AIS軌跡動(dòng)態(tài)插值在實(shí)時(shí)視景顯示中的應(yīng)用

戴鵬睿

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南 昆明　650010）

AIS軌跡動(dòng)態(tài)插值在實(shí)時(shí)視景顯示中的應(yīng)用

戴鵬睿

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南 昆明650010）

在實(shí)時(shí)視景顯示中，為了使目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡平滑，針對(duì)傳統(tǒng)AIS線性插值的弊端，本文提出一種綜合考慮目標(biāo)的航速、航向等運(yùn)行信息的插值方法，該方法通過建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，形成該段時(shí)間內(nèi)符合視景顯示幀率插值的運(yùn)行軌跡。同時(shí)考慮AIS基站轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)接收等原因造成AIS丟包、相鄰AIS信息時(shí)間跨度較大，在上述的插值方法基礎(chǔ)上，還提出一種AIS未知點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法。最后本文利用實(shí)測(cè)AIS數(shù)據(jù)對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，表明該方法可以較為逼真地還原真實(shí)航行軌跡，并有效解決AIS信息跨度大的問題。

AIS信息；實(shí)時(shí)視景顯示；幀率；航行軌跡；插值

視景顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［1］的一種重要的表現(xiàn)形式，其利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、信息處理和顯示技術(shù)，依據(jù)實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)構(gòu)造出一個(gè)逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和想象（Imagination）的視景特性，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的充分交互。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）［2］是一種新型船舶廣播式的數(shù)字助航系統(tǒng)。配備AIS的船舶通過AIS設(shè)備基站和其他船舶的AIS設(shè)備進(jìn)行通訊，獲得本船及其他船只的位置、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息以及船舶MMSI編號(hào)、船名、船長、船寬等靜態(tài)信息。人眼在畫面幀率低于24幀時(shí)可以分辨出畫面遲鈍、目標(biāo)停頓、跳躍等運(yùn)動(dòng)不連續(xù)現(xiàn)象。在實(shí)時(shí)視景顯示中，為了得到逼真的模擬效果，減少目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“卡頓”感，需要將其運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)等屬性盡可能與真實(shí)情況保持一致，并根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)視景顯示的畫面刷新幀率進(jìn)目標(biāo)行運(yùn)動(dòng)屬性插值。而AIS設(shè)備是周期性發(fā)送接收船只運(yùn)動(dòng)信息，它會(huì)根據(jù)船只運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變自動(dòng)調(diào)整信息發(fā)送時(shí)間［3］。所以實(shí)時(shí)視景顯示接收到的AIS數(shù)據(jù)時(shí)間間隔是不定的，同時(shí)由于AIS基站轉(zhuǎn)發(fā)丟包或AIS數(shù)據(jù)接收丟幀等因素，造成了接收的數(shù)據(jù)間隔變大，影響實(shí)時(shí)視景顯示的效果。

文中針對(duì)接收的AIS數(shù)據(jù)不滿足視景顯示要求的問題，提出AIS數(shù)據(jù)滿足畫面幀率的動(dòng)態(tài)插值方法［4］，并對(duì)該方法處理過程中的問題展開論述。

1　視景顯示AIS數(shù)據(jù)插值方法

船只在水域航行，航行軌跡分為直線和曲線。運(yùn)行軌跡為直線和曲線的AIS，發(fā)送周期不同，如表1。利用AIS傳輸?shù)淖钚?個(gè)運(yùn)動(dòng)信息點(diǎn)A（Lata，Lona，Va，θa，Ta），B（Latb，Lonb，Vb，θb，Tb），C （Latc，Lonc，Vc，θc，Tc）（其中Lat是該船的緯度坐標(biāo)，Lon是該船的經(jīng)度坐標(biāo)，V是該船的速度信息，θ是該船的航向信息，T是該信息的發(fā)送時(shí)刻），通過建立運(yùn)動(dòng)軌跡模型，計(jì)算兩點(diǎn)間插值位置，或預(yù)測(cè)未知點(diǎn)位置即可得到船只目標(biāo)在每一個(gè)畫面幀時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)信息，以達(dá)到實(shí)時(shí)視景顯示的目的。

表1　 AIS發(fā)送周期

1.1船只運(yùn)動(dòng)軌跡模型

曲線擬合［5］是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系。由于本文中數(shù)據(jù)處理的對(duì)象為船只目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，而船只的運(yùn)動(dòng)軌跡是由離散的AIS數(shù)據(jù)信息組成，利用曲線擬合算法，可以有效的建立AIS數(shù)據(jù)與船只軌跡的數(shù)學(xué)模型，將離散的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理的目的。

將AIS信息的經(jīng)緯度坐標(biāo)通過UTM投影［6］轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)為A（Ya，Xa，Va，θa，Ta），B（Yb，Xb，Vb，θb，Tb），C（Yc，Xc，Vc，θc，Tc），利用曲線擬合算法選定點(diǎn)航向等條件判斷曲線擬合結(jié)果，并得到最后運(yùn)動(dòng)軌跡模型。具體建模方法流程如圖1所示。

圖1　船只運(yùn)動(dòng)軌跡建模流程圖

1.2當(dāng)前幀船只插值位置點(diǎn)計(jì)算

插值位置點(diǎn)計(jì)算方法根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡狀態(tài)分為近似直線軌跡與曲線軌跡兩種。我們利用船只目標(biāo)臨近的兩條AIS數(shù)據(jù)信息對(duì)船只的運(yùn)行軌跡進(jìn)行簡單判斷，由于AIS設(shè)備中船只航向的精度為1度，當(dāng)兩點(diǎn)的航向θ小于2度且終點(diǎn)的位置位于起點(diǎn)速度方向的直線運(yùn)行軌跡時(shí)，目標(biāo)做直線運(yùn)動(dòng)，否則為曲線運(yùn)動(dòng)。

1）運(yùn)動(dòng)軌跡為直線

由于AIS數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)理——船只在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化越快時(shí)，AIS數(shù)據(jù)發(fā)送越頻繁。因此船只在近似直線航行時(shí)，兩條AIS數(shù)據(jù)之間的速度變化均視為勻變速運(yùn)動(dòng)，加速度a∈（-∞，+∞）（由于水中阻力以及自身質(zhì)量的原因，在正常航行情況下加速度的絕對(duì)值都很小，范圍約在［-1，1］）。如圖2所示，A點(diǎn)和B點(diǎn)為兩條相鄰的AIS信息，A點(diǎn)和B點(diǎn)的航向θ幾乎一致且B點(diǎn)的位置位于A點(diǎn)速度方向直線運(yùn)行軌跡，因此判斷船只做近似直線運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)加速度計(jì)算公式，得到A點(diǎn)與B點(diǎn)間的加速度為：

將加速度a在X軸和Y軸進(jìn)行分解，分別得到X軸和Y軸的加速度分量分別為：

由于需在畫面刷新幀插值的時(shí)刻Ti已知，因此可以利用距離計(jì)算公式：

圖2　船只直線運(yùn)動(dòng)圖

結(jié)合公式（1）（2）（3）的計(jì)算結(jié)果，得到該時(shí)刻船只目標(biāo)的運(yùn)行坐標(biāo)：

得到Ti時(shí)刻坐標(biāo)后，將UTM投影坐標(biāo)（Xi，Yi），轉(zhuǎn)換為大地經(jīng)緯坐標(biāo)即可。

2）運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線

當(dāng)連續(xù)兩個(gè)AIS數(shù)據(jù)中航向差大于2度，或航向差小于2度但終點(diǎn)不在起點(diǎn)的速度方向的直線運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，判斷該船只的運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線，如圖3所示。利用1.1節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡建模方法，得到曲線擬合結(jié)果即該船只的運(yùn)動(dòng)軌跡y=f（x）。與直線同理，船只在軌跡y=f（x）中，兩條AIS數(shù)據(jù)間運(yùn)動(dòng)方向一直在變，但運(yùn)動(dòng)速率是均視為勻變速。

則有A點(diǎn)與B點(diǎn)間速率的變化率為：

利用運(yùn)動(dòng)軌跡切線斜率方程：

可以得到運(yùn)動(dòng)方向與船只目標(biāo)X軸方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

圖3　船只曲線運(yùn)動(dòng)圖

根據(jù)公式（5）（6）（7）（8）可得到X軸方向速率變化率為：

得到X軸方向速率變化率后，可以計(jì)算對(duì)應(yīng)X軸的點(diǎn)的速率：

結(jié)合公式（9）（10）得到運(yùn)行時(shí)刻與運(yùn)行軌跡 y=f（x）中x的關(guān)系：

當(dāng)確定插值時(shí)刻后聯(lián)立公式 （11）與船只目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡y=f（x）可以解得以UTM投影表示的插值坐標(biāo)（Xi，Yi），轉(zhuǎn)換為大地經(jīng)緯坐標(biāo)即可。

1.3未知位置點(diǎn)船只位置計(jì)算方法

上述算法的運(yùn)動(dòng)軌跡插值，都需要船只目標(biāo)的已知起止點(diǎn)AIS信息。當(dāng)目標(biāo)已運(yùn)動(dòng)到最后收到的一條AIS數(shù)據(jù)，且下一條AIS數(shù)據(jù)未收到時(shí)，按照上述算法，無法對(duì)船只位置繼續(xù)進(jìn)行插值計(jì)算，將導(dǎo)致船只目標(biāo)在實(shí)時(shí)視景顯示中出現(xiàn)不存在的停頓。為不使顯示畫面停滯，影響顯示效果，需要對(duì)船只目標(biāo)未知運(yùn)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如圖4所示，由于終點(diǎn)AIS數(shù)據(jù)未知，沒有終點(diǎn)速度等信息，船只目標(biāo)在視景顯示中插值位置點(diǎn)的信息僅由起點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)屬性決定，船只的運(yùn)動(dòng)方式為以起點(diǎn)A時(shí)的速度為初始速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

圖4　未知點(diǎn)預(yù)測(cè)示意圖

根據(jù)勻速直線運(yùn)動(dòng)公式和插值點(diǎn)時(shí)刻Ti有：

式中Va、θa、Ta為起點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)屬性信息，Xi、Yi、Ti為時(shí)刻的插值位置信息。

2　數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證上述算法的有效性，本文采用實(shí)測(cè)AIS數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)選取的船只 MMSI（Maritime Mobile Service Identity）號(hào)：636009882，船名：HUAYUE，時(shí)間：2015年1月13日08：35：04至2015年1月13日10：35：21期間在渤海水域航行的AIS數(shù)據(jù)，共811條。圖5為船只AIS數(shù)據(jù)航跡圖，航行方向是自低緯度向高緯度。

圖5　AIS數(shù)據(jù)航跡圖

選取圖5中3個(gè)點(diǎn)A、B、C作為建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，其中A點(diǎn)AIS信息為 （119.2495°，39.1166°，3.2 kn，41°），B點(diǎn)AIS信息為（119.2502°，39.1189°，9.3kn，309°），C點(diǎn)AIS信息為（119.2474°，39.1200°，10.6 kn，276°），A點(diǎn)與B點(diǎn)時(shí)間間隔64 s，B點(diǎn)與C點(diǎn)時(shí)間間隔51 s。利用當(dāng)前幀船只插值位置點(diǎn)曲線軌跡計(jì)算方法得到插值結(jié)果，如圖6。

圖6　運(yùn)動(dòng)軌跡模型建立及曲線插值結(jié)果圖

圖6中方點(diǎn)為真實(shí)AIS數(shù)據(jù)，實(shí)線為建立的航行軌跡模型以及插值數(shù)據(jù)的連線。由圖6可以看出，雖然通過曲線擬合建模得到的航行軌跡航?jīng)]有與真實(shí)軌跡完全吻合，但是運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及運(yùn)動(dòng)方向基本一致，滿足曲線插值要求。

選取圖5中C、D兩點(diǎn)作為直線運(yùn)動(dòng)起止點(diǎn)，其中C點(diǎn)AIS信息為 （119.2474°，39.1200°，10.6 kn，276°），D點(diǎn)的AIS信息為 （119.22834°，39.12302°，11.5 kn，275°），C點(diǎn)與D點(diǎn)的時(shí)間間隔為290 s。利用當(dāng)前幀船只插值位置點(diǎn)近似直線軌跡計(jì)算方法得到插值結(jié)果，如圖7。

圖7　直線插值結(jié)果圖

由圖7可看出，在近似直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，插值軌跡與真實(shí)軌跡幾乎一致，滿足直線插值要求。

在盡可能還原真實(shí)船只目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)上，對(duì)于目標(biāo)軌跡插值頻率也滿足了實(shí)時(shí)視景顯示畫面刷新頻率要求，達(dá)到了沉浸、交互等特點(diǎn)。該算法應(yīng)用于某實(shí)時(shí)視景顯示軟件中，驗(yàn)證了算法性能，滿足軟件實(shí)時(shí)視景顯示的需要。圖8為軟件運(yùn)行圖。

圖8　實(shí)時(shí)視景顯示軟件運(yùn)行圖

3　結(jié)束語

針對(duì)實(shí)時(shí)視景顯示需要對(duì)每一個(gè)幀畫面進(jìn)行船只目標(biāo)AIS數(shù)據(jù)插值的情況，本文提出一種綜合航行軌跡、船只運(yùn)動(dòng)屬性等信息的動(dòng)態(tài)插值方法和未知點(diǎn)的位置預(yù)測(cè)方法。方法充分利用船只AIS已知信息，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算插值時(shí)刻目標(biāo)的位置。采用該方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)后表明，該算法能夠較真實(shí)的還原目標(biāo)軌跡，滿足實(shí)時(shí)視景顯示要求，為實(shí)時(shí)視景顯示運(yùn)動(dòng)軌跡插值提供一個(gè)可靠方法。

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Application of AIS trajectory dynamic interpolation in real-time visual display

DAI Peng-rui
（Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center，Kunming 650010，China）

In the real-time visual display，because of the shortage of traditional AIS linear interpolation，in order to make the target trajectory smoothing，this paper gives a interpolation method which consider the speed，course and other movement information of the target.This method can give the target trajectory which match the rate of the view display during the interpolation period through building movement model of the target.At the same time there are some reasons make AIS information missing and adjacent AIS information spanning large time，such as the problem of AIS station transmit，the problem of data receive and some other reason.Base on above-mentioned interpolation method，this paper also gives a method to predict the unknown AIS information.In the end this paper prove the method by real AIS information test.The test shows that the method can give the more real trajectory of the target and solve the problem of the AIS information spanning large time effectively.

AIS information；real-time visual display；refresh rate；trajectory；interpolation

TN919.5

A

1674-6236（2016）14-0172-04

2015-08-20稿件編號(hào)：201508107

戴鵬睿（1988—），男，云南昆明人，碩士，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理、視景仿真。