增強現實技術在船舶行業的應用

衡 軍

(海軍潛艇學院，山東 青島266000)

0 引 言

增強現實技術［1］(augment reality，AR)是借助三維顯示技術、自然人機交互技術、多種傳感器技術、計算機視覺技術以及多媒體技術，將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息等融合到用戶所要體驗的真實環境中的一種技術，其目的在于突破空間、時間及其他客觀限制，實現超越現實的感官體驗。

增強現實的出現，為虛擬世界和真實世界之間架起了一座橋梁，隨著科學技術的不斷進步，增強現實技術發展方興未艾，在實際的生產和生活中有著非常廣泛的應用。例如:在醫療領域，醫生可以利用增強現實技術，進行手術部位的精確定位;在汽車工業中，增強現實技術已經被廣泛應用到汽車造型、設計、工藝制造、虛擬試驗當中;在文化遺產保護領域，增強現實技術將文化古跡“原景重現”，不但可以提供文字解說，還可以進行互動;在軍事領域中，增強現實技術在裝備與信息保障、作戰系統及模擬訓練中發揮著至關重要的作用。

雖然增強現實技術在科教、軍事、工業制造等方面有著諸多成功應用，但是對于船舶行業領域，有關增強現實系統的設計與應用相對較少，本文首先對增強現實的關鍵技術進行綜述，然后對增強現實在船舶制造、艦船仿真、船舶駕駛等方面的應用與及發展進行深入研究。

1 增強現實的關鍵技術

增強現實系統涉及圖像處理、實時跟蹤、三維注冊、人機交互、場景融合、傳感器設計及計算機網絡等多項技術學科。其關鍵技術包括虛實配準技術、顯示技術、虛實融合技術、人機交互技術。

1.1 虛實物體配準

虛實配準(三維注冊)是對真實場景圖像和計算機生產的虛擬物體進行無縫合成，是增強現實的首要目標，其實質是將“實景”與“虛物”進行“對其”。首先，根據真實物體確定虛擬物體與觀察者之間的關系，然后通過正確的投影方法將虛擬物體投影至觀察者的視域范圍內。虛實物體配準技術要求無延時、快速準確、無抖動，不受光照、遮擋、運動等因素影響。比較常見的跟蹤配準方法主要有以下3 類:

1)基于硬件跟蹤器的配準

基于硬件跟蹤器的配準方法一般建立在機械、磁力、光學、慣性等傳感器的基礎上［2］，相關方法比較分析如表1 所示。

表1 基于硬件跟蹤器的配準方法比較分析Tab.1 The comparative analysis for registration methods based on hardware

2)基于視覺計算的配準

基于視覺計算的配準分為基于標識的跟蹤注冊技術和基于自然特征的跟蹤注冊技術兩類。其中，基于標識的跟蹤注冊技術實時性好，精度高，但其易受光照影響，在標識被遮擋時，無法完成三維配準?；谧匀惶卣鞯母欁约夹g使用范圍大，但其算法復雜，實時性不高。

3)兩者混合的配準

3 種虛實配準方法對比分析如表2 所示。

表2 虛實配準方法比較分析Tab.2 The comparative analysis for registration methods

1.2 顯示技術

增強現實系統通過多種設備來顯示虛擬物體和真實場景的疊加，顯示技術的實質是在觀察者的眼睛和真實物體之間的光路上成像。根據光路成像位置的不同，顯示技術可分為頭戴式、手持式、時間顯示3 類，詳細對比分析如表3 所示。

表3 顯示方法比較分析Tab.3 The comparative analysis for display methods

1.3 虛實融合技術

虛實融合目標是將真實場景和計算機生成的虛擬物體無縫合成，滿足幾何真實感、行為真實感和光照真實感，并最終使觀察者感覺不到真實物體和虛擬物體的區別，虛實融合技術主要包括虛實環境的注冊、虛擬物體和真實物體的遮擋處理、陰影和光照一致性和自然的交互［3］。

1.4 自然人機交互技術

人機交互一直伴隨著計算機的發展而發展。它經歷了語言命令交互階段、圖像用戶界面(GUI)交互階段、自然和諧的人機交互階段3 個階段。

自然人機交換強調以人為中心的交互方式，注重人和計算機、人和人的自然交流，包括語音交互、體態語言交互、其他姿態語言交互(如手勢交互)等。在增強現實系統中，可以運用多通道自然交互，例如，用戶可以使用語音、手勢、眼神、表情等自然的交互方式與計算機系統進行通信。

2 增強現實在船舶行業的應用

2.1 船舶制造

人類造船已有悠久歷史，由于航運的發展以及民用、軍事上的需求，船舶趨于專業化和大型化，造船技術也隨之迅速發展。近年來，船舶綠色制造工藝和技術［4］成為船舶制造業發展重點和亮點，基于增強現實的船舶工程設計和裝配維修技術，便是綠色制造工藝之中一種具有巨大潛力的技術。增強現實技術為船舶制造提供了新的科學輔助手段，主要表現在以下幾個方面:

1)產品設計的遠程協作

首先，通過增強現實顯示設備實時展示和共享實物、模型、設計圖紙等信息，利用多通道人機自然交互技術，使得異地、多人可以實時互動，溝通交流設計思想，修改與改進方案。同時，在設計過程中，通過增強現實系統，可預先打造出“一艘完整的船”，在立體投影技術的幫助下，設計人員可以親身進入船體內部，體驗、分析船體結構是否合理、舒適，直觀了解艦船的各個工藝設計細節，從而縮短設計周期，減少成本，提高企業競爭實力。

2)復雜工藝模擬

在真實產品生產之前，運用增強現實系統，通過數值模擬、物理模擬和專家系統優化工藝方案、確定最佳工藝參數、預測風險，從而有效地減少原材料和能源的消耗，提高產品質量。例如，在船舶平面分段生產線焊裝過程中，傳統的工藝手段是對照平面布局圖紙進行圖上模擬作業，經常出現由于理解、表述不同導致進度延誤，工藝質量完全依賴經驗。而運用增強現實技術，可搭建虛擬現實平臺對各設備資源進行整合，各工藝工作人員可同時分析作業，3D 模型的直觀展示及動態運行模擬可以有效解決協同作業難，工作效率低的問題。

3)設備裝配與維修

通過增強現實系統，可以將裝配維修的標準工作流程指南準確地顯示給用戶，生動的3D 影像信息較復雜的文字圖紙手冊而言，更能幫助指導用戶順利完成任務，提高工作效率［5］。

2.2 艦船仿真

艦船仿真是指利用數字模型代替物理原型，對艦船制造和生產過程進行模擬仿真，艦船仿真是艦船科技領域中信息化技術應用的較高層次。傳統艦船仿真包括半實物仿真和分布交互仿真技術［5］，其仿真成果往往缺乏真實感與互動感，增強現實技術的出現，為艦船仿真提供了全新的技術平臺［6］，通過動畫、聲音、三維模型等營造真實建造場景，將艦船制造工藝流程真實呈現。

基于增強現實技術的艦船仿真，可以實現對船廠廠區、設施、艦船內部結構及布置進行3D 可視化虛擬展示，并通過人機互動，與虛擬環境中的模型進行交互。突破了傳統仿真軟件限制，更具擴充性與可靠性。艦船三維模型如圖1 所示。

圖1 艦船三維模型Fig.1 3D model

2.3 船舶駕駛

傳統駕駛艙如圖2 所示，駕駛艙內是各種復雜的儀表盤和按鈕。

圖2 傳統船艙駕駛室Fig.2 Traditional ship cab

隨著增強現實技術的應用發展，增強現實在船舶行業的應用已有雛形出現。例如，芬蘭的一家技術研究中心展示的一套帶有增強現實技術的貨船駕駛艙，如圖3 所示。駕駛艙變成一個擁有落地窗的工作站，各種海況信息和導航信息借助增強現實技術被顯示在落地窗上，這種方式有效解決了船員視野受限制問題，尤其是在霧天、雨天、夜晚等視線弱的情況下。

運用增強現實技術的船艙駕駛室打破了傳統的艦船駕駛教學與訓練方式，通過增強的船艙駕駛室，可以為駕駛教學與訓練提供真實的環境，豐富教學內容，增強教學生動性。同時，也可大大增加學員實踐訓練的時間與機會，為艦船操控人才的培養提供了有效手段。在未來的技術發展中，遠程操控、無人駕駛將是船艙駕駛的發展方向。

圖3 基于增強現實的船艙駕駛室Fig.3 Ship cab based on augmented reality

此外，在船舶行業領域中，增強現實技術還有著廣泛的應用空間，如在水上交通管制方面，通過增強現實技術，可以擴大監視和控制范圍，提高目標定位精度，保障海運安全。在信息可視化方面，增強現實的疊加技術可以提供多視角信息，如在顯示實時景象的同時，顯示紅外、熱度、夜視等圖像信息。在水上作戰指揮中，增強現實系統的應用可以使戰場各指揮人員實時共享戰況信息，對瞬息萬變的戰場情況做出快速反應。

3 結 語

與國外增強技術比較而言，我國的增強現實技術還相對落后，尤其在船舶行業中的應用方面，我國還處在起步和探討階段。雖然增強現實技術有著廣泛且巨大的應用價值，但其實用程度受到軟、硬件技術、社會接受度等問題的限制，但隨著各項技術研究的日益成熟，增強現實必將在船舶行業中產生深遠影響。

［1］AZUMA R T.A survey of augmented reality［J］.Presence-Teleoperators and Virtual Environments，1997，6(4):355 -385.

［2］ROLLAND J P，DAVIS L，BAILLOT Y. A survey of tracking technology for virtual environments ［J］.Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality，2001:67 -112.

［3］趙沁平. 虛擬現實綜述［J］. 中國科學(F 輯)，2009，39(1):2 -46.

［4］王世明.綠色船舶的現狀和發展前景分析［J］. 中國造船，2008，49(1):48 -57.

［5］王天明，王玉，李煒，等.以虛擬仿真為基礎的艦船裝備研制方法研究［J］.艦船科學技術，2001，23(1):9 -14.

［6］何四華，李天偉，韓云東.虛擬現實技術及其在航海仿真中的應用［J］.艦船科學技術，2004，26(5):54 -56.HE Si-hua，LI Tian-wei，HAN Yun-dong. Virtual reality technique and it′s application in navigation simulation［J］.Ship Science and Techndogy，2004，26(5):54 -56.