增強現(xiàn)實技術(shù)在船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域的應(yīng)用

鄒帆 霍虎偉

【摘 要】 為解決傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域的難題，介紹增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）的特點和應(yīng)用及發(fā)展趨勢，分析傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航技術(shù)的現(xiàn)狀和缺陷。在此基礎(chǔ)上對AR技術(shù)在提升船舶導(dǎo)助航方面進(jìn)行設(shè)想及分析，并提出其在船舶導(dǎo)助航應(yīng)用上需解決的一些關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 增強現(xiàn)實（AR）；船舶；導(dǎo)助航；E-航海

0 引 言

目前，船舶在航行過程中主要依賴全球定位系統(tǒng)（GPS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、海圖、雷達(dá)、航標(biāo)等設(shè)備及駕駛員經(jīng)驗來實現(xiàn)導(dǎo)助航。由于設(shè)施設(shè)備相對獨立，在航路條件復(fù)雜或能見度不良情況下，這種傳統(tǒng)導(dǎo)助航方式的導(dǎo)助航效果并不佳。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)作為一種新興熱門技術(shù)，有著諸多的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，本文旨在提出一種利用AR技術(shù)解決傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航實踐中難以解決的問題的方案設(shè)想，為實現(xiàn)E-航海的最終目標(biāo)提供一些思路。

1 AR技術(shù)概述

1.1 AR技術(shù)的介紹和特點

AR技術(shù)是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)模型圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，主要是為了將虛擬世界通過屏幕呈現(xiàn)出立體的效果，并實現(xiàn)人與虛擬世界之間的互動。這種技術(shù)首先要收集現(xiàn)實世界中的聲音、味道、觸覺等各種信息，然后將信息通過計算機進(jìn)行仿真疊加，在所有的信息疊加完畢后，通過計算機與人體感官關(guān)聯(lián)，增強人的感知能力，從而使人體接受到在以往接受不到的信息，并使得人體對周圍環(huán)境的感受更加敏感，以此達(dá)到增強現(xiàn)實的目的。

AR技術(shù)有3個顯著的特點：

（1）可在顯示設(shè)備上較完整保存真實環(huán)境信息；

（2）可實現(xiàn)對近乎于實時的特定信息的處理、增強和控制；

（3）可實現(xiàn)基于真實環(huán)境的動態(tài)、直觀的信息交互。

1.2 AR技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

“基于增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的新型汽車導(dǎo)航儀”為2013年莫斯科舉行的第二屆“開放式創(chuàng)新”國際論壇暨科技展的參展項目；2016年百度地圖推出了步行AR導(dǎo)航功能，即用戶在導(dǎo)航過程中，無需來回查看地圖路線信息，只需根據(jù)語音導(dǎo)航和真實街景信息便可輕松順利到達(dá)目的地。

未來AR技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，并逐漸向?qū)崿F(xiàn)“全天候全地形實時指路”的方向發(fā)展。這種技術(shù)可應(yīng)用于航空、船舶、汽車、步行等一系列交通導(dǎo)航中。

2 傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航現(xiàn)狀及缺陷

2.1 傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航現(xiàn)狀

以船舶進(jìn)出港及航道航行為例，船舶導(dǎo)助航主要采用設(shè)備結(jié)合的方式：自動雷達(dá)標(biāo)繪儀（ARPA），用于掃描海域及碰撞預(yù)警；差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）（本文以DGPS定位為主），用于船舶精確定位；船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），用于識別船舶和協(xié)助追蹤目標(biāo)等；電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS），接入DGPS或北斗定位信號及AIS信號并在平面電子海圖上顯示船位；紙質(zhì)海圖，用于開航前及航行途中詳細(xì)掌握整個航行區(qū)域的海上信息；實體航標(biāo)，用于指示航道方向、邊界及礙航物，其中包括航道側(cè)面標(biāo)志、方位標(biāo)、孤立危險物標(biāo)和導(dǎo)標(biāo)等。[1]在船舶航行過程中，駕駛員需綜合應(yīng)用雷達(dá)等助航設(shè)備及航標(biāo)等助航設(shè)施輔助其操縱。

2.2 傳統(tǒng)船舶導(dǎo)助航存在的不足

目前，船舶正在向“標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)?；?、智能安全化和大型化”發(fā)展，而現(xiàn)有船舶導(dǎo)助航設(shè)備尚處于“獨立運行”“平面化導(dǎo)航”“目視與屏幕結(jié)合”的局面，船舶駕駛員需根據(jù)諸多導(dǎo)助航設(shè)備、設(shè)施綜合分析，夜晚期間需要監(jiān)守在駕駛臺屏幕、駕駛臺視窗，甚至還需要在駕駛臺甲板上來回走動觀察并憑借經(jīng)驗操縱船舶，遠(yuǎn)沒有達(dá)到“智能安全化”的要求。同時，隨著船舶大型化，駕駛員從駕駛臺視角目視航標(biāo)將會越來越困難，尤其是在迎著太陽航行時，船舶進(jìn)出港將會受強烈陽光直射，嚴(yán)重影響駕駛員觀察燈浮標(biāo)。

3 AR技術(shù)在船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 AR技術(shù)應(yīng)用于船舶導(dǎo)助航的硬件需求

AR技術(shù)主要由視頻圖像采集系統(tǒng)、識別分析系統(tǒng)、虛實結(jié)合系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)等4部分組成。視頻圖像采集系統(tǒng)是用于獲取視頻或者照片的攝像機，可以是普通高清攝像頭，也可以是含有夜視功能的高清攝像頭。識別分析系統(tǒng)的功能是識別提取視頻圖像中的有效信息（如DGPS等接入信息），分析得出航行所需信息，并與數(shù)據(jù)庫中的三維模型相對應(yīng)。虛實結(jié)合系統(tǒng)的功能是將各種虛擬三維模型與視頻圖像準(zhǔn)確結(jié)合。圖像顯示系統(tǒng)是增強顯示并結(jié)合了虛擬三維模型的視頻圖像。

3.2 AR技術(shù)在船舶導(dǎo)助航中的應(yīng)用

E-航海是指由國際海事組織提出的通過電子數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，對船上、岸上的海事信息進(jìn)行協(xié)調(diào)一致的收集、整合、交換、顯示及分析，以增強船舶從泊位到泊位的航行能力及其他相關(guān)服務(wù)，提高海上安全和安保水平，并保護海洋環(huán)境的一種戰(zhàn)略構(gòu)想。未來，船舶必將實現(xiàn)“智能化”，使船舶駕駛員能夠輕松、高效、安全地完成船舶航行命令下達(dá)，船舶導(dǎo)助航系統(tǒng)的綜合化、智能化、實景化成為必然。在船舶導(dǎo)助航中使用AR技術(shù)，可將原先由船舶駕駛員負(fù)責(zé)分析和處理的大量信息通過AR分析合成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后與后臺基本參數(shù)相融合，將處理后的結(jié)果增強顯示在駕駛員面前的屏幕上，以實現(xiàn)多種信息同時且直觀的增強展現(xiàn)，實現(xiàn)E-航海的最終目標(biāo)。AR技術(shù)在船舶導(dǎo)助航中的應(yīng)用流程見圖1。

3.3 AR技術(shù)應(yīng)用于船舶導(dǎo)助航的示意

3.3.1 航行信息增強顯示

船舶在航行時，雖然有GPS、BDS、AIS、ECDIS、雷達(dá)、ARPA、羅經(jīng)等多種現(xiàn)代化技術(shù)為其航行提供安全、可靠的航海保障服務(wù)，但這些信息應(yīng)用系統(tǒng)大多都相互獨立，在為航海者提供便捷和精度的同時也增加了工作負(fù)擔(dān)。AR技術(shù)的應(yīng)用將整合所有船舶航行信息，并可通過人機交互手勢選擇，全部或部分增強顯示在屏幕上，方便船舶駕駛員查看。船舶航行信息增強顯示見圖2。

3.3.2 航道側(cè)面標(biāo)志的增強顯示

船舶在進(jìn)出港時需沿著航道航行，航道的側(cè)面標(biāo)志通常按一定間距（1～2 n mile）成對布設(shè)。《海區(qū)浮動助航標(biāo)志配布導(dǎo)則》規(guī)定：沿航道軸線設(shè)置的同側(cè)標(biāo)志間的距離，在標(biāo)準(zhǔn)氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標(biāo)間距，原則上白天應(yīng)達(dá)到從一座浮標(biāo)處能看到同一側(cè)相鄰的下一座浮標(biāo)，夜晚應(yīng)達(dá)到從一座浮標(biāo)處能看到同一側(cè)相鄰的下二座燈浮標(biāo)的燈光。但是，在氣象能見度較差時或者夜間航道背景光強度較大時，船舶駕駛員搜索航道側(cè)面標(biāo)志的難度就變得很大。AR技術(shù)可以通過綜合分析船舶當(dāng)前DGPS定位的方向位置與數(shù)據(jù)庫中即將看到的航標(biāo)設(shè)計位置，并使之融合，將模擬航標(biāo)模型疊加到實體航標(biāo)上，高亮顯示在屏幕上。

3.3.3 航道邊線的增強顯示

本文所介紹的航道用于大型船舶航行，通常由相鄰兩座航道側(cè)面標(biāo)連線來標(biāo)示航道邊線，但這條連線在現(xiàn)實中并不存在，在航道走向復(fù)雜或礙航物較多時，航道邊線就更不明顯。AR技術(shù)可以用高亮虛線連接側(cè)面標(biāo)模型，以標(biāo)示航道邊線。AR技術(shù)增強顯示航道邊線見圖3。

3.3.4 船舶視野盲區(qū)下小型船舶的增強顯示

由于船舶大型化，船舶駕駛臺視野盲區(qū)越來越大，尤其是超大型集裝箱貨船和帶克令吊的散貨船更為明顯，這給在視野盲區(qū)下航行的小型船舶帶來嚴(yán)重的威脅。AR技術(shù)可以接入AIS信號，并于DGPS信號融合，將可能進(jìn)入視野盲區(qū)的小型船舶模型疊加到現(xiàn)實視頻中顯示在屏幕上，并閃爍提醒駕駛員注意。船舶駕駛員也可通過人際交互手勢，在屏幕上手動點取需重點關(guān)注的船舶，系統(tǒng)將綜合分析數(shù)據(jù)實現(xiàn)該船舶的自動跟蹤。AR技術(shù)增強顯示視野盲區(qū)中的船舶位置見圖4。

3.3.5 船舶泊位及回旋水域指示

船舶泊位信息及回旋水域信息只存在于紙質(zhì)海圖和電子海圖上，船舶駕駛員需提前了解該泊位信息。由于駕駛員在海圖上不能直觀了解泊位信息，對于很少靠泊該港口的船舶更需小心謹(jǐn)慎駕駛。AR技術(shù)可以提前手動輸入所需靠泊泊位，分析系統(tǒng)自動將結(jié)合當(dāng)前船舶船位信息和數(shù)據(jù)庫中該泊位相關(guān)信息，計算出一條參考航路，并將所有信息疊加增強顯示在屏幕上，以實現(xiàn)對船舶的指引。AR技術(shù)用于泊位及回旋水域指引見圖5。

3.3.6 船舶航行預(yù)警

ARPA系統(tǒng)只能實現(xiàn)船舶碰撞等水面上的預(yù)警，而對于淺水區(qū)、孤立危險物等水下危險則沒有預(yù)警能力。AR技術(shù)的使用將ECDIS、船舶外形尺寸等靜態(tài)信息與AIS、ARPA、航向、航速、吃水等動態(tài)信息相結(jié)合，綜合分析后獲得可能威脅船舶航行安全的信息，將該信息疊加到視頻圖像上顯示在屏幕上，并發(fā)出聲光預(yù)警。

4 AR技術(shù)應(yīng)用于船舶導(dǎo)助航的關(guān)鍵技術(shù)問題

AR技術(shù)雖然已經(jīng)在多種領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，但該技術(shù)卻從未應(yīng)用于船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域。船舶本身和特殊的應(yīng)用環(huán)境特點決定了該技術(shù)在船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域應(yīng)用中必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）船舶航行過程中圖像采集系統(tǒng)所能采集到的視頻圖像信息可供分析識別的要素較少，為使AR技術(shù)能夠分析處理合成出所需要的視頻圖像，需要將信息重心轉(zhuǎn)移至船舶駕駛員視角的三維定位信息及船舶航行資料數(shù)據(jù)庫中，并通過高效計算在屏幕上完美疊加出導(dǎo)助航信息模型。

（2）AR技術(shù)需要將虛擬信息疊加注入到真實場景中，并能夠直觀地展現(xiàn)給船舶駕駛員，如果采用普通的電腦屏幕或頭盔來顯示，必然出現(xiàn)圖像比例縮小或攜帶不便等問題。為使顯示信息更直觀、真實，需采用應(yīng)用于戰(zhàn)斗機上的平視顯示器（HUD）技術(shù)，直接將導(dǎo)助航信息疊加顯示在船舶駕駛臺視窗上，讓駕駛員在瞭望時就能直接了解所需的導(dǎo)助航信息。

5 結(jié) 語

AR技術(shù)將有效整合船舶所有導(dǎo)助航信息，并直觀、準(zhǔn)確、全面地顯示在船舶駕駛員面前，明顯增強船舶駕駛員對船舶航行信息的處理能力，使船舶航行更加便捷、安全。雖然AR技術(shù)在船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域的應(yīng)用存在著許多有待研究的問題，但AR技術(shù)擁有的突出優(yōu)勢和特長，能為該領(lǐng)域提供一個新的切入點和解決方案。AR技術(shù)在船舶導(dǎo)助航領(lǐng)域的應(yīng)用是一個全新的方向，并可以作為實現(xiàn)“E-航?！蹦繕?biāo)的研究方向而得以重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭禹，張吉平，戴冉.航海學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2014.