增強(qiáng)地理環(huán)境中過程可視化方法
——以人群疏散模擬為例

龔建華，李文航，張國(guó)永,2，申 申,2，黃 琳,2，孫 麇

1. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100012； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 浙江中科空間信息技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心，浙江 嘉興 314199

虛擬地理環(huán)境(virtual geographic environments，VGE)從1997—1998年提出以后，經(jīng)過近20年的發(fā)展，基本形成了比較系統(tǒng)的概念理論和方法技術(shù)體系[1-4]。隨著2016年以來新一波消費(fèi)級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)的發(fā)展，尤其是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)設(shè)備如HoloLens、智能手機(jī)iPhone X等的出現(xiàn)，為虛擬地理環(huán)境的未來發(fā)展提供了全新的發(fā)展機(jī)遇[5-9]。AR技術(shù)能夠同時(shí)可視化真實(shí)世界和虛擬世界中的信息，并將兩種信息補(bǔ)充、疊加和融合，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[10-15]。相比VR技術(shù)而言，AR可視化方法在適應(yīng)現(xiàn)實(shí)、保留現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性信息化增強(qiáng)[16-18]，在觀察交互虛擬信息的同時(shí)又能看到現(xiàn)實(shí)世界，不容易產(chǎn)生暈眩，用戶體驗(yàn)好，同時(shí)降低了技術(shù)應(yīng)用的時(shí)間成本和制作成本[7，19-21]。早期的學(xué)者已經(jīng)在AR結(jié)合GIS的可行性方面作了較為深入的探討[22-23]，而對(duì)更高發(fā)展階段的VGE而言，本文將結(jié)合AR技術(shù)，考慮虛擬地理環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的相互虛實(shí)關(guān)系，提出并探索發(fā)展增強(qiáng)地理環(huán)境概念的可能性。

地理過程建模是虛擬地理環(huán)境建模中的一個(gè)重要內(nèi)容[24]。人群模擬，既是研究微觀地理環(huán)境下人-地相互動(dòng)態(tài)關(guān)系、人群心理和行為等的重要虛擬地理試驗(yàn)方法[25]，又對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)急演練和安全教育等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。人群疏散行為模擬，包括微觀地理場(chǎng)景建模、事件建模、行為動(dòng)力學(xué)過程建模及過程可視化等。本文則主要討論人群模擬數(shù)據(jù)的過程可視化技術(shù)。目前，人群模擬領(lǐng)域中有多種對(duì)人群行為的可視化方式，例如，將人表示成實(shí)心圓[26]、橢圓[27]或三角形[28]，但是該方式可以簡(jiǎn)單模擬出人的行為軌跡，但往往不夠生動(dòng)，不能滿足人們對(duì)可視化效果的需求。隨著三維建模、可視化與VR技術(shù)的發(fā)展，利用三維人物模型在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行模擬成為人群模擬的主流可視化方式[29-30]。同時(shí)，三維打印技術(shù)與上述所說的AR技術(shù)發(fā)展，則給虛實(shí)疊加融合的人群疏散可視化提供了一種新的可能方式。因此，本文首先提出增強(qiáng)地理環(huán)境的概念及理論框架，然后以人群疏散過程模擬為案例，探索增強(qiáng)地理環(huán)境中的虛實(shí)融合及時(shí)空可視化方法。

1 增強(qiáng)地理環(huán)境概念與虛實(shí)融合框架

增強(qiáng)地理環(huán)境(augmented geographic environ-ments，AGE)是虛實(shí)地理空間、虛實(shí)地理對(duì)象和虛實(shí)地理過程等集成融合的人機(jī)交互環(huán)境(圖1)。現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境和現(xiàn)實(shí)空間中的地理對(duì)象、地理過程經(jīng)過相似性原理為基礎(chǔ)的地理抽象，將現(xiàn)實(shí)世界數(shù)字化和地理原理、規(guī)律、準(zhǔn)則等形式化，構(gòu)建數(shù)值化、可感知交互的虛擬地理環(huán)境；并且在虛擬地理環(huán)境中，虛擬地理對(duì)象在虛擬地理模型為主要驅(qū)動(dòng)力的相互作用下，以虛擬地理環(huán)境為空間邊界，通過數(shù)值模擬、地理計(jì)算、真人虛擬參與等，形成虛擬地理過程。由于虛擬地理環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境在坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)空尺度、地理規(guī)律等具有相似性、匹配性和映射轉(zhuǎn)換性，因此具有虛實(shí)融合的內(nèi)在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

這里需要指出，融合虛擬地理環(huán)境的現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境目標(biāo)載體可以有以下兩種：一種載體是現(xiàn)實(shí)的“人”所生存的真實(shí)的地理環(huán)境，虛實(shí)融合的過程就是將虛擬地理對(duì)象、虛擬地理過程映射到真實(shí)的建筑、地理環(huán)境中去，時(shí)空尺度上保持絕對(duì)一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境、現(xiàn)實(shí)地理對(duì)象和現(xiàn)實(shí)地理過程的增強(qiáng)和補(bǔ)充；第二種載體可以是地理實(shí)體模型構(gòu)成的地理空間與場(chǎng)景(即縮微的物理實(shí)體模型沙盤及其空間邊界)，虛擬地理對(duì)象、虛擬地理過程等在時(shí)空尺度上再次經(jīng)過縮放，實(shí)現(xiàn)與沙盤空間的融合，構(gòu)建增強(qiáng)地理環(huán)境。

增強(qiáng)地理環(huán)境中的虛擬地理環(huán)境和現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境應(yīng)該具有可協(xié)同交互性，首先應(yīng)具有基礎(chǔ)的視覺交互特性，即現(xiàn)實(shí)地理對(duì)象可以在視覺上遮擋虛擬地理對(duì)象，可以在現(xiàn)實(shí)空間感知、操控融合在現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境中的虛擬地理對(duì)象和虛擬地理過程，虛擬和現(xiàn)實(shí)在視覺上達(dá)到交互統(tǒng)一；其次，在未來的發(fā)展階段，還應(yīng)該達(dá)到信息的交互，即虛擬地理過程及其發(fā)展應(yīng)能影響甚至改變現(xiàn)實(shí)地理過程和現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境，而現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境、地理邊界和地理過程也會(huì)對(duì)虛擬地理過程有所反饋和約束，二者實(shí)現(xiàn)信息層次的互動(dòng)或控制反饋。

這樣，增強(qiáng)地理環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境和現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：一方面，現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境可以展示更多的信息，對(duì)于不易呈現(xiàn)、出現(xiàn)概率較低、甚至存在危險(xiǎn)的地理過程，可以使用虛擬地理過程代替；另一方面，對(duì)于虛擬地理過程，則增加了現(xiàn)實(shí)的屬性，成為可視甚至可觸摸、可控制操作的地理對(duì)象。

AGE與VGE的區(qū)別主要是：VGE是以虛擬空間為載體，將現(xiàn)實(shí)的地理對(duì)象、現(xiàn)實(shí)的地理過程和現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境映射為相應(yīng)的虛擬地理對(duì)象、虛擬地理過程、虛擬地理環(huán)境，并在虛擬空間中進(jìn)行表達(dá)、交互和演化；而AGE的目標(biāo)載體則是現(xiàn)實(shí)空間，它是將虛擬的地理對(duì)象、虛擬的地理過程乃至虛擬的地理環(huán)境以現(xiàn)實(shí)空間為載體、與現(xiàn)實(shí)的地理對(duì)象、現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境、乃至現(xiàn)實(shí)的地理過程進(jìn)行融合和集成。虛擬和現(xiàn)實(shí)關(guān)系在目前VGE的研究比較薄弱，存在著虛實(shí)割離或平行的問題；而AGE則將虛實(shí)重新聯(lián)結(jié)和統(tǒng)一，是VGE大研究領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

圖1 增強(qiáng)地理環(huán)境概念框架Fig.1 The conceptual framework of AGE

AGE與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)系是，AGE在理念和技術(shù)上源于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理學(xué)科中的應(yīng)用和實(shí)踐。AGE側(cè)重于地理問題的表達(dá)和研究，需要結(jié)合地理理論和地理模型，或發(fā)展新的時(shí)空表達(dá)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)“人地關(guān)系”這一地理核心問題的模擬分析研究。

2 虛實(shí)融合過程可視化技術(shù)

圖1所示為增強(qiáng)地理環(huán)境的概念框架和方法整體思路，本文則在該框架思路的指導(dǎo)下，選擇三維打印的物理模型為目標(biāo)載體，以人群疏散模擬為案例，探討增強(qiáng)地理環(huán)境中過程可視化的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)路徑。

如圖2，本文以HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡作為顯示和交互設(shè)備，綜合利用AR識(shí)別碼技術(shù)、HoloLens空間追蹤技術(shù)、三維渲染控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬地理過程與現(xiàn)實(shí)空間位置匹配及空間遮擋關(guān)系表達(dá)。在技術(shù)流程上，首先利用設(shè)備攝像頭掃描沙盤上的識(shí)別碼，獲取識(shí)別碼在現(xiàn)實(shí)空間中位置坐標(biāo)，并以該位置坐標(biāo)作為空間錨點(diǎn)，將虛擬空間中對(duì)象及時(shí)空過程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，完成虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的位置初始化和空間關(guān)聯(lián)；其次，虛實(shí)空間關(guān)聯(lián)后，利用HoloLens設(shè)備的SLAM(simultaneous localization and mapping)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)位置追蹤，確保虛實(shí)空間實(shí)時(shí)融合。為保證虛實(shí)場(chǎng)景融合時(shí)空間關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)，空間關(guān)系計(jì)算采用空間掩膜技術(shù)和Shader渲染腳本技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間關(guān)系實(shí)時(shí)計(jì)算與可視化渲染表達(dá)。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線Fig.2 The technical framework of AGE system for crowd evacuation

2.1 虛實(shí)場(chǎng)景融合的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換匹配

虛擬過程存在于虛擬空間，現(xiàn)實(shí)物體存在于現(xiàn)實(shí)空間。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)定位和構(gòu)圖技術(shù)，在視覺上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空間融合及顯示。其本質(zhì)是將虛擬空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)兩者位置精確匹配。虛擬空間坐標(biāo)系是人為設(shè)定的笛卡兒世界坐標(biāo)系，所有虛擬對(duì)象按照確定的坐標(biāo)原點(diǎn)定位和布局?，F(xiàn)實(shí)空間則根據(jù)空間表達(dá)的需求設(shè)計(jì)合適的坐標(biāo)系。本文為實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀場(chǎng)景的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)，采用與虛擬空間類坐標(biāo)系似的笛卡兒三維直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備所處的位置，對(duì)現(xiàn)實(shí)空間中對(duì)象的位置描述均以此坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)空間的轉(zhuǎn)換，需要為虛擬空間坐標(biāo)系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一對(duì)關(guān)聯(lián)對(duì)象起到錨點(diǎn)的作用，錨點(diǎn)以實(shí)體對(duì)象的形式存在于現(xiàn)實(shí)空間，以數(shù)字特征形式存在于虛擬空間，兩者在空間尺寸上保持一致，結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)采用特殊設(shè)計(jì)的二維碼作為錨點(diǎn)，通過攝像頭識(shí)別，攝像頭拍攝到錨點(diǎn)后利用Vuforia AR引擎計(jì)算其與攝像頭(HoloLens眼鏡)的位置關(guān)系，然后與攝像頭位置相加，計(jì)算出錨點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)世界中的位置(Ox,Oy,Oz)。為簡(jiǎn)化坐標(biāo)轉(zhuǎn)化計(jì)算量，在虛擬空間中，錨點(diǎn)中心位置位于坐標(biāo)原點(diǎn)。虛擬空間中對(duì)象在現(xiàn)實(shí)空間中位置計(jì)算過程如式(1)所示。

圖3 虛擬-現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.3 The coordinate system transformation between virtual and real spaces

式中，Ax、Ay、Az為虛擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)空間中的三維坐標(biāo)；Ox、Oy、Oz表示錨點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)空間中的位置；S為縮放系數(shù)，若現(xiàn)實(shí)錨點(diǎn)和虛擬錨點(diǎn)尺寸相同則為1；Px、Py、Pz為虛擬對(duì)象在虛擬空間坐標(biāo)系中的位置。現(xiàn)實(shí)空間中模型水平放置，系統(tǒng)限制沙盤只能沿y軸在XOZ平面旋轉(zhuǎn)，θ為沿y軸的旋轉(zhuǎn)角度。經(jīng)過坐標(biāo)變化后，虛擬空間中的對(duì)象可以準(zhǔn)確地疊加到現(xiàn)實(shí)空間中。

2.2 虛實(shí)對(duì)象與場(chǎng)景融合的遮擋計(jì)算

虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的融合顯示，不僅是將虛擬空間對(duì)象放置于正確的現(xiàn)實(shí)空間位置，更要保證其和現(xiàn)實(shí)空間的空間關(guān)系的正確性。本系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景中煙、火特效與建筑物之間的空間關(guān)系，室內(nèi)人群與建筑的墻體、門窗之間的空間關(guān)系需要準(zhǔn)確的可視化表達(dá)。保證空間關(guān)系正確的關(guān)鍵是處理虛擬空間對(duì)象和現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象之間的遮擋關(guān)系。

實(shí)現(xiàn)正確的遮擋計(jì)算，需要對(duì)現(xiàn)實(shí)空間中對(duì)象精確識(shí)別與建模，對(duì)有鏤空結(jié)構(gòu)的實(shí)體對(duì)象，要精確刻畫其鏤空結(jié)構(gòu)，考慮到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備的計(jì)算和渲染能力，對(duì)空間遮擋進(jìn)行二值化處理，分為遮擋和未遮擋兩種狀態(tài)。目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中以微軟的HoloLens眼鏡的綜合性能最佳，通過SLAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的整體感知。

HoloLens空間重建技術(shù)是利用兩個(gè)深度相機(jī)對(duì)環(huán)境進(jìn)行三維重建，目的是利用空間結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算眼鏡在現(xiàn)實(shí)空間中的位置，而不是刻畫現(xiàn)實(shí)對(duì)象精確的空間結(jié)構(gòu)。對(duì)空間的框架性結(jié)構(gòu)，比如桌面、書架等具有良好的重建能力，對(duì)建筑沙盤(14 cm×14 cm×6 cm)的小目標(biāo)，整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)均無法重建。如圖4(c)顯示的是三維打印沙盤及所處背景環(huán)境，圖4(d)反映的是由HoloLens三維重建的沙盤及其背景環(huán)境，圖4(c)和圖4(d)中相同顏色線框劃定區(qū)域表示真實(shí)環(huán)境和三維重建模型的大致對(duì)應(yīng)區(qū)域：A、A′分別表示三維打印建筑沙盤和三維重建的建筑沙盤結(jié)構(gòu)；B、B′分別表示書架和三維重建的書架結(jié)構(gòu)；C、C′分別表示電腦屏幕和三維重建的電腦屏幕結(jié)構(gòu)；D、D′分別表示工位隔間框架和三維重建的工位隔間框架結(jié)構(gòu)；E、E′分別表示衣柜和三維重建的衣柜結(jié)構(gòu)。如A、A′所示建筑沙盤三維重建后只能顯示為一個(gè)凸起的幾何結(jié)構(gòu)，無法滿足準(zhǔn)確空間關(guān)系計(jì)算的需求。

圖4 三維打印沙盤及數(shù)字模型Fig.4 The 3D printing building model and its source digital model

為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間的精確遮擋關(guān)系計(jì)算，利用虛擬場(chǎng)景中靜態(tài)對(duì)象的三維模型替代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)時(shí)三維重建生成的環(huán)境模型，作為動(dòng)態(tài)模型渲染的遮擋掩膜，比如建筑物墻體、圍欄、樹等環(huán)境模型，均可作為掩膜。掩膜作為虛擬場(chǎng)景渲染的輔助對(duì)象，在可視化過程中不進(jìn)行網(wǎng)格渲染，僅保留其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮擋計(jì)算。遮擋計(jì)算的流程如圖5所示。掩膜的實(shí)現(xiàn)原理是通過Shader腳本控制場(chǎng)景對(duì)象的渲染順序和混合模式實(shí)現(xiàn)，被遮擋對(duì)象渲染序列為2002，掩膜渲染序列為2001，掩膜的混合模式設(shè)置為“Blend Zero One”。

圖5 空間遮擋渲染流程Fig.5 The rendering process of space occlusion

2.3 虛擬過程與現(xiàn)實(shí)空間的穩(wěn)定融合技術(shù)

虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間通過識(shí)別碼作為錨點(diǎn)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空間的初步融合。由于攝像頭識(shí)別距離和角度限制，完成初步融合后，設(shè)備位置追蹤由HoloLens空間重建模塊處理，其位置追蹤主要是利用空間幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置解算，在小范圍場(chǎng)景內(nèi)由于幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，位置精度會(huì)隨著設(shè)備移動(dòng)產(chǎn)生較大累計(jì)誤差。

為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間的穩(wěn)定融合，及時(shí)消除因位置追蹤導(dǎo)致的融合抖動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了融合誤差消減算法，主要流程如圖6所示，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)融合誤差，當(dāng)誤差超越設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)提示誤差超限，設(shè)備重新識(shí)別標(biāo)識(shí)碼，虛實(shí)空間位置重初始化。

圖6 融合誤差削減流程Fig.6 Error reduction process of mixing

3 增強(qiáng)地理環(huán)境原型系統(tǒng)及性能評(píng)測(cè)

3.1 人群疏散增強(qiáng)地理環(huán)境原型系統(tǒng)

前期的研究中，實(shí)現(xiàn)了多層建筑中人群應(yīng)急疏散過程的數(shù)值模擬與驗(yàn)證(篇幅所限，且人群模擬過程非本文重點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)過程請(qǐng)參考文獻(xiàn)[30])，這是一種典型的虛擬地理過程。在本文提出的增強(qiáng)地理環(huán)境概念框架和關(guān)鍵技術(shù)的支持下，以三維打印的三層教學(xué)樓模型為目標(biāo)載體，本文實(shí)現(xiàn)了虛擬的人群應(yīng)急疏散過程與現(xiàn)實(shí)地理空間的融合，即面向人群疏散過程可視化的增強(qiáng)地理環(huán)境。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先依據(jù)三維虛擬的三層教學(xué)樓，通過三維打印構(gòu)建出完全相同的實(shí)體模型沙盤，并作為虛實(shí)融合的目標(biāo)載體，然后將文獻(xiàn)[30]中人群疏散模擬算法模擬出的時(shí)空軌跡，運(yùn)用第3節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)將虛擬人群疏散人群、煙火特效等虛擬對(duì)象與真實(shí)的三維打印教學(xué)樓沙盤進(jìn)行融合顯示。

系統(tǒng)采用Unity引擎作為開發(fā)環(huán)境，跨平臺(tái)編譯為Windows通用應(yīng)用平臺(tái)(Universal Windows Platform)應(yīng)用，最終部署于HoloLens增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中。如圖7所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后首先掃描模型上的識(shí)別碼(圖7(a))，掃描成功后(圖7(b))，虛擬場(chǎng)景加載并與真實(shí)環(huán)境相融合，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以表達(dá)正確的空間遮擋關(guān)系，虛擬對(duì)象之間的空間關(guān)系正確表達(dá)。包含三維打印沙盤以及化身人的虛擬疏散過程的增強(qiáng)地理環(huán)境。整體效果如圖7(c)所示，其中樓道處的區(qū)域的放大圖，展示了建筑物和人之間的空間遮擋關(guān)系，人被墻體遮擋，但是透過窗戶觀察到未被遮擋的部分。

3.2 增強(qiáng)地理環(huán)境中虛實(shí)空間融合的穩(wěn)定性分析

虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間的融合分為兩個(gè)過程：①通過攝像頭掃描識(shí)別碼，完成虛擬空間坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)初始化，將該坐標(biāo)原點(diǎn)記為Porigin；②完成坐標(biāo)初始化后，需要對(duì)HoloLens眼鏡的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，追蹤過程利用其內(nèi)置的位置追蹤模塊完成。由于追蹤過程的不穩(wěn)定性，會(huì)造成Porigin位置偏移抖動(dòng)，引起融合誤差，繼而影響可視化效果，因此，需要評(píng)測(cè)其穩(wěn)定性。

Porigin的融合誤差跟HoloLens眼鏡與沙盤的距離，眼鏡移動(dòng)速度相關(guān)。圖8(a)測(cè)試條件為識(shí)別標(biāo)識(shí)碼后，移動(dòng)眼鏡至識(shí)別范圍外后保持相對(duì)靜止，第1到150幀表示在識(shí)別范圍內(nèi)隨著設(shè)備遠(yuǎn)離沙盤，Porigin融合誤差升高，直至超出攝像頭識(shí)別范圍后保持眼鏡相對(duì)穩(wěn)定，Porigin維持在6 mm左右波動(dòng)，該階段虛實(shí)空間位置匹配由HoloLens內(nèi)置位置追蹤模塊提供。圖8(b)測(cè)試條件為以大約4.5°/s的角速度繞沙盤旋轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)曲線顯示HoloLens移動(dòng)位置突變會(huì)引起Porigin較大幅度的波動(dòng)，體驗(yàn)者可以感覺到明顯的虛擬場(chǎng)景抖動(dòng)。而且隨著位移積累，Porigin融合誤差升高。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是沙盤背景幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，HoloLens的SLAM不足以提供精確的位置參考?？梢酝ㄟ^重新掃描識(shí)別碼進(jìn)行虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)系重新匹配，降低由此產(chǎn)生的高誤差值，使誤差回到圖8(a)所顯示的水平。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行截圖Fig.7 Screenshot of the AGE prototype

在虛擬場(chǎng)景渲染性能上，原型系統(tǒng)的目標(biāo)運(yùn)行設(shè)備HoloLens的CPU、RAM、GPU性能遠(yuǎn)低于普通的臺(tái)式計(jì)算機(jī)性能，因此直接統(tǒng)計(jì)這類設(shè)備的性能不具備橫向?qū)Ρ鹊膮⒖家饬x。故選取每秒幀率(frame per second，F(xiàn)PS)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過獲取系統(tǒng)運(yùn)行期間的幀率數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化分析，形成如圖9所示的幀率分布曲線。系統(tǒng)啟動(dòng)后掃描識(shí)別碼時(shí)，由于虛擬場(chǎng)景尚未加載，幀率維持在25 FPS左右。從第5秒左右開始，虛擬場(chǎng)景載入，此時(shí)幀率維持在15 FPS左右。然而在實(shí)際使用過程中，通過問卷返回的結(jié)果反饋，系統(tǒng)體驗(yàn)流暢。主要原因是AR場(chǎng)景是將虛擬對(duì)象疊加到真實(shí)空間中，視野主體是現(xiàn)實(shí)空間。虛擬場(chǎng)景相對(duì)低幀率不會(huì)造成顯著的渲染卡頓。

圖8 虛實(shí)空間融合精度分析Fig.8 Test of the accuracy of the AGE

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行幀率變化曲線Fig.9 The FPS curve when application is running

造成系統(tǒng)幀率偏低的原因有兩個(gè)：①系統(tǒng)需要通過攝像頭實(shí)時(shí)掃描周邊環(huán)境，進(jìn)行虛實(shí)場(chǎng)景匹配融合，需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源；②系統(tǒng)中有100個(gè)虛擬人化身，每個(gè)人都有動(dòng)作綁定，場(chǎng)景需要進(jìn)行的渲染量巨大。

3.3 可視化原型系統(tǒng)用戶體驗(yàn)與問卷統(tǒng)計(jì)分析

基于上述研發(fā)的增強(qiáng)地理環(huán)境原型系統(tǒng)，本文共邀請(qǐng)了29名用戶(其中男性16名，女性13名)進(jìn)行系統(tǒng)體驗(yàn)，并填寫調(diào)查問卷。參與者年齡區(qū)間為20～39歲，均為地理信息相關(guān)專業(yè)的學(xué)生和教師，對(duì)GIS、虛擬地理環(huán)境都有所了解，可以避免認(rèn)知能力、知識(shí)結(jié)構(gòu)等方面帶來的偏差。樣本數(shù)量能夠滿足t檢驗(yàn)、方差分析的要求，樣本分布能夠代表該年齡區(qū)間專業(yè)人員的平均水平。調(diào)查問卷從可視化形式、真實(shí)感、沉浸感、系統(tǒng)運(yùn)行效果、運(yùn)行性能、交互方式、學(xué)習(xí)成本這些方面設(shè)置10道打分題，題項(xiàng)的步距是5，其中1分、5分分別表示對(duì)該命題的極端否定和肯定，3分為沒有明確態(tài)度的用戶提供了一個(gè)中性點(diǎn)，同時(shí)也作為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

本文對(duì)收集到的調(diào)查問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立檢驗(yàn)假設(shè)H0：各題項(xiàng)得分與基準(zhǔn)分?jǐn)?shù)相同，以α=0.05的顯著性水平，使用單樣本t檢驗(yàn)和基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。結(jié)果表明，參與者對(duì)10道題的打分均顯著超過基準(zhǔn)點(diǎn)，說明各題項(xiàng)所反映的原型系統(tǒng)效果和用戶體驗(yàn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相比提升顯著。為了檢驗(yàn)?zāi)挲g、性別因素對(duì)增強(qiáng)地理環(huán)境原型系統(tǒng)的使用體驗(yàn)是否存在顯著區(qū)別，本文對(duì)收集到的問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。年齡因素方面，為了使各年齡組樣本量大致接近，本文把年齡分為3段，即22歲以下、23—29歲、30歲以上，然后對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果表明，各年齡段樣本均值在顯著性水平0.05上均沒有顯著差異，說明在本文所選的樣本條件下，年齡因素對(duì)原型系統(tǒng)用戶體驗(yàn)沒有顯著影響。性別因素方面，本文對(duì)性別分組問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行雙樣本同方差t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，不能拒絕性別分組均值相等的原假設(shè)H0，沒有足夠證據(jù)表明男女性別組樣本均值在顯著性水平0.05上有顯著差異，說明在本文所選的樣本條件下，性別因素在原型系統(tǒng)用戶體驗(yàn)方面也沒有顯著差別。

結(jié)合調(diào)查問卷題意與數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：從系統(tǒng)效果與性能方面來看，原型系統(tǒng)可以流暢地運(yùn)行，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景沉浸感較強(qiáng)，觀察與漫游等交互方便，并且容易學(xué)習(xí)使用；從用戶體驗(yàn)角度來看，物理模型上疊加展示虛擬疏散過程，是一種新穎的可視化形式，用戶能感覺到虛擬疏散的人群在現(xiàn)實(shí)物理模型空間中活動(dòng)；由于虛擬物體被現(xiàn)實(shí)物理模型的遮擋效果明顯，用戶可以感受到教學(xué)樓模型內(nèi)的逼真的疏散過程。但另一方面，調(diào)查問卷結(jié)果也反映出了原型系統(tǒng)的問題，如變換視角會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)或偏移等，這也為增強(qiáng)地理環(huán)境可視化的下一步工作提出了可以改進(jìn)的方向。

4 結(jié)論與討論

本文主要研究了虛實(shí)融合的增強(qiáng)地理環(huán)境的概念框架及其實(shí)現(xiàn)方法，并以學(xué)?；馂?zāi)人群疏散為例，證明了虛實(shí)融合增強(qiáng)地理環(huán)境與過程可視化技術(shù)的可行性。本文的研究在理念上有以下創(chuàng)新：將虛擬地理對(duì)象和虛擬的地理過程從計(jì)算機(jī)空間中“移”出來，置于真實(shí)的地理空間中，使虛擬地理環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)的屬性；同時(shí)，現(xiàn)實(shí)的地理空間的信息容量也將被增強(qiáng)，不再是靜止不變的對(duì)象，而是靈活多變的“活”的環(huán)境；危險(xiǎn)性的地理過程、低概率的地理過程可按需重現(xiàn)，可以成為地理問題研究、研討的載體。在增強(qiáng)地理環(huán)境中，虛擬與現(xiàn)實(shí)重新得以統(tǒng)一，而這也代表了虛擬地理環(huán)境未來新的發(fā)展趨勢(shì)。

需要說明的是，本文的研究將三維打印的物理實(shí)體模型作為研究環(huán)境存在，虛擬地理過程是以可視化融合的方式接入物理實(shí)體模型，構(gòu)成增強(qiáng)地理環(huán)境，而研究者也是以第三人稱視角，即以觀察者的身份體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境和增強(qiáng)地理過程。未來，增強(qiáng)地理環(huán)境進(jìn)一步的研究包括：

(1) 發(fā)展第一人稱視角的體驗(yàn)式增強(qiáng)地理環(huán)境，即以參與者位于的現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境為研究環(huán)境，虛擬的地理數(shù)據(jù)和虛擬地理過程將以此為載體在可視化的層次上集成進(jìn)入現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境，由此構(gòu)建出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境，參與者將以第一人稱的身份介入，實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的體驗(yàn)和研究。

(2) 發(fā)展虛實(shí)過程交互性的增強(qiáng)地理環(huán)境，即虛擬地理過程、現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境、現(xiàn)實(shí)地理過程之間實(shí)現(xiàn)能量和信息的交互，虛擬的地理過程將會(huì)影響(乃至改變)現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境，現(xiàn)實(shí)的地理過程也將影響虛擬的地理過程，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境和虛擬地理環(huán)境的真正融合，虛擬與現(xiàn)實(shí)二者不再區(qū)分彼此，形成虛擬地理環(huán)境發(fā)展的高級(jí)階段。