增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及其在地下傳輸管網(wǎng)上的應(yīng)用

王 珂

（中國石化集團(tuán)管道儲運(yùn)有限公司 信息化管理處，江蘇 徐州 221008）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及其在地下傳輸管網(wǎng)上的應(yīng)用

王 珂

（中國石化集團(tuán)管道儲運(yùn)有限公司 信息化管理處，江蘇 徐州 221008）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR技術(shù)）是一項(xiàng)擁有數(shù)十年發(fā)展歷史的技術(shù)，擁有巨大的潛能，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)延伸到日常生活的各個領(lǐng)域，在文化、商貿(mào)、娛樂等領(lǐng)域出現(xiàn)了多項(xiàng)成熟的應(yīng)用成果。本文將AR技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，針對地下傳輸管網(wǎng)提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的地下管網(wǎng)增強(qiáng)真實(shí)感方法，提升了傳輸管網(wǎng)三維模型的可辨識性。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；GIS技術(shù)；三維模型；地下傳輸管網(wǎng)

0　引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR），也被稱為混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它通過計算機(jī)程序，將虛擬信息擴(kuò)展到真實(shí)的世界中，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的信息實(shí)時地疊加，在同一個畫面或空間同時存在。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供超過人類感知的信息，在展現(xiàn)了真實(shí)世界信息的同時還可以將虛擬的信息同步顯示，兩種信息相互補(bǔ)充、相互疊加，用戶穿戴可視化裝備，就可以看到真實(shí)世界與電腦圖像結(jié)合在一起，在熟悉的世界中“看到”更多的信息和提示。借助計算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬物體，并通過傳感技術(shù)將虛擬物體“投射”在真實(shí)環(huán)境中，將虛擬物體與真實(shí)環(huán)境融為一體，讓用戶能看到甚至接觸到新的環(huán)境事物。因此可以看出，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)具有虛實(shí)結(jié)合、三維顯示、實(shí)時互動的新特點(diǎn)。

1　AR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)源于20世紀(jì)60年代、90年代迅速發(fā)展，有名的研究機(jī)構(gòu)主要集中在美國、日本、德國和新加坡等發(fā)達(dá)國家的著名大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室，其研究側(cè)重多在人機(jī)交互和軟硬件平臺的研發(fā)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究逐步從理論轉(zhuǎn)入應(yīng)用階段，相關(guān)應(yīng)用早期可以追溯到1960年戰(zhàn)斗機(jī)飛行員不用低頭可以在玻璃上看到數(shù)據(jù)，戴上特殊頭盔后飛行員還可以看到疊加在視野上的飛行路徑和文字提示，從而大大降低了飛行難度。隨著微軟、谷歌、Facebook、SONY等科技巨頭紛紛進(jìn)入AR產(chǎn)業(yè)，很多公司已經(jīng)能夠提供成熟PC端或移動端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案，不僅加快了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用程序的研究進(jìn)程，也拓展了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用領(lǐng)域。

1.1AR技術(shù)在日常領(lǐng)域的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)延伸到日常生活的各個領(lǐng)域，因?yàn)樗梢宰層脩粼诳吹教摂M物體的同時，仍能看到真實(shí)的場景，在醫(yī)療、商貿(mào)、教育、娛樂與文化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，受到研究者越來越多的關(guān)注。

在醫(yī)療領(lǐng)域，影像技術(shù)在現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)被普遍采用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也隨之成為輔助治療的重要影像技術(shù)之一，它利用傳感器或者CT影像對病人的手術(shù)部位收集實(shí)時數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)三維模型，整合后投射到患者的醫(yī)療影像中，使醫(yī)生具有“透視功能”，從而可以更加清晰直觀地了解患者病灶的狀況，精確導(dǎo)航需手術(shù)的位置。它建立患者體內(nèi)病灶部位的全息數(shù)據(jù)模型，讓醫(yī)生不受光線和器官阻礙，直觀地看到病人體內(nèi)情況，從而引導(dǎo)醫(yī)生針對實(shí)際情況制訂出最合適的手術(shù)方案。圖1為德國醫(yī)生通過帶有醫(yī)療平板電腦的攝像頭，將病人骨骼和內(nèi)臟的三位模型疊加在病人身體上。

圖1　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手術(shù)中的應(yīng)用

在產(chǎn)品零售業(yè)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)衍生出了一種“虛擬試穿”技術(shù)。在“虛擬試穿”中，顧客只要選好衣服的樣式，無需煩瑣的穿脫步驟，只要對著穿衣鏡，一件與顧客所選衣服同樣款式的三維模型就被“穿”到了顧客的身上。同時這件被虛擬出來的衣物并不是老式二維平面圖像，而是可以從各種角度觀察的，“虛擬試穿”技術(shù)的應(yīng)用不但省去了顧客頻繁換衣的煩惱，也降低了商家成本損耗。

2016年，一家連續(xù)虧損的日本娛樂公司任天堂推出了一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手機(jī)游戲“Pokemon GO”，上市不過兩個星期就引發(fā)了一種全球現(xiàn)象：去抓精靈。這款游戲的成功就在于把虛擬角色與人們生活的現(xiàn)實(shí)環(huán)境成功地融合在了一起。為了抓到心儀的精靈，有人一直在街上徘徊到凌晨四點(diǎn)被警察送回家才罷休，甚至有新聞稱有人因玩“Pokemon GO”不注意而墜橋身亡，美國華盛頓州政府不得不在twitter上發(fā)布了聲明，希望人們在玩“Pokemon GO”要注意安全，特別是開車的時候千萬不要玩。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的另一項(xiàng)成功應(yīng)用就是車載導(dǎo)航系統(tǒng)，這項(xiàng)系統(tǒng)有很多種開發(fā)界面，2014年馬自達(dá)率先使用這種內(nèi)置界面，一些高級轎車也有這個功能。它能夠?qū)⑹謾C(jī)上的信息投射到玻璃屏幕上，能夠通過通信接口獲取汽車數(shù)據(jù)，并且能夠通過語音、手勢控制。一旦和手機(jī)連線，它就能夠運(yùn)行手機(jī)上的App，如Spotify、Google地圖等。跟一般的車載電腦顯示系統(tǒng)不同，用戶不需要低頭查看信息或者地圖，只要視線正常注意前方就能夠看到所有信息。

1.2AR技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

從20世紀(jì)90年代開始，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）因其直觀的信息表現(xiàn)方式和近乎無限的可擴(kuò)展性引起了地學(xué)領(lǐng)域研究學(xué)者的普遍關(guān)注。其中一個主要的研究方向是利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使地理、環(huán)境數(shù)據(jù)達(dá)到交互操作、動態(tài)顯示和增強(qiáng)真實(shí)感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）在可視化方面的先進(jìn)之處還體現(xiàn)在對三維大數(shù)據(jù)的處理，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)在流行的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）有所不同，后者主要是在軟件生成的虛擬環(huán)境中建立三維數(shù)據(jù)模型，而前者需要采集足夠的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，把軟件生成的模型“添加”到真實(shí)環(huán)境中，對設(shè)備和技術(shù)的要求更加嚴(yán)格。隨著人們對平面地圖和沙盤類模型功能的不滿足，對數(shù)據(jù)和模型用全息三維顯示的需求越來越迫切，急需開發(fā)出新的GIS信息顯示方式。GIS是地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）的簡稱，它是在計算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

AR技術(shù)與GIS系統(tǒng)結(jié)合是近幾年才開始的，簡稱ARGIS，ARGIS的特點(diǎn)就在于將傳統(tǒng)的靜態(tài)的人機(jī)交互轉(zhuǎn)變?yōu)閼敉獾膭討B(tài)的交互，用AR建立的虛擬世界與客觀真實(shí)世界合二為一。國內(nèi)已經(jīng)有一些學(xué)者做了大量的工作，孫敏提出了ARGIS的概念：ARGIS是對客觀地理世界進(jìn)行數(shù)字化描述、存貯、管理，將這種描述與真實(shí)世界融為一體，給出指定對象的空間信息、提供戶外信息交互的一類地理信息系統(tǒng)的統(tǒng)稱。杜清運(yùn)提出ARGIS的意義在于將移動計算與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的空間信息中，改變了傳統(tǒng)的基于位置的處理機(jī)制，使人和真實(shí)世界與數(shù)字世界通過網(wǎng)絡(luò)傳輸無縫地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)超越時間和空間局限性的互動，從而改變數(shù)字世界與真實(shí)世界的交互模式。

對ARGIS的研究主要是利用AR技術(shù)的虛擬模型與真實(shí)環(huán)境無縫融合，在GIS中生成全新的增強(qiáng)三維GIS可視化系統(tǒng)，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在真實(shí)環(huán)境中的三維建模問題，即三維虛擬模型與真實(shí)對象（例如影像、視頻）的融合顯示，AR技術(shù)的成熟不但改變了GIS可視化方式，還改變了GIS的使用環(huán)境，使GIS得以從室內(nèi)的伺服器、工作站加顯示裝置的工作方式轉(zhuǎn)移到了戶外移動式可視化終端。GIS的研究者開始重視計算機(jī)圖形學(xué)的理論并引入相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)GIS的可視化。目前國內(nèi)的2DGIS可視化技術(shù)應(yīng)用比較成功，而于3DGIS可視化的研究，主要集中在地形表面的重構(gòu)、房屋建筑幾何模型建立等方面。

2　利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建地下管網(wǎng)模型

地下傳輸管道是石油、天然氣等能源傳輸組成部分，也是建立三維數(shù)字管道的一個重要內(nèi)容。地下傳輸管道是由縱橫交錯站內(nèi)工藝管網(wǎng)、站外輸送管線機(jī)通信線路組成的錯綜復(fù)雜的空間體系，所以傳統(tǒng)的基于2維或2.5維的GIS難以直觀地表現(xiàn)各個管線的相互關(guān)系。建立三維管網(wǎng)可視化模型，其復(fù)雜的建模需求不但花費(fèi)巨大，而且數(shù)據(jù)更新緩慢，傳統(tǒng)的平面視圖系統(tǒng)難以勝任。實(shí)際上，大家在施工中關(guān)注的往往是管線的走向、管線與管線之間的交匯及管道本身的屬性，為了減輕建模難度，只將關(guān)注度較高可視化模型投放到所在的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，就可以省去相對較為復(fù)雜的環(huán)境建模，節(jié)省大量人力、物力、財力。

AR可視化系統(tǒng)：GIS數(shù)據(jù)庫中的地理數(shù)據(jù)變化模型決定數(shù)據(jù)變化的狀態(tài)和趨勢，而配準(zhǔn)模型根據(jù)數(shù)據(jù)變化將觀察點(diǎn)處實(shí)地攝制的圖像、視頻與地理坐標(biāo)進(jìn)行計算對應(yīng)，最后利用AR可視化技術(shù)的系統(tǒng)和設(shè)備，將地理數(shù)據(jù)的變化狀態(tài)和趨勢在視頻影像中正確的位置表達(dá)出來。

戶外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)一般分為兩類：一是基于計算機(jī)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，二是利用傳感器生成實(shí)現(xiàn)。基于計算機(jī)方法可以減輕戶外用戶負(fù)重，但受周邊環(huán)境限制比較大，負(fù)責(zé)計算的設(shè)備不便攜帶且復(fù)雜的計算需要耗費(fèi)大量的時間，但是可以利用現(xiàn)有計算機(jī)設(shè)備，不需要增加太多的預(yù)算?；趥鞲衅鞯脑鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用了位置傳感器和測角傳感器。當(dāng)用戶在戶外移動時，使用GPS接收裝置接收三維坐標(biāo)，用戶視線所及的方位參數(shù)由傳感器獲得并實(shí)時傳入系統(tǒng)中，并以此為參數(shù)建立管網(wǎng)的基礎(chǔ)三維虛擬模型，然后系統(tǒng)將三維虛擬模型的圖像疊加到攝像機(jī)傳來的真實(shí)環(huán)境視頻圖像上增強(qiáng)可視化，最后送到顯示器或便攜可視化裝置上。

為了增強(qiáng)可識別性，可以在系統(tǒng)中定義不同顏色來區(qū)分輸油輸氣、通信光纜等不同用途的地下傳輸管線，然而在地形復(fù)雜或管線的交匯點(diǎn)僅僅通過管線走向和顏色不足以辨別管線位置和深淺，可以采取調(diào)高埋深較深的管線的透明度來增強(qiáng)視覺效果。如果想查看剖面圖上管線分布，可以在模型上繪制水平紅色標(biāo)尺線，這樣可以直觀地對比穿過剖切面的地下管線，同時還可以增加管線的虛擬陰影和周邊環(huán)境的3D紋理，以上措施增強(qiáng)了三維地下管網(wǎng)的深度感知和可視化效果。更接近真實(shí)視覺效果的是坑道式剖面圖，由于陰影投射到剖切面底部的時候因角度問題不容易看到，可以采取隨著深度降低光照度的方法建立環(huán)境光遮擋的模型。

使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化地下管網(wǎng)，給用戶安裝了“火眼金睛”，可以更方便、直觀地分辨地下縱橫交錯的傳輸管網(wǎng)相互位置和走向，查詢某根管線情況時因?yàn)榭梢曅Ч奶嵘哺菀走x取和分析。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)是一種對現(xiàn)實(shí)世界的智能擴(kuò)充，增強(qiáng)了用戶對真實(shí)環(huán)境和三維系統(tǒng)的互動和感知。該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在城市環(huán)境可視化、城市安全規(guī)劃、旅游、計算機(jī)建模、國防軍事及娛樂等眾多領(lǐng)域，具有深厚的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

主要參考文獻(xiàn)

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.20.041

TP391.9

A

1673-0194（2016）20-0062-02

2016-09-02