AR全景視頻助力多機(jī)坪可視化運(yùn)用

□文/劉紫云 王宗義

近年以來，中國(guó)的民航行業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的新階段，各大機(jī)場(chǎng)的航班量均呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，大型機(jī)場(chǎng)的地面交通往往處于密集型高位運(yùn)行狀態(tài)。為適應(yīng)激增的運(yùn)輸壓力與不斷擴(kuò)大的機(jī)場(chǎng)規(guī)模，提高機(jī)場(chǎng)整體的運(yùn)行管理效率，如何高效整合空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司信息資源，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理機(jī)場(chǎng)地面交通，達(dá)到安全事故零容忍，航班正點(diǎn)共提升的目標(biāo)就成為亟待解決的問題。

為落實(shí)科技創(chuàng)新提出的總體任務(wù)，推動(dòng)機(jī)場(chǎng)的科技進(jìn)步，加快平安機(jī)場(chǎng)、智慧機(jī)場(chǎng)、綠色機(jī)場(chǎng)、人文機(jī)場(chǎng)的建設(shè)步伐，遵循“戰(zhàn)略導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、前瞻導(dǎo)向”的原則，切實(shí)解決機(jī)場(chǎng)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中面臨的難點(diǎn)問題為目標(biāo)部署。運(yùn)用AR全景視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)多機(jī)坪區(qū)域的全視頻覆蓋，同時(shí)開發(fā)、引入適用于機(jī)坪管制業(yè)務(wù)的進(jìn)場(chǎng)面引導(dǎo)控制系統(tǒng)、VHF系統(tǒng)、內(nèi)話系統(tǒng)等，形成完整的遠(yuǎn)程機(jī)坪管制應(yīng)用環(huán)境，用于日常航空器機(jī)坪管制工作，提高機(jī)坪管制安全裕度。

何為AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Realityt），簡(jiǎn)稱AR。顧名思義，就是在現(xiàn)實(shí)世界中將元素標(biāo)簽化、虛擬化，以便在屏幕上把標(biāo)簽化、虛擬化的元素套疊加并呈現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界，進(jìn)行良好的互動(dòng)，例如，超市商品導(dǎo)購(gòu)，對(duì)面林林總總的商品，通過AR技術(shù)，在手機(jī)屏幕上就能快速定位所想要購(gòu)買的商品。又如AR街道廣告：通過手機(jī)屏幕，呈現(xiàn)商店標(biāo)簽及其相關(guān)信息，便于消費(fèi)者快速識(shí)別。

AR全景視頻系統(tǒng)與其優(yōu)勢(shì)

眾所周知，夜間飛行及惡劣天氣會(huì)給機(jī)場(chǎng)運(yùn)行帶來諸多不確定因素，造成極大的安全隱患。起飛和著陸是飛機(jī)運(yùn)行中最容易發(fā)生事故的兩個(gè)階段，飛行區(qū)作為安全保障等級(jí)最高的區(qū)域，實(shí)施全景視頻覆蓋是必然趨勢(shì)，將現(xiàn)行制度與AR進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠在完美保障飛行區(qū)安全的同時(shí)，為管理人員提供更佳操作體驗(yàn)。

AR全景視頻系統(tǒng)是基于AI深度學(xué)習(xí)的高性能運(yùn)算平臺(tái)對(duì)多路高清視頻進(jìn)行拼接組合成統(tǒng)一的監(jiān)視系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、停機(jī)坪等重要云臺(tái)協(xié)同定位區(qū)域的實(shí)時(shí)全景監(jiān)視。利用此系統(tǒng)，機(jī)坪管制員可以在正常氣象條件以及低能見度的情況下，以全局的角度監(jiān)視整個(gè)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，能夠全力輔助管制員在工作時(shí)做出更準(zhǔn)確的決斷，有效提升機(jī)場(chǎng)航空器地面運(yùn)行的安全水平及機(jī)場(chǎng)運(yùn)作效率，打造智慧機(jī)場(chǎng)管理新模式。

現(xiàn)狀分析

在AR全景視頻系統(tǒng)引入機(jī)場(chǎng)之前，機(jī)場(chǎng)的監(jiān)視系統(tǒng)是以空管塔臺(tái)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)和機(jī)場(chǎng)安防監(jiān)視系統(tǒng)為主，空管塔臺(tái)的場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)是以一次雷達(dá)信號(hào)為數(shù)據(jù)源，這種數(shù)據(jù)呈目標(biāo)點(diǎn)集，沒有目標(biāo)三維幾何信息并且在機(jī)坪內(nèi)部存在大量雷達(dá)無法掃描到的盲區(qū)，可靠性較低。機(jī)場(chǎng)的安防監(jiān)視系統(tǒng)采用的攝像頭大多獨(dú)立離散不連續(xù)，無法對(duì)飛行區(qū)進(jìn)行全景態(tài)勢(shì)的把握，并且缺乏全過程全時(shí)空的歷史回溯功能。相較之下，AR全景視頻系統(tǒng)作為新的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局跑道、滑行道、停機(jī)坪等重點(diǎn)盲區(qū)的航空器進(jìn)行直觀可靠的全景顯示與局部關(guān)注。其主要解決如下問題：

監(jiān)控點(diǎn)位低，存在盲點(diǎn)

目前機(jī)場(chǎng)的安防監(jiān)控主要采取在機(jī)場(chǎng)內(nèi)安裝槍、球機(jī)為主的低點(diǎn)監(jiān)控建設(shè)模式，普通攝像機(jī)視野容易被機(jī)場(chǎng)的建筑物及其它設(shè)施遮擋，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)的全面監(jiān)控相當(dāng)困難。

監(jiān)控點(diǎn)位分散，全方位布控欠缺

目前機(jī)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)位分散地分布于各重點(diǎn)部位且獨(dú)立離散不連續(xù)，隨著環(huán)境日益復(fù)雜，普通攝像機(jī)的缺陷也逐漸暴露，單點(diǎn)監(jiān)控范圍小，無法實(shí)現(xiàn)每個(gè)區(qū)域都覆蓋視頻監(jiān)控，存在監(jiān)控盲點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)位無法兼顧整體與局部，無法了解整體機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行情況，全方位布控比較欠缺。

地圖二維展現(xiàn)，查看調(diào)度不直觀

視頻監(jiān)控系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、引導(dǎo)控制系統(tǒng)、VHF系統(tǒng)等相對(duì)獨(dú)立，通常依托二維或三維地圖展現(xiàn)，缺乏全景監(jiān)控視頻畫面進(jìn)行各子系統(tǒng)的直觀管理調(diào)用，對(duì)異常突發(fā)事件的應(yīng)急調(diào)度指揮效率低。

實(shí)際應(yīng)用功能介紹

通過引入AR全景視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中主要實(shí)現(xiàn)了機(jī)坪資源整合、實(shí)時(shí)指揮、應(yīng)急調(diào)度三大功能，對(duì)機(jī)坪管制的日常工作發(fā)揮了極其重要的作用。具體如下：

機(jī)坪資源整合：該系統(tǒng)通過拼接橫向和縱向上多路高清攝像頭，將其融合成無縫、無畸變、無色度差異的寬場(chǎng)景視頻，管制員可以在盡可能寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行全局監(jiān)視，并且能夠清晰辨認(rèn)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的航空器、車輛及人員，這樣管制員就能更全面的掌握地面各個(gè)部門的保障情況，比如拖車是否掛上、艙門是否關(guān)閉、引導(dǎo)車是否到位等，管制員可以根據(jù)這些整合的資源情況發(fā)布有效的管制指令。

實(shí)時(shí)指揮：管制員通過AR全景視頻系統(tǒng)可以全局把握地面交通情況，對(duì)地面滑行沖突作出較早的預(yù)判，隨時(shí)調(diào)整地面航空器交通流，確保地面交通安全高效。另外，該系統(tǒng)同時(shí)還具有全景實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理功能，支持強(qiáng)光抑制、夜視、霧透等功能，提高了畫面顯示的清晰度與舒適度，有效緩解了管制員夜間視覺疲勞。

應(yīng)急調(diào)度：該系統(tǒng)的球機(jī)聯(lián)動(dòng)功能支持對(duì)視頻中某細(xì)節(jié)進(jìn)行放大，通過左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)該位置的周圍進(jìn)行觀察，自動(dòng)追蹤功能支持對(duì)視頻中某個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，在需要應(yīng)急調(diào)度時(shí)，管制員可以對(duì)特定的區(qū)域或航空器、車輛及人員等移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)視，實(shí)時(shí)向應(yīng)急指揮中心通報(bào)現(xiàn)場(chǎng)保障情況。

除上述三大功能以外，AR全景視頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合功能對(duì)機(jī)坪運(yùn)行管理和指揮發(fā)揮了技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)與雷達(dá)或多點(diǎn)定位等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過視屏疊加掛牌的方式進(jìn)行航班信息的可視化增強(qiáng)顯示，便于管制員在全景視頻中直接讀取航班信息。另外該系統(tǒng)還可以將大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視頻流接入媒體服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)全景視頻的存儲(chǔ)與回放，便于管制員對(duì)特定事件進(jìn)行復(fù)盤和事后調(diào)查。

應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)

AR全景視頻系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，最難解決的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在如下方面：

高性能兼顧大場(chǎng)景和小細(xì)節(jié) 全景視頻需通過多個(gè)攝像頭組合成一體化的設(shè)計(jì)同時(shí)提供全景與特寫兼顧大場(chǎng)景與特征細(xì)節(jié)。因?yàn)橐谥聘唿c(diǎn)，機(jī)身需為全鋁輕量化金屬，散熱性能優(yōu)良，高精度CNC切割工藝確保拼接融合的準(zhǔn)確性和可靠性。球機(jī)具有高復(fù)雜度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，14核CPU多級(jí)級(jí)聯(lián)，保證了極強(qiáng)的運(yùn)算性能。模塊化設(shè)計(jì)理念，滿足用戶多樣化需求，可兼容更多定制化內(nèi)容。

多目拼接技術(shù) 多目全景視頻需將四個(gè)或者八個(gè)攝像頭按錐面排布，將獲取的八張圖片統(tǒng)一投影到同一個(gè)錐面上，在加以sift特征匹配，計(jì)算每個(gè)圖像需要移動(dòng)的矢量，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)匹配和無縫拼接。錐面拼接是柱面拼接的一種變形，相對(duì)于柱面拼接，增加了ptich和歐拉角的矯正，投影變換的復(fù)雜度顯著增加。同時(shí)為了保證圖像清晰度，圖像插值算法也需要改變，從而增加了圖像處理的難度。比如AR全景球采用多項(xiàng)專利技術(shù)同步曝光控制、圖像拼接處理，將多個(gè)圖像傳感器輸出的視頻畫面，無縫拼接融合成一幅完整的全景視頻畫面，拼接圖像之間無明顯的亮度、色彩上的差異，可以將4個(gè)或8個(gè)定點(diǎn)攝像機(jī)的視頻畫面拼接成180°或360°“沉浸式”全景畫面，細(xì)節(jié)跟蹤采用44倍大倍率定位球機(jī)，兼顧全景與細(xì)節(jié)，全景畫面與球機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)防聯(lián)動(dòng)和3D定位，檢測(cè)直徑240米范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體，同時(shí)檢測(cè)60個(gè)目標(biāo)，跟蹤切換時(shí)間小于1S。

多目全景+特寫聯(lián)動(dòng)全景跟蹤 AR全景視頻系統(tǒng)通過多目定點(diǎn)可拼接成180°或360°全景畫面，并配大倍率定位球機(jī)，既能實(shí)現(xiàn)大范圍全景監(jiān)控，又能特寫跟蹤，成為全景與細(xì)節(jié)兼顧的大場(chǎng)景全局監(jiān)控，需實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、動(dòng)點(diǎn)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，宏觀掌控全局，細(xì)節(jié)追蹤定位，在更大的視野間任意放大細(xì)節(jié)，球機(jī)特寫，并聯(lián)動(dòng)聲音、白光、激光警戒。既會(huì)對(duì)固定看守位進(jìn)行看護(hù)，全景通道檢測(cè)出異常闖入時(shí)，球機(jī)通道會(huì)通過白燈閃爍、語音提示、激光跟蹤對(duì)目標(biāo)進(jìn)行警示震懾和提醒。并實(shí)時(shí)反饋給指揮調(diào)度進(jìn)行干預(yù)處理。

AR全景視頻系統(tǒng)部署

AR全景視頻系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)部署時(shí)首先需考慮的是視頻點(diǎn)位的分布，必須做到機(jī)場(chǎng)全區(qū)域覆蓋，點(diǎn)位地址的選取要考慮建筑物的高度，視頻視角效果，設(shè)備支架高度不能超過機(jī)場(chǎng)凈空高度；其次，視頻點(diǎn)位的規(guī)劃要考慮機(jī)場(chǎng)施工區(qū)域的影響和新建機(jī)坪的施工進(jìn)度，點(diǎn)位的設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)和電源，機(jī)場(chǎng)施工可能會(huì)影響點(diǎn)位的啟用；第三，AR全景視頻系統(tǒng)的吊屏在機(jī)坪塔臺(tái)管制室安裝時(shí)要考慮與其他設(shè)備的影響，比如燈光照明系統(tǒng)、自動(dòng)遮陽簾等，避免出現(xiàn)屏幕反光或由于遮陽簾的升降觸碰到視頻接口造成的短時(shí)黑屏現(xiàn)象；最后，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)配備備份系統(tǒng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

結(jié)束語

近年來國(guó)內(nèi)外都在致力于研發(fā) “智慧塔臺(tái)”系統(tǒng)，這是科技進(jìn)步的必然趨勢(shì)。“智慧塔臺(tái)”需要基于云數(shù)據(jù)、人工智能、AR全景等多種高精尖技術(shù)的綜合應(yīng)用。對(duì)于機(jī)場(chǎng)而言，AR全景視頻系統(tǒng)的引入在保障機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全與效率，提升機(jī)場(chǎng)容量，增加機(jī)場(chǎng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益方面可以起到事半功倍的效果。另外，一些中小機(jī)場(chǎng)可以利用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程塔臺(tái)”以此解決邊遠(yuǎn)機(jī)場(chǎng)人員緊張的現(xiàn)狀。通過部署AR全景視頻系統(tǒng)可以逐步擺脫人工對(duì)實(shí)際外部環(huán)境的監(jiān)視，運(yùn)用視頻分析的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)視，成為“遠(yuǎn)程塔臺(tái)”的開發(fā)過程中極為重要的環(huán)節(jié)。