基于全景技術的隧道工程遠程會議系統(tǒng)研究*

周 永，馬軍旗，張志增，程梨明，李 芳，柳志丹，陳軍程

（1.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 652600）

引言

近年來，基于計算機技術發(fā)展起來的全景監(jiān)控技術和遠程會議系統(tǒng)已被廣泛應用于地下工程領域[1]，并極大促進了地下工程的發(fā)展。目前，已有許多工作人員對全景監(jiān)控技術和遠程會議系統(tǒng)做了大量研究，其中張茂軍等人提出了一種在虛擬空間會議系統(tǒng)中構造虛擬會議空間模型的方法[2]；齊越等人提出了一種虛擬空間會議系統(tǒng)的視覺合成方案，使與會者以替身的形式出現(xiàn)在虛擬空間中，進而實現(xiàn)了與會者的“面對面”交流[3]；李凌等人提出了一種基于感知控制的虛擬空間會議系統(tǒng)的視頻傳輸方案，提高了虛擬會議系統(tǒng)中視頻流傳輸效率[4]；孫立峰等人通過構造出支持參會人彼此間能相互交流的虛擬交互環(huán)境，實現(xiàn)了多視點虛擬會議的顯示與合成[5]；陳超等人通過對語音識別技術、實時翻譯技術以及語音朗誦技術的結合應用，構建出了用于煤礦虛擬現(xiàn)實遠程會議實時翻譯的應用[6]；茍玉清提出了一種能夠融合電視轉播車信號調(diào)度靈活和遠程會議系統(tǒng)傳輸便捷特點的技術方案，使復雜的異地互傳信號變得簡潔高效[7]；董長富等人給出了一種基于虛擬現(xiàn)實的音視頻設備三維放置模擬訓練系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)音視頻設備部署訓練手段匱乏的問題[8]；陳文龍等人通過運用無人機全景技術和計算機網(wǎng)絡技術，構建了一個三維全景現(xiàn)場監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了無人機全景技術在現(xiàn)場監(jiān)測中的應用[9]；馬勇等人通過通信網(wǎng)絡在云服務器上部署隧道通信程序，實現(xiàn)了基于云服務器的變電站啟動調(diào)試全景監(jiān)控系統(tǒng)[10]；申偉光通過對全景技術和3DGIS技術融合后應用于煤礦巷道的基本理論和應用場景進行分析，對基于3DGIS的煤礦巷道全景技術有了初步了解[11]。縱觀已有研究，全景監(jiān)控技術和遠程會議系統(tǒng)在隧道工程中的應用還是獨立開展的，尚未有將兩者有機結合和綜合應用的研究報道。

本文通過對全景監(jiān)控技術和遠程會議系統(tǒng)各自的優(yōu)勢進行分析，結合隧道工程實例，從優(yōu)勢互補的角度探討全景監(jiān)控技術與遠程會議系統(tǒng)綜合運用的效果。

1 三維全景監(jiān)控技術

三維全景監(jiān)控技術是以全景信息采集技術為核心，結合計算機技術和網(wǎng)絡傳輸技術，通過在空間中的一點連續(xù)采集鏡頭范圍內(nèi)的圖形，經(jīng)過處理后合成該視點的無縫隙全景圖像，最終利用全景監(jiān)控顯示界面實現(xiàn)全景監(jiān)控場景的任意視點展示[9]。

全景信息的采集是通過全景信息采集器對監(jiān)控現(xiàn)場進行影像數(shù)據(jù)采集，常見的采集方式有：（1）通過全景攝像頭直接采集全景信息；（2）利用普通相機連續(xù)重合拍攝照片，后期通過人工拼接合成全景圖像[12]。本研究選用魚眼鏡頭及相關設備作為全景信息采集器。

全景監(jiān)控視頻的網(wǎng)絡傳輸包括有線網(wǎng)絡傳輸和無線網(wǎng)絡傳輸兩種方式，有線網(wǎng)絡傳輸?shù)墓ぷ髟硎峭ㄟ^網(wǎng)線將監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭與外界的主機連接，從而將采集到的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控顯示器上，無線網(wǎng)絡傳輸則通過無線信號中繼子系統(tǒng)、無線網(wǎng)橋、交換機等將采集到的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控顯示器上。相比于有線網(wǎng)絡傳輸，無線網(wǎng)絡傳輸具有以下優(yōu)勢：（1）綜合成本低，性能穩(wěn)定。采用有線網(wǎng)絡傳輸常受環(huán)境的影響，在面對復雜的地理環(huán)境時，有線網(wǎng)絡的布設施工周期長、施工不便且無法完成布設的概率較大，而無線網(wǎng)絡傳輸可以擺脫線纜的束縛，安裝快捷、維護方便[13]；（2）組網(wǎng)靈活，可擴展性好。工作人員可隨時將新設監(jiān)控點加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡中，實現(xiàn)了即插即用的可能性[14]。由于隧道內(nèi)部環(huán)境復雜且大型器械頻繁施工作業(yè)，布設網(wǎng)線不僅影響施工作業(yè)，還容易損壞，進而影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作，所以本研究在網(wǎng)絡傳輸方面采用無線網(wǎng)絡傳輸。

三維全景視頻監(jiān)控的工作原理是將靜態(tài)的圖片轉化為動態(tài)的視頻圖像，從而使其不僅具有景深、動態(tài)圖像、聲音等包羅萬象的因素，還具備聲畫對位、聲畫同步的功能。相比實際工程中普通視頻監(jiān)控視角單一、效率低、對施工管控作用小、信息缺失等的問題，三維全景視頻監(jiān)控基于全景監(jiān)控攝像、實時視頻和圖片傳輸?shù)燃夹g進行集成，實現(xiàn)多視角全方位監(jiān)控，對隧道施工關鍵部位、關鍵行為適時有效監(jiān)控。用戶可通過左右360°和上下180°全方位視角任意觀看監(jiān)控場景，從而產(chǎn)生身臨其境之感。

全景監(jiān)控系統(tǒng)早期常作為全景行車可視輔助系統(tǒng)用于汽車領域，隨著計算機技術的快速發(fā)展，相關硬件及軟件技術的不斷增強以及成本的不斷降低，全景監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被應用于各個行業(yè)。近年來全景監(jiān)控系統(tǒng)在地下工程領域的應用也得到了大力發(fā)展。

目前，全景監(jiān)控系統(tǒng)在隧道工程中的用途有以下幾個方面：（1）實現(xiàn)各級主管對隧道現(xiàn)場的及時掌控；（2）項目負責人可隨時隨地掌控不同現(xiàn)場的施工進度；（3）方便領導視察，無需進入施工現(xiàn)場，即可了解隧道現(xiàn)場的全部情況；（4）全面提升地下工程的管控指揮、風險辨識及迅時響應水平等。

但是目前的全景監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)遠程多屏監(jiān)控，并不能實現(xiàn)多區(qū)域同屏會議交流，這恰好是遠程會議系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2 遠程會議系統(tǒng)

遠程會議系統(tǒng)是指至少有兩個距離較遠的用戶通過多媒體設備和網(wǎng)絡線路實時傳送各終端之間的圖像、語音及文件等的現(xiàn)代化辦公會議系統(tǒng)[15]。其源自于1964年Bell實驗室最早研制出的可視電話，其隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展也經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，僅網(wǎng)絡介質便已從最初的公共交換電話網(wǎng)絡發(fā)展到現(xiàn)如今的互聯(lián)網(wǎng)[16]。

遠程會議系統(tǒng)分為電話會議系統(tǒng)、網(wǎng)絡會議系統(tǒng)以及視頻會議系統(tǒng)三類，其中電話會議系統(tǒng)主要通過多方互聯(lián)的方式把會議主控人與分散多地的與會者組織在一起，然后通過電話進行多人異地會議交流；網(wǎng)絡會議系統(tǒng)主要用于協(xié)同辦公，具有數(shù)據(jù)共享、面對面交流等功能；而視頻會議系統(tǒng)主要通過聲音、影像以及資料的互傳，實現(xiàn)異地溝通交流的目的。本研究主要通過網(wǎng)絡會議系統(tǒng)進行探討。

目前市面上的遠程會議系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，國外也正在研發(fā)和虛擬現(xiàn)實技術相結合的新型辦公會議系統(tǒng)。遠程會議系統(tǒng)憑借實時互動、多點交流、資源共享及簡單可靠的特點，不僅可以加快企業(yè)內(nèi)部對各項工作的決策和傳達，還能降低用戶成本，提高用戶溝通管理效率[17]?，F(xiàn)已被廣泛應用于醫(yī)療、教育、金融、科技以及電信等領域[18]。

現(xiàn)階段，遠程會議系統(tǒng)在隧道工程方面的應用，仍然是常規(guī)的室內(nèi)會議交流，在探討施工現(xiàn)場問題時，主要通過將二維照片和視頻傳輸?shù)綍h各終端，然后進行網(wǎng)頁共享、電子白板同步交流。由于二維照片和視頻的局限性，常致使現(xiàn)場還原模糊，與會者不能直觀了解施工現(xiàn)場，進而影響到會議的效果，而這恰好是全景監(jiān)控技術的優(yōu)勢。

3 全景監(jiān)控技術與遠程會議系統(tǒng)的優(yōu)勢互補

隧道工程屬于地下建筑工程，具有隱蔽性強、施工環(huán)境惡劣的特性，在其施工過程中常存在較大的安全隱患，不適宜大量人員隨時進出施工現(xiàn)場，但由于其施工工藝流程復雜，在施工過程中常遇到各類施工技術難題，需要技術人員隨時指導以及各級主管人員的隨時巡視。而全景監(jiān)控技術完美的解決了這一問題，全景監(jiān)控系統(tǒng)具有360°無死角監(jiān)控及實時視頻傳輸?shù)墓δ?，技術人員及各級主管人員可通過全景監(jiān)控界面清楚了解施工現(xiàn)場實況，進而做出相應的指導和指揮工作，避免了長期滯留在隧道現(xiàn)場的情況，為工作人員的安全做出了極大的保障。但全景監(jiān)控系統(tǒng)僅支持多終端瀏覽并不能進行信息交流，在遇到突發(fā)事件及特大技術難題時，仍需多名相關專家通過視頻會議或從全國各地趕至工程現(xiàn)場，對工程現(xiàn)場勘察后給出解決方案。

在多方異地音頻交流方面，遠程會議系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢，文件傳輸、面對面交流、同步網(wǎng)頁及電子白板書寫早已成為可能，但遠程會議系統(tǒng)目前多支持室內(nèi)辦公室會議，在隧道工程會議中還未能實現(xiàn)與會者多人同步觀察施工現(xiàn)場場景的功能，大多依托于二維圖片及視頻進行分析交流，在此過程中常存在缺少感性認識、溝通效率低下等問題。

在隧道施工現(xiàn)場全景信息顯示方面，遠程會議系統(tǒng)不能實現(xiàn)多人異地同時觀察隧道現(xiàn)場信息；在音頻交流方面，全景監(jiān)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)各終端之間的音頻、數(shù)據(jù)交流。因此，在隧道工程中實現(xiàn)全景監(jiān)控技術與遠程會議系統(tǒng)在技術上的耦合，將極大的推發(fā)動隧道工程在智慧地下工程方面的發(fā)展[19]。

遠程會議系統(tǒng)作為一個綜合性的信息交流平臺，可將全景信息采集器采集到的相關信息進行集成整合，然后實現(xiàn)異地展示交流。將全景監(jiān)控技術融合到遠程會議系統(tǒng)之中，既增強了全景監(jiān)控技術的影像展示功能，又使遠程會議系統(tǒng)的音頻信息交流功能得到了充分利用。

4 工程應用實例

以某在建隧道工程為例，在隧道施工現(xiàn)場按要求定點布設全景信息采集器，然后根據(jù)隧道內(nèi)部實際情況布設相應的中繼點，最終全景監(jiān)控系統(tǒng)通過無線網(wǎng)橋將全景信息器采集到的全景信息傳輸?shù)浇粨Q機，再通過交換機將全景信息傳輸?shù)巾椖坎康谋O(jiān)控主機中，流程如圖1所示。

為實現(xiàn)隧道工程的全景遠程會議交流，需將會議系統(tǒng)位于項目部終端的影像獲取端口轉換為全景監(jiān)控系統(tǒng)的全景信息輸出端口，主要是通過項目部的會議主控人在發(fā)起遠程會議之前將隧道全景監(jiān)控記錄文件夾設置為遠程會議系統(tǒng)影像采集的的默認文件來實現(xiàn)，在網(wǎng)絡會議接通后，隧道施工現(xiàn)場的全景信息便通過遠程會議系統(tǒng)的音頻服務器傳輸?shù)狡渌麜h終端，系統(tǒng)構架如圖2所示。

圖1 全景監(jiān)控信息網(wǎng)絡傳輸流程圖

圖2 系統(tǒng)構架示意圖

前期的技術耦合工作完成后，即可實現(xiàn)基于全景監(jiān)控技術的隧道工程遠程會議交流。在會議發(fā)起前，會議主控人需通過其他信息交流軟件通知參會人員本次會議采用的會議軟件及會議召開時間；開會時，位于項目部的會議主控人通過虛擬現(xiàn)實會議軟件邀請分散在全國各地的會議參與人參加會議；會議接通后，會議主控人的顯示界面在其他各會議終端顯示為隧道現(xiàn)場場景，其他會議終端用戶可選擇該界面為顯示屏主界面，佩戴上虛擬現(xiàn)實遠程會議系統(tǒng)配套的VR頭盔、眼鏡等即可身臨其境的感受隧道現(xiàn)場場景并進行相應的會議探討和交流。而會議主控人在會議中可根據(jù)各終端用戶的需求，通過監(jiān)控主機上的監(jiān)控指令來切換和調(diào)整界面中的隧道場景，從而實現(xiàn)隧道施工現(xiàn)場在會議中的無死角展示，遠程會議交流過程中各終端的顯示界面如圖3所示。

基于全景監(jiān)控技術的隧道工程遠程會議系統(tǒng)具有以下幾個方面的功能：（1）在工程方面，在隧道施工遇到技術難題時，可及時召開專家組遠程會議，專家們在各終端即可身臨其境的觀察隧道現(xiàn)場情況并進行有效的信息交流，便于各方人員在短時間內(nèi)詳細了解工程現(xiàn)狀并商討解決方案；（2）在工程管理方面，管理人員及公司高層無需親臨現(xiàn)場，可通過召開基于全景監(jiān)控技術的隧道工程遠程會議，在會議終端直接觀察工程現(xiàn)場全景、了解施工進度，根據(jù)施工情況和進度及時對下級人員做出下一步的工作安排，進而減少管理人員往返于現(xiàn)場的時間，提高工作效率。（3）在教學方面，解決了學校不能大規(guī)模組織學生去隧道現(xiàn)場調(diào)研實習的難題，學校可通過基于全景監(jiān)控技術的隧道工程遠程會議系統(tǒng)開展現(xiàn)場教學，使老師和學生無需到達隧道現(xiàn)場也能身臨其境的感受隧道施工場景。校外導師可通過系統(tǒng)對學生直接開展工程現(xiàn)場教學分析，一方面，為師生的人身安全提供了保障，另一方面，使學生們脫離了書本上的死知識，達到直接認知的效果，從而使得教學效果更為顯著。

圖3 遠程會議信息交流終端界面顯示圖

5 結束語

全景監(jiān)控技術與遠程會議系統(tǒng)在地下工程領域均已廣泛應用。全景監(jiān)控技術具有全景影像實時傳輸、遠程多屏同步觀看等優(yōu)勢，遠程會議系統(tǒng)可提供遠程異地音頻交流、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)頁同步等功能，將全景監(jiān)控技術與遠程會議系統(tǒng)耦合后應用于隧道工程之中，使兩者的優(yōu)勢互補，不僅解決了普通遠程會議由于其二維照片和視頻的局限性，致使現(xiàn)場還原模糊，與會者不能直觀了解工程現(xiàn)場，進而影響商討方案時長和準確性的問題，也解決了全景監(jiān)控系統(tǒng)無法多終端音頻交流的問題，進而極大推動智慧地下工程的發(fā)展。