基于HoloLens的全息海圖應(yīng)用模式研究

摘? 要：文章結(jié)合港航用戶對(duì)海圖的使用需求和航海保障業(yè)務(wù)實(shí)踐，提出了全息海圖的模型概念，闡述了全息海圖的特征優(yōu)勢(shì)，分析了全息海圖的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用模式。在分析全息海圖應(yīng)用模式的基礎(chǔ)上，對(duì)全息海圖原型的開發(fā)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了有益嘗試，揭示了研究全息海圖可視化表達(dá)與交互分析所需要的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了需要深入研究完善的方向。

關(guān)鍵詞：全息投影;海圖交互;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);三維建模

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）24-0057-03

Research on Application Mode of Holographic Chart Based on HoloLens

ZHANG Yanguang

（Tianjin Maritime Surveying and Mapping Center，Beihai Navigation Support Center，Ministry of Transport，Tianjin? 300202，China）

Abstract：Combined with the demand of port and shipping users for charts and the practice of navigation support business，this paper puts forward the concept of holographic chart model，expounds the characteristics and advantages of holographic chart，and analyzes the application scenarios and modes of holographic chart. Based on the analysis of the application mode of holographic chart，this paper makes a beneficial attempt to develop and realize the prototype of holographic chart，reveals the key technologies needed to study the visualization expression and interactive analysis of holographic chart，and puts forward the direction of further research and improvement.

Keywords：holographic projection;chart interaction;augmented reality;3D modeling

0? 引? 言

在e-Navigation和數(shù)字港口建設(shè)中，三維可視化技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。無(wú)紙化是港航用戶對(duì)海圖使用的發(fā)展偏好，也是航海保障信息可視化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

在傳統(tǒng)技術(shù)和顯示介質(zhì)的束縛下，航海保障數(shù)據(jù)的可視化分析能力正面臨著發(fā)展瓶頸;面對(duì)更加復(fù)雜多樣的海事作業(yè)環(huán)境，利用有效的新技術(shù)手段科學(xué)提高海事作業(yè)的安全性也成為當(dāng)務(wù)之急。

基于HoloLens的全息海圖應(yīng)用為解決上述問(wèn)題提供了有效思路，全息投影技術(shù)與海圖應(yīng)用的結(jié)合日益受到地圖學(xué)者和應(yīng)用市場(chǎng)的關(guān)注。使用全息海圖技術(shù)可生產(chǎn)出更直觀實(shí)用且更具視覺(jué)沖擊力的海圖新產(chǎn)品，有效提高海圖判讀效率，進(jìn)一步保障船舶航行安全。

本研究課題所做的技術(shù)嘗試及產(chǎn)生的全息海圖產(chǎn)品，是我課題組一直致力研究和不斷創(chuàng)新的海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)應(yīng)用新成果，為用戶提供了全面了解海圖要素的有效技術(shù)手段和研究載體。課題的研究成果對(duì)輔助測(cè)繪工程項(xiàng)目成果驗(yàn)收和匯報(bào)演示起到了一定的作用。

1? 全息海圖的概念與特征

全息海圖是利用全息投影技術(shù)的光學(xué)成像原理在現(xiàn)實(shí)世界中呈現(xiàn)海圖要素的純?nèi)S影像，具有標(biāo)識(shí)海洋水域和沿岸地物的空間位置屬性的海圖產(chǎn)品。

全息海圖的顯示和交互就是將在融合渲染階段由相關(guān)地理信息轉(zhuǎn)化而來(lái)的文本標(biāo)注、三維符號(hào)和視頻等虛擬物體，通過(guò)識(shí)別定位和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投影，與海域全息地貌準(zhǔn)確定位并逼真繪制。全息要素與全息場(chǎng)景合并呈現(xiàn)在真實(shí)演示環(huán)境中，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的過(guò)程[1]。

全息海圖的優(yōu)勢(shì)特征：海圖中顯示的水深屬性和海底地形特征，在二維符號(hào)化后需要一定的專業(yè)知識(shí)背景才能準(zhǔn)確判讀。海圖中表示的航道和區(qū)域界限，也有別于普通地圖的道路和區(qū)域圍欄，在現(xiàn)實(shí)世界中并無(wú)真實(shí)物體與之對(duì)應(yīng)，是抽象的空間概念。使用具有立體視覺(jué)效果的全息投影技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海圖要素的可視化，可多維度觀看助航標(biāo)志的相對(duì)空間位置關(guān)系是對(duì)傳統(tǒng)海圖可視化技術(shù)的全新升級(jí)。因?yàn)榈貏?shì)和物標(biāo)都是三維立體的，不同維度觀看，可以獲得不同的判讀信息，做到全方位更直觀的海圖功效升級(jí)。

2? 全息海圖的應(yīng)用模式研究

2.1? 全局模式

2.1.1? 典型海圖要素的全息三維可視化顯示與交互

在海區(qū)全息三維模型基礎(chǔ)上，疊加顯示全息海圖要素，如測(cè)量圖幅范圍、虛擬航標(biāo)、通信信號(hào)覆蓋范圍等信息，形成基于圖像識(shí)別技術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)海圖應(yīng)用，如圖1所示。全息海圖符號(hào)與全息地形的位置和方位相對(duì)固定，隨全息海域模型的移動(dòng)做同步移動(dòng)，呈現(xiàn)出高仿真效果。

2.1.2? 航路測(cè)量成果的海底地形全息三維場(chǎng)景展示

“十三五”期間，海事測(cè)繪行業(yè)取得了一系列大型航路測(cè)量的成就，這些測(cè)繪成果的宣傳展示需要新的可視化載體。使用高密度測(cè)量水深數(shù)據(jù)構(gòu)建航路沿線海底地形全息三維模型，并與全息海圖進(jìn)行坐標(biāo)匹配后疊加。這樣在全息海圖中增加“航路”圖層，就可以總覽“十三五”期間測(cè)量過(guò)的航路的分布情況。手勢(shì)點(diǎn)擊其中某一條航路，此航路地形的全息模型可游離開全息海圖單獨(dú)顯示，實(shí)現(xiàn)航路海底地形的全方位空間展示，支持手勢(shì)拖動(dòng)、縮放、點(diǎn)亮局部區(qū)域，近似達(dá)到360°實(shí)景分析航路地形起伏及礙航物的效果。

2.1.3? 實(shí)景三維港口的全息模型瀏覽

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建港口建筑的實(shí)景三維模型，如圖2所示。結(jié)合港口管理系統(tǒng)，在全息數(shù)字港口的模型基礎(chǔ)上全面實(shí)現(xiàn)港口信息的三維可視化，并實(shí)現(xiàn)全息模型及港口管理信息的人機(jī)交互。此應(yīng)用模式可以用于智慧港口的項(xiàng)目建設(shè)。

2.2? 浸入模式

全息投影是記錄和再現(xiàn)物體立體視覺(jué)的投影技術(shù)，透過(guò)不同的方位，可以看到物體不同角度的信息。全息海圖的浸入應(yīng)用模式更適合于從不同的方位和角度觀察海圖要素的標(biāo)識(shí)以及海圖物標(biāo)間的相對(duì)位置關(guān)系;浸入特定場(chǎng)景內(nèi)部或物標(biāo)的實(shí)際位置，形成立體視覺(jué)和方位認(rèn)知。

2.2.1? 船舶視角的通視分析

全息海圖支持觀察者站在船舶的當(dāng)前位置，觀測(cè)導(dǎo)助航標(biāo)志與沿岸地物的相對(duì)位置關(guān)系，從而起到船舶導(dǎo)助航輔助和調(diào)度模擬的作用。

2.2.2? 助航標(biāo)志光源的夜間可視距離模擬

全息海圖還有一項(xiàng)區(qū)別于傳統(tǒng)海圖的優(yōu)勢(shì)，就是通過(guò)光源的粒子發(fā)散效果，可以直觀的模擬出航標(biāo)、燈塔的夜間可視距離。觀察者可以從船舶視角，直觀感受到當(dāng)前位置能接收到的夜間助航光源信號(hào)的強(qiáng)弱程度。

2.2.3? 水文站的外部環(huán)境和室內(nèi)設(shè)備環(huán)境的浸入式體驗(yàn)

在全息海圖的全息水文站1：1模型演示中，觀察者可以身臨其境觀測(cè)水文站周邊的實(shí)景環(huán)境，并且可以走到水文站模型內(nèi)部查看室內(nèi)環(huán)境和水文監(jiān)測(cè)儀器，可以說(shuō)足不出戶就能享受到沉浸式體驗(yàn)。

2.3? 時(shí)間軸模式

用于對(duì)多時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。例如通過(guò)拖動(dòng)時(shí)間軸，查看同一海域多時(shí)段的海底地形起伏情況，結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)一步得出該區(qū)域回淤分析的定性甚至定量結(jié)果。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

全息海圖可視化表達(dá)與交互分析的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾項(xiàng)：

（1）三維符號(hào)的中心點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。三維符號(hào)具有一定的空間體積和方向向量，其代表的實(shí)際位置信息通常只是點(diǎn)坐標(biāo)或者點(diǎn)坐標(biāo)的集合?？茖W(xué)地設(shè)定三維符號(hào)的中心點(diǎn)、三維符號(hào)在全息海圖中以何種向量姿態(tài)顯示，需要遵循統(tǒng)一且易操作的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）地理坐標(biāo)與全息海圖模型坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)助航信息的定位加載。海圖要素的空間匹配，現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的疊加顯示。

（3）三維跟蹤注冊(cè)。跟蹤是指HoloLens設(shè)備在真實(shí)場(chǎng)景中根據(jù)目標(biāo)位置的變化來(lái)實(shí)時(shí)獲取傳感器位姿，并按照觀察者的當(dāng)前視角重新建立空間坐標(biāo)系并將虛擬場(chǎng)景渲染到真實(shí)環(huán)境中準(zhǔn)確位置的過(guò)程。注冊(cè)是指虛擬場(chǎng)景準(zhǔn)確定位到真實(shí)環(huán)境中的過(guò)程[2]。

基于圖像識(shí)別加載全息海圖的應(yīng)用，需要解決和優(yōu)化對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的圖像或物體進(jìn)行跟蹤注冊(cè)的問(wèn)題。

（4）研究無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方法，解決遙測(cè)數(shù)據(jù)與全息模型的融合顯示問(wèn)題，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)航海保障數(shù)據(jù)在全息模型上的實(shí)時(shí)加載，便于全息海圖進(jìn)一步應(yīng)用于海上安全信息可視化監(jiān)管平臺(tái)。

4? 原型實(shí)現(xiàn)與技術(shù)思路

4.1? 三維場(chǎng)景建模

可以嘗試的場(chǎng)景建模方法有多種，例如使用3ds Max真實(shí)地形建模方法、Global Mapper激光點(diǎn)云建模方法、World Machine DEM+DOM真實(shí)地形建模方法、ArcScene+Deep Exploration三維數(shù)據(jù)建模及轉(zhuǎn)換方法等[3]，根據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量級(jí)別、性能優(yōu)化需求、源數(shù)據(jù)兼容性等因素可選用不同的場(chǎng)景建模技術(shù)，但要保證最終生成的三維場(chǎng)景模型是FBX數(shù)據(jù)格式，因?yàn)榇烁袷綖镠oloLens眼鏡的御用三維格式。

全息海圖的場(chǎng)景建模需要使用多波束水深數(shù)據(jù)生成三維海底地形，陸地?cái)?shù)字高程模型和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)模擬陸地三維，如圖3所示?；趯?duì)數(shù)據(jù)源兼容性的考慮，本文主要使用ESRI ArcScene生產(chǎn)三維場(chǎng)景模型，導(dǎo)出唯一可用的wrl格式，再通過(guò)DeepExploration軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終生成FBX格式的三維場(chǎng)景模型。

4.2? Vuforia SDK圖像識(shí)別的調(diào)用

Vuforia SDK在基于HoloLens應(yīng)用的Unity開發(fā)中，需要作為插件預(yù)裝到Unity 3D引擎中，通過(guò)啟用本插件，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求勾選相應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)圖像的識(shí)別、聲音的采集、空間坐標(biāo)基礎(chǔ)匹配等相關(guān)操作[4]。

4.3? Unity 3D引擎可視化編程實(shí)現(xiàn)手勢(shì)交互

海圖要素符號(hào)的三維模型需要根據(jù)模型復(fù)雜程度，使用3ds Max貼圖建?；蛘咧苯釉赨nity中進(jìn)行快速建模。

最后將三維場(chǎng)景模型和海圖要素符號(hào)模型，一起導(dǎo)入到Unity 3D引擎中，設(shè)置模型響應(yīng)事件，同時(shí)編寫事件響應(yīng)代碼，實(shí)現(xiàn)全息海圖及要素的顯示與交互[5]，如圖4所示。

5? 結(jié)? 論

本文初步解釋了全息海圖的概念和特征，探究了全息海圖的應(yīng)用模式，并以數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了三維場(chǎng)景模型。借助HoloLens的全息投影技術(shù)，在真實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)了全息海圖的顯示與交互。全息海圖的相關(guān)研究對(duì)于認(rèn)知海洋地理空間環(huán)境、提升航海保障服務(wù)效能有一定的實(shí)踐價(jià)值，但相關(guān)工作仍處于起步階段，在后續(xù)工作中，還需要深入研究以下內(nèi)容：

（1）建立三維海洋地理空間環(huán)境下的圖形表達(dá)規(guī)范與三維符號(hào)體系。目前尚沒(méi)有海圖要素三維符號(hào)的制作標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)三維海圖應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化是很大的阻礙，迫切需要深入研究與改進(jìn)。

（2）三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的生產(chǎn)流程需要進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化，改進(jìn)ArcScene生產(chǎn)出的三維場(chǎng)景中陸地模型與海底模型邊緣拼接部分的鋸齒現(xiàn)象，以及no data區(qū)域的未鏤空現(xiàn)象。

（3）研究全息海圖技術(shù)與“一港一海圖”數(shù)據(jù)庫(kù)工程、“碧海行動(dòng)”、VTS船舶調(diào)度系統(tǒng)等的應(yīng)用接口，使全息海圖與海事航保更多業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行對(duì)接，進(jìn)一步提高航海保障數(shù)據(jù)的可視化效果，提高航運(yùn)管理效能。

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作者簡(jiǎn)介：張琰光（1985—），男，漢族，山東壽光人，工程師，碩士，研究方向：海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)應(yīng)用、WebGIS。