增強現實技術的發(fā)展狀況及其在地下傳輸管網上的應用

王 珂

（中國石化集團管道儲運有限公司 信息化管理處，江蘇 徐州 221008）

增強現實技術的發(fā)展狀況及其在地下傳輸管網上的應用

王 珂

（中國石化集團管道儲運有限公司 信息化管理處，江蘇 徐州 221008）

增強現實技術（AR技術）是一項擁有數十年發(fā)展歷史的技術，擁有巨大的潛能，目前增強現實技術已經延伸到日常生活的各個領域，在文化、商貿、娛樂等領域出現了多項成熟的應用成果。本文將AR技術與GIS技術相結合，針對地下傳輸管網提出一種基于增強現實的地下管網增強真實感方法，提升了傳輸管網三維模型的可辨識性。

增強現實技術；GIS技術；三維模型；地下傳輸管網

0　引 言

增強現實技術（AR），也被稱為混合現實技術。它通過計算機程序，將虛擬信息擴展到真實的世界中，真實的環(huán)境和虛擬的信息實時地疊加，在同一個畫面或空間同時存在。增強現實技術可以提供超過人類感知的信息，在展現了真實世界信息的同時還可以將虛擬的信息同步顯示，兩種信息相互補充、相互疊加，用戶穿戴可視化裝備，就可以看到真實世界與電腦圖像結合在一起，在熟悉的世界中“看到”更多的信息和提示。借助計算機圖形技術和可視化技術，增強現實技術還可以產生現實環(huán)境中不存在的虛擬物體，并通過傳感技術將虛擬物體“投射”在真實環(huán)境中，將虛擬物體與真實環(huán)境融為一體，讓用戶能看到甚至接觸到新的環(huán)境事物。因此可以看出，目前增強現實技術已經具有虛實結合、三維顯示、實時互動的新特點。

1　AR技術的發(fā)展和應用

增強現實技術源于20世紀60年代、90年代迅速發(fā)展，有名的研究機構主要集中在美國、日本、德國和新加坡等發(fā)達國家的著名大學和實驗室，其研究側重多在人機交互和軟硬件平臺的研發(fā)等。隨著技術的發(fā)展，研究逐步從理論轉入應用階段，相關應用早期可以追溯到1960年戰(zhàn)斗機飛行員不用低頭可以在玻璃上看到數據，戴上特殊頭盔后飛行員還可以看到疊加在視野上的飛行路徑和文字提示，從而大大降低了飛行難度。隨著微軟、谷歌、Facebook、SONY等科技巨頭紛紛進入AR產業(yè)，很多公司已經能夠提供成熟PC端或移動端的增強現實解決方案，不僅加快了增強現實技術及應用程序的研究進程，也拓展了增強現實技術的使用領域。

1.1AR技術在日常領域的應用

增強現實技術已經延伸到日常生活的各個領域，因為它可以讓用戶在看到虛擬物體的同時，仍能看到真實的場景，在醫(yī)療、商貿、教育、娛樂與文化等領域具有廣泛的應用前景，受到研究者越來越多的關注。

在醫(yī)療領域，影像技術在現在醫(yī)療領域已經被普遍采用，增強現實技術也隨之成為輔助治療的重要影像技術之一，它利用傳感器或者CT影像對病人的手術部位收集實時數據，建立相應三維模型，整合后投射到患者的醫(yī)療影像中，使醫(yī)生具有“透視功能”，從而可以更加清晰直觀地了解患者病灶的狀況，精確導航需手術的位置。它建立患者體內病灶部位的全息數據模型，讓醫(yī)生不受光線和器官阻礙，直觀地看到病人體內情況，從而引導醫(yī)生針對實際情況制訂出最合適的手術方案。圖1為德國醫(yī)生通過帶有醫(yī)療平板電腦的攝像頭，將病人骨骼和內臟的三位模型疊加在病人身體上。

圖1　增強現實技術在手術中的應用

在產品零售業(yè)，增強現實衍生出了一種“虛擬試穿”技術。在“虛擬試穿”中，顧客只要選好衣服的樣式，無需煩瑣的穿脫步驟，只要對著穿衣鏡，一件與顧客所選衣服同樣款式的三維模型就被“穿”到了顧客的身上。同時這件被虛擬出來的衣物并不是老式二維平面圖像，而是可以從各種角度觀察的，“虛擬試穿”技術的應用不但省去了顧客頻繁換衣的煩惱，也降低了商家成本損耗。

2016年，一家連續(xù)虧損的日本娛樂公司任天堂推出了一款增強現實手機游戲“Pokemon GO”，上市不過兩個星期就引發(fā)了一種全球現象：去抓精靈。這款游戲的成功就在于把虛擬角色與人們生活的現實環(huán)境成功地融合在了一起。為了抓到心儀的精靈，有人一直在街上徘徊到凌晨四點被警察送回家才罷休，甚至有新聞稱有人因玩“Pokemon GO”不注意而墜橋身亡，美國華盛頓州政府不得不在twitter上發(fā)布了聲明，希望人們在玩“Pokemon GO”要注意安全，特別是開車的時候千萬不要玩。

增強現實技術的另一項成功應用就是車載導航系統，這項系統有很多種開發(fā)界面，2014年馬自達率先使用這種內置界面，一些高級轎車也有這個功能。它能夠將手機上的信息投射到玻璃屏幕上，能夠通過通信接口獲取汽車數據，并且能夠通過語音、手勢控制。一旦和手機連線，它就能夠運行手機上的App，如Spotify、Google地圖等。跟一般的車載電腦顯示系統不同，用戶不需要低頭查看信息或者地圖，只要視線正常注意前方就能夠看到所有信息。

1.2AR技術在專業(yè)領域的應用

從20世紀90年代開始，增強現實技術（AR）因其直觀的信息表現方式和近乎無限的可擴展性引起了地學領域研究學者的普遍關注。其中一個主要的研究方向是利用增強現實技術使地理、環(huán)境數據達到交互操作、動態(tài)顯示和增強真實感。增強現實技術（AR）在可視化方面的先進之處還體現在對三維大數據的處理，增強現實技術與現在流行的虛擬現實技術（VR）有所不同，后者主要是在軟件生成的虛擬環(huán)境中建立三維數據模型，而前者需要采集足夠的真實環(huán)境數據，把軟件生成的模型“添加”到真實環(huán)境中，對設備和技術的要求更加嚴格。隨著人們對平面地圖和沙盤類模型功能的不滿足，對數據和模型用全息三維顯示的需求越來越迫切，急需開發(fā)出新的GIS信息顯示方式。GIS是地理信息系統（Geographic Information System）的簡稱，它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

AR技術與GIS系統結合是近幾年才開始的，簡稱ARGIS，ARGIS的特點就在于將傳統的靜態(tài)的人機交互轉變?yōu)閼敉獾膭討B(tài)的交互，用AR建立的虛擬世界與客觀真實世界合二為一。國內已經有一些學者做了大量的工作，孫敏提出了ARGIS的概念：ARGIS是對客觀地理世界進行數字化描述、存貯、管理，將這種描述與真實世界融為一體，給出指定對象的空間信息、提供戶外信息交互的一類地理信息系統的統稱。杜清運提出ARGIS的意義在于將移動計算與增強現實技術運用到傳統的空間信息中，改變了傳統的基于位置的處理機制，使人和真實世界與數字世界通過網絡傳輸無縫地結合起來，實現超越時間和空間局限性的互動，從而改變數字世界與真實世界的交互模式。

對ARGIS的研究主要是利用AR技術的虛擬模型與真實環(huán)境無縫融合，在GIS中生成全新的增強三維GIS可視化系統，其技術實現的重點是在真實環(huán)境中的三維建模問題，即三維虛擬模型與真實對象（例如影像、視頻）的融合顯示，AR技術的成熟不但改變了GIS可視化方式，還改變了GIS的使用環(huán)境，使GIS得以從室內的伺服器、工作站加顯示裝置的工作方式轉移到了戶外移動式可視化終端。GIS的研究者開始重視計算機圖形學的理論并引入相應的技術來實現GIS的可視化。目前國內的2DGIS可視化技術應用比較成功，而于3DGIS可視化的研究，主要集中在地形表面的重構、房屋建筑幾何模型建立等方面。

2　利用增強現實技術構建地下管網模型

地下傳輸管道是石油、天然氣等能源傳輸組成部分，也是建立三維數字管道的一個重要內容。地下傳輸管道是由縱橫交錯站內工藝管網、站外輸送管線機通信線路組成的錯綜復雜的空間體系，所以傳統的基于2維或2.5維的GIS難以直觀地表現各個管線的相互關系。建立三維管網可視化模型，其復雜的建模需求不但花費巨大，而且數據更新緩慢，傳統的平面視圖系統難以勝任。實際上，大家在施工中關注的往往是管線的走向、管線與管線之間的交匯及管道本身的屬性，為了減輕建模難度，只將關注度較高可視化模型投放到所在的現實環(huán)境中，就可以省去相對較為復雜的環(huán)境建模，節(jié)省大量人力、物力、財力。

AR可視化系統：GIS數據庫中的地理數據變化模型決定數據變化的狀態(tài)和趨勢，而配準模型根據數據變化將觀察點處實地攝制的圖像、視頻與地理坐標進行計算對應，最后利用AR可視化技術的系統和設備，將地理數據的變化狀態(tài)和趨勢在視頻影像中正確的位置表達出來。

戶外增強現實的實現一般分為兩類：一是基于計算機運算實現，二是利用傳感器生成實現。基于計算機方法可以減輕戶外用戶負重，但受周邊環(huán)境限制比較大，負責計算的設備不便攜帶且復雜的計算需要耗費大量的時間，但是可以利用現有計算機設備，不需要增加太多的預算。基于傳感器的增強現實技術，使用了位置傳感器和測角傳感器。當用戶在戶外移動時，使用GPS接收裝置接收三維坐標，用戶視線所及的方位參數由傳感器獲得并實時傳入系統中，并以此為參數建立管網的基礎三維虛擬模型，然后系統將三維虛擬模型的圖像疊加到攝像機傳來的真實環(huán)境視頻圖像上增強可視化，最后送到顯示器或便攜可視化裝置上。

為了增強可識別性，可以在系統中定義不同顏色來區(qū)分輸油輸氣、通信光纜等不同用途的地下傳輸管線，然而在地形復雜或管線的交匯點僅僅通過管線走向和顏色不足以辨別管線位置和深淺，可以采取調高埋深較深的管線的透明度來增強視覺效果。如果想查看剖面圖上管線分布，可以在模型上繪制水平紅色標尺線，這樣可以直觀地對比穿過剖切面的地下管線，同時還可以增加管線的虛擬陰影和周邊環(huán)境的3D紋理，以上措施增強了三維地下管網的深度感知和可視化效果。更接近真實視覺效果的是坑道式剖面圖，由于陰影投射到剖切面底部的時候因角度問題不容易看到，可以采取隨著深度降低光照度的方法建立環(huán)境光遮擋的模型。

使用增強現實技術的三維可視化地下管網，給用戶安裝了“火眼金睛”，可以更方便、直觀地分辨地下縱橫交錯的傳輸管網相互位置和走向，查詢某根管線情況時因為可視效果的提升也更容易選取和分析。增強現實可視化技術是一種對現實世界的智能擴充，增強了用戶對真實環(huán)境和三維系統的互動和感知。該技術目前已經廣泛地應用在城市環(huán)境可視化、城市安全規(guī)劃、旅游、計算機建模、國防軍事及娛樂等眾多領域，具有深厚的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

主要參考文獻

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［2］杜清運，劉濤.戶外增強現實地理信息系統原型設計與實現［J］.武漢大學學報：信息科學版，2007（11）.

［3］王涌天，鄭偉，劉越，等.基于增強現實技術的圓明園現場數字重建［J］.科技導報，2006（3）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.20.041

TP391.9

A

1673-0194（2016）20-0062-02

2016-09-02