端口處的切線方向來控制激光射出的方向。光場技術(shù)的發(fā)展?jié)撃芎艽?，能夠解決目前VR/AR領(lǐng)域面臨的諸如FOV較窄和圖像質(zhì)量差等諸多技術(shù)難題。然而，光場技術(shù)的缺點(diǎn)也是顯而易見的，計算量大，極難在眼鏡上實(shí)現(xiàn)，同時要以數(shù)據(jù)同步的方式實(shí)時調(diào)整光纖維的顫動方式，從而自然改變光的輸出方向，也非常難實(shí)現(xiàn)。

ODG反射方案和光波導(dǎo)方案現(xiàn)在均有了商用產(chǎn)品，而光場技術(shù)現(xiàn)在還停留在概念階段，產(chǎn)品的推出尚沒有準(zhǔn)確時間。

從AR眼鏡在航空工業(yè)中的應(yīng)用可能性來看，ODG反射式方案盡管體積較大，但對于工業(yè)級用戶來說，可以接受?，F(xiàn)階段AR眼鏡的顯示技術(shù)也滿足了大部分場景下的使用要求，但在航空領(lǐng)域的一些特殊工作場景，如室外機(jī)坪、大空間的機(jī)庫和車間等，仍有難度。

復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

目前各大公司開發(fā)的AR眼鏡和技術(shù)，目標(biāo)的工作場景集中在小空間的室內(nèi)環(huán)境，而航空工業(yè)的環(huán)境還包括室外機(jī)坪以及尺度達(dá)到幾百米的大空間機(jī)庫或者車間。

室外的工作場景，除了對電子設(shè)備提出了三防、高低溫等需求之外，對于AR的核心技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)。比如室外工作場景的光照條件是復(fù)雜多變的，會帶來逆光、反光、光照不足、陰陽光照等問題，從而對于物體識別和SLAM技術(shù)帶來實(shí)現(xiàn)的困難。此外，室外條件下太陽光的紅外分量對于光傳感器的干擾，也需要攻克。

大空間也會對SLAM的工作距離提出挑戰(zhàn)，現(xiàn)在的深度傳感器最大的工作距離一般不超過150m，小于機(jī)庫或者車間的尺寸。另外，在機(jī)坪、機(jī)庫或者車間里，由發(fā)動機(jī)等設(shè)備發(fā)出的巨大噪聲，也給語音交互造成技術(shù)障礙。

因此，在復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性方面，現(xiàn)有的AR技術(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步可行性論證和評估。

實(shí)現(xiàn)AR在航空工業(yè)的突破

待技術(shù)完全成熟有了產(chǎn)品，再去推廣往往并不一定能成功。所以先以應(yīng)用需求為牽引，在現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)AR技術(shù)系統(tǒng)。只要能實(shí)現(xiàn)市場痛點(diǎn)的“單點(diǎn)突破”，就有機(jī)會推動應(yīng)用的進(jìn)一步縱向深入和橫向擴(kuò)展，同時也能促進(jìn)技術(shù)的逐步成熟。

尚未解決的核心技術(shù)必須高度重視。雖然現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)光場技術(shù)還有很多困難，但是隨著微軟以及MagicLeap公司在該領(lǐng)域的深入，相信在不久的將來，該技術(shù)就有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。由于光場技術(shù)對于人眼來說是最自然舒服的顯示方式，一旦其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，勢必會成為各大AR廠商首選的顯示方案。

復(fù)雜環(huán)境下的智能識別和環(huán)境建模也是下一步要攻克的難題。復(fù)雜的光照條件，對于基于視覺的識別和SLAM技術(shù)是一個難題。一旦得到解決，AR在航空工業(yè)的需求前景將十分廣闊。

隨著芯片計算能力的提高、各種新型傳感器小型化和低成本化、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，AR技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用前景將十分廣闊。