混合現實技術在大數據可視化中的應用

陳林琳

基金項目：2018年度南通市級基礎科學研究項目：基于機器視覺的農產品三維形貌重建技術研究（JC2018135）

摘要：結合微軟HoloLens，在大數據可視化中詳細介紹了混合現實的應用模式，混合現實設備通過使用第三方透視功能，使只能出現在電影中的場景變成了一種新的數據顯示方式和用戶新的視覺體驗，不穿全息線的用戶也可以有同樣的光學效果。

關鍵詞：混合現實技術;大數據;可視化

中圖分類號：TP311.13;TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0134-02

引言：大數據時代背景下，人們利用計算機技術處理高效舒適的數據，信息處理水平也在日益提高。但是，它在顯示結果的方式上是相對可逆的，只涉及圖形、動畫等形式;它的表達能力是有限的，不能相互作用，使得大數據的價值無法通過現實技術驗證來體現技術增強顯示和混合現實技術支持大數據顯示。

1AR簡介

在20世紀80年代末，Jaron Lanier正式使用了“虛擬現實”一詞，并得到廣泛認可。定義虛擬現實（VR），它的意思是：一個計算機生成的三維仿真環境，混合了視覺、聽覺甚至觸覺，人們在其中進行研究和互動。這是一個沉浸式仿真環境。除此之外，虛擬現實將從2000年的計算器和智能手機變得越來越強大，高清顯示和三維圖像功能急劇增加，虛擬現實得到了迅速發展。各種頭戴式顯示器相繼問世，使得虛擬現實技術得到了迅速發展，知名人士設備有Google Papp、三星Galaxy Gang、Oculus Rift、HTC Vive等。由于云計算的發展，近年來虛擬現實應用都是基于云的。早期已知的AR設備是谷歌眼鏡，它允許用戶在自己的視野范圍內使用地圖、電子郵件和其他服務。現在有很多支持AR的移動應用程序，通常是卡片應用程序。混合現實（MR）是一種基于虛擬現實和擴展現實的數字全息成像技術。它打破了現實世界和數字世界的界限。在潛水技術的幫助下，她將兩者融合到一個新的環境中，包括虛擬現實和擴展現實。先生在環境識別方面比AR更先進。不僅是將虛擬圖像轉換為攝像機圖像，同時也將計算機生成的圖像錨定在現實世界的某個點上。可以說AR先生是，有人把AR和紳士歸為同一類。微軟是HoloLens被定位為MR，并聲稱它將只專注于其他知名產品，比如剛剛于2018年8月開始訂購的初創公司Magic Jump。隨著虛擬現實技術的發展，虛擬現實技術正在成為主流[1]。

與虛擬現實相比，AR/MR的最大優勢在于其靈活性。如果你使用虛擬現實，你完全沉浸在另一個世界里，很難用真實的世界進行互動。增強現實主要有三種顯示方式：頭盔顯示器（HMD）、投影顯示和表格顯示。頭盔顯示器是最受歡迎的。

AR-MR系統的組成，包括傳輸HMD、環境感知模塊、交互設備和虛擬場景制作，以Microsoft Holodenset為例，傳輸HMD負責虛擬與現實融合后的信號輸出;環境感知模塊負責混合現實的檢測和用戶感知信號的跟蹤;交互設備負責環境控制和眼睛跟蹤、手勢和語音控制;虛擬場景制作負責三維建模、渲染和管理虛擬場景[2]。有三個處理器，一個是傳統的CPU和GPU，另一個是專門為混合現實設計的HPU（全息處理單元）;IMU（慣性測量單元）用于跟蹤直升飛機的位置。

2常見應用場景

隨著AR項目和AR初創公司的大量資金投入，谷歌、蘋果、微軟、高通和佳能等IT巨頭開始展示AR和MR以及他們自己的AR-MR生態系統第一批消費品已經如雨后春筍般涌現。

（1）工業計算機廣泛應用于產品開發中，常見的系統有：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助裝配規劃，AR技術的應用大大提高了CAD/CAM的處理能力。

（2）2015年任天堂出版的游戲軟件巨頭Pokemon Go將AR技術應用到游戲領域，通過手機發現并捕捉現實世界中的虛擬幽靈，并以其卓越的創新取得了巨大成功。

（3）旅游/數字網站將旅游景點數字化，以AR的形式展現其魅力，如2006年北京理工大學王永田等人提出利用增強現實技術對圓明園進行數字化，實現圓明園的重建，而舊式的圓明園通過原有網站、移動設備AR、頭盔安裝AR等多種形式，在場館方面，AR技術可以成為讀者的私人助理和館員的得力助手，提高他們的工作效率信息展示的新階段。應用實例當讀者使用AR設備觀察書籍、景點、歷史遺址和其他增強材料時，將提供相關信息，如書目、視聽資料。它還可以幫助讀者（管理員）找到書籍并導航到用戶所在的位置。

（4）在汽車領軍城市gtc2016開發者大會上，德國馬牌展示了AR-AR增強現實技術在汽車領域的新應用。前盤顯示人機界面，計算機根據實際場景工程實時向硬盤發送信息。駕駛員所看到的速度、路線和交通狀況等信息與自然環境（如路面和建筑）有關。通過交互，駕駛體驗顯著提高。

3相關概念

數據可視化：對數據進行可視化表示的科學技術研究;可視化表示是指將某種概括形式的數據提取為信息，并以形式、顏色、運動和其他感官元素的形式來表示信息，以便高效、準確地向交流;相應信息的不同特征和變量之間的關系應包括;或數據可以視圖的形式呈現，以尊重與圖形有關的規律和模式。

它是一個不斷演化的概念，它在不斷地拓展自己的邊界，主要解決的是更高層次的技術方法，這些技術方法通過圖形、圖像處理、計算機視圖和用戶界面，通過實體、表面、特征和動感的表達，將模型與其他特定的模型進行比較實體和技術，包括數據視圖中的許多技術方法。

數據挖掘可視化：將數據域中的值映射到圖域編號，直到在一定程度上可以高效、準確地將數據描述在圖形上，包括數據采集、數據集成、ETL（數據準備、數據映射）、分析與挖掘、接收卡、動畫效果、視覺交互等，機械模擬等。

混合現實：它是虛擬現實和擴展的現實技術的進一步發展。這種技術將真實的信息放在虛擬世界中，在虛擬世界、現實世界和用戶之間建立一個互動的信息循環，提高用戶體驗的真實性。HoloLens是微軟開發的，混合的，基于現實的便攜式計算機，它也是最好的混合現實設備。

4傳統數據可視化

主要采用圖形、動畫等傳統的方式來查看數據，提供信息顯示。在圖表中加入背景音樂和一些簡單的互動，為動畫生成提供一些簡單的交互，其缺陷在于，傳統的圖形顯示只能使用二維圖形，雖然可以在圖形中添加陰影使其看起來像三維圖形，但效果仍然是傳統動畫用于數據可視化，但它不見了交互性;此外，傳統的數據可視化常常存在這樣的問題：數據無法實時更新。基于數據的可視化包括：繪圖后不要用給定的數據更新圖形。實時查看數據需要復雜的功能和高工作負載來支持。目前，通用的數據實時可視化系統是監控室的大型顯示系統。

5混合現實技術在大數據可視化中的應用

5.1實現大數據的三維模型表示。在混合現實技術的幫助下，數據可視化的結果大多是多樣化的，大數據以三維模型的形式顯示，如圓柱體、開普勒、管圖、網格陣列、三維散射圖等。數據將顯示在人們面前。此外，這些模型可以像積木一樣堆疊起來。每個模型都可以配置自己的屬性。為了區分它們，可以填寫不同的顏色，并可以單獨設置材質卡，使模型和平面有一定的顏色、亮度、自發光和天花板的功率顯示出來。以2018年博鰲亞洲論壇為例，以網格陣列的形式展示移動通信數據。業務量值的大小直接反映在立方體護套中，信號質量直接反映在反射的顏色中。但除了實時采集數據外，采用調用接口的方式獲取JSON格式的數據，根據寬度和長度，確定網格數組的具體分布情況，觀眾可以直接查看詳細的網格數據并點擊網格，對相應的數據進行研究，應用混合現實技術在三維模型中顯示大數據目前比較成熟，在一些大公司中運用相關技術來顯示銷售數據，并且主持人可以根據不同的時間代表不同產品的三維表現為了展覽的目的。該模型旨在為參與者提供不同時期不同產品的銷售情況，以制定切實可行的銷售策略，優化企業的經營效率。

5.2數據顯示無空間限制。目前最好的混合現實技術HoloLens設備，微軟的混合現實耳機便攜式計算機這是一個設備可以有數據可視化功能，把數據放在任何真實的空間位置和空間抓取功能，它可以在墻上顯示數據場，把數據模型放在桌面上，還可以存儲數據桌面。根據保存的顯示級別，很容易再討論打開。受系統限制，只支持HoloLens的SQLite數據：庫，并且只能本地存儲光數據并操作。不過，這臺設備可以通過接口連接到數據庫服務器，到一個數據交互到ENS的主要優點是它的便攜性。用戶可以訪問無空間限制的數據顯示。只要有網絡，就可以隨時把實時數據移到地面上看。在虛擬場景中，他們可以在三維模型下構建和移動，對于來自不同區域的交互式數據，他們還可以根據時間軸顯示數據，這適合于觀察數據的發展規律和類型。

5.3用戶與數據的豐富交互。最原始的計算機控制是鍵盤和鼠標，而全封閉系統的發展破壞了這種操作模式，使得人們通過手勢和聲音來控制計算機。在可視化過程中，人們可以通過點擊、旋轉、拖動、縮放等操作來使用數據模型，例如，當你點擊數據模型時，會出現一個更詳細的數據字段或子數據模塊。只需張開嘴就可以根據自己的需要來操縱。想要關閉一個窗口，你可以關閉按鈕并說“關閉”，當前窗口將直接關閉。隨著混合現實技術的發展，提高了可視化數據程序的交互功能，使數據的呈現更加有趣和實用。

5.4前所未有的展示效果。在對大數據進行可視化時，HoloLens可以根據顯示要求在數據中添加3D文本、炫目色彩、粒子效果等效果，使數據模型更加有效。它生動活潑，具有較強的科技意識，增強了對虛擬世界的替代感和沉浸感。單憑這一點，許多大型視覺屏幕的全息電影就顯得格外突出。還有全息透鏡。數據更新速度更快，可以達到幀的精細更新速度，支持多人協作功能。不同的人在同一時間穿全息線可以看到同一個領域，而數據可視化的結果是一個人操作，與其他用戶同步，非常實用。利用微軟提供的遠程可視化技術，可以實現遠程可視化，并可借助微軟的遠程設備輔助用戶查看數據，討論數據呈現問題，提出合理的解決方案，在高端會議中具有較高的應用價值。

5.5第三方透視功能的實現。HoloLens是一款小巧便攜的混合現實技術設備，能為用戶提供獨特的視覺體驗。然而，沒有全息圖的觀眾無法看到虛擬場景。如果他們想觀看，他們只能在顯示屏和大屏幕上同步顯示內部的HoloLens，以便在用戶之間提供信息共享。借助于HoloLens允許用戶在瀏覽器顯示中實時查看場景。這種瀏覽方法叫做第一視圖，這是非常實用的。但是，第一次觀看視頻的定義只有720p，而且有明顯的視頻間隙，只適合自己顯示，不適合外部顯示。為了解決第一視角的問題，微軟之前正式打出了第三視角的解決方案。這個解決方案需要更多的錢來制造高質量的筆記本電腦，專業相機，購買錄像機卡和硬件，如3D打印架和HoloLens相機驅動器。同時，由于它只能支持30分鐘的視頻，因此不能長時間使用該攝像頭來提供第三方視角演示。如果受挫后，叫停了技術人員，終于找到了解決辦法，借助外置攝像頭帶USB接口的透視功能來實現第三方的透視功能。

6結語

數據可視化的初衷是利用更容易理解和記憶的圖形來增加數據的可讀性，使交流更簡單、更順暢，全息攝影可以像科幻小說一樣生動有趣。全息鏡頭從一開始就是一個傳奇，它的出生有各種不可能的場景讓它成真吧。不僅僅是揚棄了傳統的可視化數據方式，并將在未來提供更多的行業。

參考文獻：

[1]張開法.混合現實技術在大數據可視化中的應用[J].電腦編程技巧與維護， 2019， 000（004）：84-86.

[2]史啟民， 李東輝， 何鵬.大數據可視化技術在智能化行業中的應用[J].電腦迷， 2017， 000（030）：48.