大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設(shè)計(jì)

梁黎，王勇

(1.武漢華夏理工學(xué)院,湖北 武漢 430223；2.桂林電子科技大學(xué),廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合多源數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)進(jìn)行大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制，基于視覺圖像特征分析技術(shù)，采用海洋船舶航線的動(dòng)態(tài)交互控制的方法，建立大型船舶電子海圖顯示界面視覺分析模型，通過空間指向性的交互控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)船舶電子海圖的多波束數(shù)據(jù)全覆蓋模型，通過數(shù)據(jù)融合和分塊特征檢測(cè)，提高對(duì)船舶電子海圖的全覆蓋信息交互能力。研究大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高船舶的導(dǎo)航和控制能力具有重要意義。電子海圖的視覺交互模型研究受到極大重視[1]。對(duì)大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設(shè)計(jì)建立在對(duì)電子海圖的動(dòng)態(tài)視覺信息特征交互基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)格化的船舶航行線路特征分析，結(jié)合定位系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶電子海圖的動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)[2]。本文提出基于多線程視覺調(diào)度的大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設(shè)計(jì)方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

1 電子海圖數(shù)據(jù)視覺交互總體設(shè)計(jì)

建立大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互的數(shù)據(jù)采集模型，通過對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)檢測(cè)和航線狀態(tài)特征分析，采用動(dòng)態(tài)指標(biāo)參數(shù)分析方法，構(gòu)建電子海圖顯示的總體特征分析模型，結(jié)合狀態(tài)等級(jí)擴(kuò)展參數(shù)融合和視覺圖像分析的方法，構(gòu)建電子海圖的視覺圖像分析模型，通過視覺特征重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制[3]，總體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of visual interaction for electronic chart display interface of large ships

根據(jù)圖1 的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互界面分為程序加載模塊、人機(jī)交互模塊、圖像處理模塊和接口訪問模塊等[4]，功能結(jié)構(gòu)模塊分布如圖2 所示。

圖2 大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互功能結(jié)構(gòu)模塊Fig.2 Structure module of visual interaction function for electronic chart display interface of large ships

2 電子海圖數(shù)據(jù)分析和視覺圖像分析

2.1 電子海圖數(shù)據(jù)檢測(cè)

構(gòu)建大型船舶電子海圖顯示界面視覺指標(biāo)數(shù)據(jù)分析模型，結(jié)合采樣點(diǎn)綜合點(diǎn)序與地形形態(tài)綜合尺度特征分析方法，采用多波束水深數(shù)據(jù)構(gòu)造的方法，得到綜合點(diǎn)序的嚴(yán)密分布正交基[5]，通過電子海圖顯示的次特征總分布，得到海圖特征點(diǎn)的正相關(guān)性分布特征值Rm(r,i)：

其中：N(i)為電子海圖地形特征定量評(píng)價(jià)指標(biāo)分配參數(shù)；N為海底溝壑經(jīng)緯度；m為山脊點(diǎn)數(shù)；τ為權(quán)重賦值修正參數(shù)。

求得大型船舶電子海圖顯示的動(dòng)態(tài)特征點(diǎn)，利用地形特征評(píng)價(jià)指標(biāo)分析方法，得到電子海圖的地形特征分布計(jì)算式為：

其中：A為采樣點(diǎn)多重特征判定序列；Vm(r)為復(fù)雜地形中部分相對(duì)平臺(tái)地形的相對(duì)權(quán)重。

求出大型船舶電子海圖顯示界面視覺指標(biāo)信息熵分布的平均值：

根據(jù)地形特征評(píng)價(jià)指標(biāo)與其地形特征表達(dá)特征序列分布長(zhǎng)度，得到N是一定的。此時(shí)投影平面上的大橢圓線參數(shù)補(bǔ)償模型定義為：

其中：AHF為橢圓航線方程的引導(dǎo)因子；Ad(Ci)為高斯投影平面上大橢圓線；V(Ami)為求得的等量緯度線。

通過航線平面坐標(biāo)的一階、二階參數(shù)設(shè)定，得到橢球面與地心緯度球面切點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)方程為：

式中：Mi(Ci)為類Ci的日晷投影平面上大橢圓航線補(bǔ)償方法數(shù)；Ma(Ci)為類Ci中高緯度地區(qū)的變形補(bǔ)償方法數(shù)。

由此實(shí)現(xiàn)對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)檢測(cè)，通過對(duì)大橢圓航線進(jìn)行分段處理，結(jié)合視覺信息交互控制，進(jìn)行航線量測(cè)控制。

2.2 大型船舶電子海圖顯示視覺特征匹配

采用亞像素級(jí)特征匹配方法實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺圖像色彩融合濾波處理，建立視覺特征匹配模型；采用動(dòng)態(tài)模板匹配的方法，建立大型船舶電子海圖顯示視覺空間參數(shù)融合模型。通過視覺圖像色彩特征參數(shù)分析，提取視覺圖像色彩的光譜信息，得到視覺融合的亞像素分布：

式中：A為覺圖像色彩分布特征在x方向的像素值；t(x)為主成分背景子空間變換參數(shù)；J(x)為視覺圖像色彩主成分特征量；J(x)t(x)為動(dòng)態(tài)分配聯(lián)合特征量。

根據(jù)顯示色差補(bǔ)償?shù)娘柡投确治觯M(jìn)行色彩對(duì)比度分析，得到電子海圖顯示視覺圖像的色彩多層級(jí)特征分布集為：

其中：J(w,e)為視覺圖像的色彩動(dòng)態(tài)分布；ai為背景子空間交換特征量；w為視覺匹配系數(shù)；φ(xi)為先驗(yàn)?zāi)０迤ヅ浼?；b為視覺圖像的幀偏差；ei為視覺圖像的紋理分布特征量；yi為調(diào)整伽馬值生成的原圖[6]。

采用場(chǎng)景變化方法自適應(yīng)跟蹤電子海圖顯示視覺背景分量，得到動(dòng)態(tài)孤立像素點(diǎn)集為X={x1,x2,···,xn}，提取大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的空間域視覺特征分量，采用直覺模糊集匹配，得到大型船舶電子海圖顯示幀差與背景之間的差異度匹配集Ei,j=〈e1,e2,···,em〉，其中ei∈{1,0}。由此，分析明亮區(qū)域的特征信息，通過對(duì)動(dòng)態(tài)信息交互，進(jìn)行電子海圖數(shù)據(jù)檢測(cè)，結(jié)合視覺信息交互控制，進(jìn)行大型船舶電子海圖顯示視覺現(xiàn)實(shí)和航線量測(cè)控制。

2.3 電子海圖現(xiàn)實(shí)的視覺特征提取

采用三維立體的虛擬海洋場(chǎng)景設(shè)計(jì)方法，結(jié)合多線程視覺空間調(diào)度，構(gòu)建電子海圖現(xiàn)實(shí)的視覺特征提取模型，得到投影海圖上量測(cè)和換算模型，表達(dá)式如下：

式中：Ai(Ci)為高分辨率水深網(wǎng)格與基礎(chǔ)水深網(wǎng)格的補(bǔ)償模型參數(shù)；Aa(Ci)為多分辨率網(wǎng)格間的邊緣特征量；Ci為多分辨學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)分配屬性特征；Ad(Ci)為濾波后的低分辨率網(wǎng)格重采樣系數(shù)。

根據(jù)對(duì)電子海圖顯示的視覺特征提取，結(jié)合嵌入式的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互界面控制的軟件模型。

在直方圖界面中通過區(qū)域亮度增強(qiáng)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩均衡處理，采用場(chǎng)景交互方法，得到大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩幀間殘差檢測(cè)模型，用四元組表示大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩的二階差分圖。其中，Ei，Ej是大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的Graph-Cut 分割特征量和紋理實(shí)體集。

基于模糊度匹配，得到大型船舶電子海圖顯示視覺融合的光流映射，表示為：

式中：xir為視覺圖像顯示的前景屬性；為電子海圖顯示的后景相似性特征值；Airp為邊緣融合像素點(diǎn)；K1為大電子海圖顯示的模糊子空間；t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)；r為顯示視覺的顏色差分分類特征值；p為電子海圖現(xiàn)實(shí)的對(duì)比度提升參數(shù)。

構(gòu)建電子海圖顯示的視覺動(dòng)態(tài)自相關(guān)特征分量：

式中：n為大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩的空間分塊數(shù)；Fi(v)為大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的源光照強(qiáng)度。

利用數(shù)據(jù)幾何約束方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型船舶電子海圖顯示視覺跟蹤和模板匹配。

3 船舶電子海圖顯示界面視覺交互軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)

在控制算法和總體結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)庫(kù)模型。采用多源數(shù)據(jù)分析方法構(gòu)建信息處理頻譜分析模型；采用DLL 庫(kù)及AQL 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建系統(tǒng)的服務(wù)器端和人機(jī)交互終端；采用client 中斷控制方法，實(shí)現(xiàn)終端交互設(shè)計(jì)。船舶電子海圖顯示界面的管理模塊具備用戶管理、電子海圖操作系統(tǒng)管理、航行日志管理、電子海圖的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控、字典管理、電子海圖動(dòng)態(tài)交互的菜單管理等功能，軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 電子海圖軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Development and implementation process of electronic chart software

4 性能測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制中的應(yīng)用性能，采用專業(yè)視景仿真軟件Vega Prime 進(jìn)行電子海圖視景交互的仿真端設(shè)計(jì)，建立Ocean 和Marine Effects 實(shí)例，海圖的最高回放更新率1 MSa/s，電子海圖的垂直精度設(shè)置為12 位。設(shè)置對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)采集的采樣率為50 kHz，交互通道為12 個(gè)通道，得到艦船電子海圖動(dòng)態(tài)分布的坐標(biāo)點(diǎn)見表1。

表1 艦船電子海圖動(dòng)態(tài)分布的坐標(biāo)點(diǎn)Tab.1 Coordinate points for dynamic distribution of ship electronic charts

根據(jù)表1 的坐標(biāo)測(cè)繪結(jié)果，得到2 組場(chǎng)景下的船舶航線測(cè)繪數(shù)據(jù)。

2 組場(chǎng)景下的船舶航線測(cè)繪數(shù)據(jù)為輸入，進(jìn)行電子海圖繪制，得到電子海圖顯示視覺交互輸出如圖4所示。分析可知，本文方法能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)大型船舶電子海圖繪制和顯示。

圖4 電子海圖顯示視覺交互輸出Fig.4 XXXXXX

海圖視覺交互現(xiàn)實(shí)匹配度對(duì)比結(jié)果見表2。分析可知，本文方法進(jìn)行大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互的匹配度較高。

表2 匹配性能對(duì)比Tab.2 Matching performance comparison.

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)艦船電子海圖的多波束數(shù)據(jù)全覆蓋模型，通過數(shù)據(jù)融合和分塊特征檢測(cè)，提高對(duì)艦船電子海圖的全覆蓋信息交互能力。構(gòu)建大型船舶電子海圖顯示界面的總體結(jié)構(gòu)模型，通過視覺特征重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子海圖顯示界面視覺交互控制與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，測(cè)試得知，本文方法提高了兩組場(chǎng)景下的船舶航線測(cè)繪數(shù)據(jù)匹配能力和艦船海圖數(shù)據(jù)的視覺交互能力。