基于全景技術(shù)的隧道工程遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)研究*

周 永，馬軍旗，張志增，程梨明，李 芳，柳志丹，陳軍程

（1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 652600）

引言

近年來，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的全景監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于地下工程領(lǐng)域[1]，并極大促進(jìn)了地下工程的發(fā)展。目前，已有許多工作人員對(duì)全景監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)做了大量研究，其中張茂軍等人提出了一種在虛擬空間會(huì)議系統(tǒng)中構(gòu)造虛擬會(huì)議空間模型的方法[2]；齊越等人提出了一種虛擬空間會(huì)議系統(tǒng)的視覺合成方案，使與會(huì)者以替身的形式出現(xiàn)在虛擬空間中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與會(huì)者的“面對(duì)面”交流[3]；李凌等人提出了一種基于感知控制的虛擬空間會(huì)議系統(tǒng)的視頻傳輸方案，提高了虛擬會(huì)議系統(tǒng)中視頻流傳輸效率[4]；孫立峰等人通過構(gòu)造出支持參會(huì)人彼此間能相互交流的虛擬交互環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了多視點(diǎn)虛擬會(huì)議的顯示與合成[5]；陳超等人通過對(duì)語音識(shí)別技術(shù)、實(shí)時(shí)翻譯技術(shù)以及語音朗誦技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)建出了用于煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程會(huì)議實(shí)時(shí)翻譯的應(yīng)用[6]；茍玉清提出了一種能夠融合電視轉(zhuǎn)播車信號(hào)調(diào)度靈活和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)傳輸便捷特點(diǎn)的技術(shù)方案，使復(fù)雜的異地互傳信號(hào)變得簡潔高效[7]；董長富等人給出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的音視頻設(shè)備三維放置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)音視頻設(shè)備部署訓(xùn)練手段匱乏的問題[8]；陳文龍等人通過運(yùn)用無人機(jī)全景技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)三維全景現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)全景技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[9]；馬勇等人通過通信網(wǎng)絡(luò)在云服務(wù)器上部署隧道通信程序，實(shí)現(xiàn)了基于云服務(wù)器的變電站啟動(dòng)調(diào)試全景監(jiān)控系統(tǒng)[10]；申偉光通過對(duì)全景技術(shù)和3DGIS技術(shù)融合后應(yīng)用于煤礦巷道的基本理論和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，對(duì)基于3DGIS的煤礦巷道全景技術(shù)有了初步了解[11]。縱觀已有研究，全景監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)在隧道工程中的應(yīng)用還是獨(dú)立開展的，尚未有將兩者有機(jī)結(jié)合和綜合應(yīng)用的研究報(bào)道。

本文通過對(duì)全景監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)合隧道工程實(shí)例，從優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的角度探討全景監(jiān)控技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)綜合運(yùn)用的效果。

1 三維全景監(jiān)控技術(shù)

三維全景監(jiān)控技術(shù)是以全景信息采集技術(shù)為核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，通過在空間中的一點(diǎn)連續(xù)采集鏡頭范圍內(nèi)的圖形，經(jīng)過處理后合成該視點(diǎn)的無縫隙全景圖像，最終利用全景監(jiān)控顯示界面實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控場(chǎng)景的任意視點(diǎn)展示[9]。

全景信息的采集是通過全景信息采集器對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，常見的采集方式有：（1）通過全景攝像頭直接采集全景信息；（2）利用普通相機(jī)連續(xù)重合拍攝照片，后期通過人工拼接合成全景圖像[12]。本研究選用魚眼鏡頭及相關(guān)設(shè)備作為全景信息采集器。

全景監(jiān)控視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸包括有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種方式，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓ぷ髟硎峭ㄟ^網(wǎng)線將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭與外界的主機(jī)連接，從而將采集到的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控顯示器上，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸則通過無線信號(hào)中繼子系統(tǒng)、無線網(wǎng)橋、交換機(jī)等將采集到的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控顯示器上。相比于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）綜合成本低，性能穩(wěn)定。采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸常受環(huán)境的影響，在面對(duì)復(fù)雜的地理環(huán)境時(shí)，有線網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)施工周期長、施工不便且無法完成布設(shè)的概率較大，而無線網(wǎng)絡(luò)傳輸可以擺脫線纜的束縛，安裝快捷、維護(hù)方便[13]；（2）組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好。工作人員可隨時(shí)將新設(shè)監(jiān)控點(diǎn)加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了即插即用的可能性[14]。由于隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜且大型器械頻繁施工作業(yè)，布設(shè)網(wǎng)線不僅影響施工作業(yè)，還容易損壞，進(jìn)而影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作，所以本研究在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

三維全景視頻監(jiān)控的工作原理是將靜態(tài)的圖片轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的視頻圖像，從而使其不僅具有景深、動(dòng)態(tài)圖像、聲音等包羅萬象的因素，還具備聲畫對(duì)位、聲畫同步的功能。相比實(shí)際工程中普通視頻監(jiān)控視角單一、效率低、對(duì)施工管控作用小、信息缺失等的問題，三維全景視頻監(jiān)控基于全景監(jiān)控?cái)z像、實(shí)時(shí)視頻和圖片傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多視角全方位監(jiān)控，對(duì)隧道施工關(guān)鍵部位、關(guān)鍵行為適時(shí)有效監(jiān)控。用戶可通過左右360°和上下180°全方位視角任意觀看監(jiān)控場(chǎng)景，從而產(chǎn)生身臨其境之感。

全景監(jiān)控系統(tǒng)早期常作為全景行車可視輔助系統(tǒng)用于汽車領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)硬件及軟件技術(shù)的不斷增強(qiáng)以及成本的不斷降低，全景監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。近年來全景監(jiān)控系統(tǒng)在地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了大力發(fā)展。

目前，全景監(jiān)控系統(tǒng)在隧道工程中的用途有以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)現(xiàn)各級(jí)主管對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的及時(shí)掌控；（2）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可隨時(shí)隨地掌控不同現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度；（3）方便領(lǐng)導(dǎo)視察，無需進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，即可了解隧道現(xiàn)場(chǎng)的全部情況；（4）全面提升地下工程的管控指揮、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及迅時(shí)響應(yīng)水平等。

但是目前的全景監(jiān)控系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多屏監(jiān)控，并不能實(shí)現(xiàn)多區(qū)域同屏?xí)h交流，這恰好是遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

2 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)

遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)是指至少有兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的用戶通過多媒體設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)線路實(shí)時(shí)傳送各終端之間的圖像、語音及文件等的現(xiàn)代化辦公會(huì)議系統(tǒng)[15]。其源自于1964年Bell實(shí)驗(yàn)室最早研制出的可視電話，其隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展也經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，僅網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)便已從最初的公共交換電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到現(xiàn)如今的互聯(lián)網(wǎng)[16]。

遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)分為電話會(huì)議系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議系統(tǒng)以及視頻會(huì)議系統(tǒng)三類，其中電話會(huì)議系統(tǒng)主要通過多方互聯(lián)的方式把會(huì)議主控人與分散多地的與會(huì)者組織在一起，然后通過電話進(jìn)行多人異地會(huì)議交流；網(wǎng)絡(luò)會(huì)議系統(tǒng)主要用于協(xié)同辦公，具有數(shù)據(jù)共享、面對(duì)面交流等功能；而視頻會(huì)議系統(tǒng)主要通過聲音、影像以及資料的互傳，實(shí)現(xiàn)異地溝通交流的目的。本研究主要通過網(wǎng)絡(luò)會(huì)議系統(tǒng)進(jìn)行探討。

目前市面上的遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，國外也正在研發(fā)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的新型辦公會(huì)議系統(tǒng)。遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)憑借實(shí)時(shí)互動(dòng)、多點(diǎn)交流、資源共享及簡單可靠的特點(diǎn)，不僅可以加快企業(yè)內(nèi)部對(duì)各項(xiàng)工作的決策和傳達(dá)，還能降低用戶成本，提高用戶溝通管理效率[17]。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、金融、科技以及電信等領(lǐng)域[18]。

現(xiàn)階段，遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)在隧道工程方面的應(yīng)用，仍然是常規(guī)的室內(nèi)會(huì)議交流，在探討施工現(xiàn)場(chǎng)問題時(shí)，主要通過將二維照片和視頻傳輸?shù)綍?huì)議各終端，然后進(jìn)行網(wǎng)頁共享、電子白板同步交流。由于二維照片和視頻的局限性，常致使現(xiàn)場(chǎng)還原模糊，與會(huì)者不能直觀了解施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)而影響到會(huì)議的效果，而這恰好是全景監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

3 全景監(jiān)控技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

隧道工程屬于地下建筑工程，具有隱蔽性強(qiáng)、施工環(huán)境惡劣的特性，在其施工過程中常存在較大的安全隱患，不適宜大量人員隨時(shí)進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)，但由于其施工工藝流程復(fù)雜，在施工過程中常遇到各類施工技術(shù)難題，需要技術(shù)人員隨時(shí)指導(dǎo)以及各級(jí)主管人員的隨時(shí)巡視。而全景監(jiān)控技術(shù)完美的解決了這一問題，全景監(jiān)控系統(tǒng)具有360°無死角監(jiān)控及實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)墓δ埽夹g(shù)人員及各級(jí)主管人員可通過全景監(jiān)控界面清楚了解施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，進(jìn)而做出相應(yīng)的指導(dǎo)和指揮工作，避免了長期滯留在隧道現(xiàn)場(chǎng)的情況，為工作人員的安全做出了極大的保障。但全景監(jiān)控系統(tǒng)僅支持多終端瀏覽并不能進(jìn)行信息交流，在遇到突發(fā)事件及特大技術(shù)難題時(shí)，仍需多名相關(guān)專家通過視頻會(huì)議或從全國各地趕至工程現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)勘察后給出解決方案。

在多方異地音頻交流方面，遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢(shì)，文件傳輸、面對(duì)面交流、同步網(wǎng)頁及電子白板書寫早已成為可能，但遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)目前多支持室內(nèi)辦公室會(huì)議，在隧道工程會(huì)議中還未能實(shí)現(xiàn)與會(huì)者多人同步觀察施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的功能，大多依托于二維圖片及視頻進(jìn)行分析交流，在此過程中常存在缺少感性認(rèn)識(shí)、溝通效率低下等問題。

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)全景信息顯示方面，遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)多人異地同時(shí)觀察隧道現(xiàn)場(chǎng)信息；在音頻交流方面，全景監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)各終端之間的音頻、數(shù)據(jù)交流。因此，在隧道工程中實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)在技術(shù)上的耦合，將極大的推發(fā)動(dòng)隧道工程在智慧地下工程方面的發(fā)展[19]。

遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)作為一個(gè)綜合性的信息交流平臺(tái)，可將全景信息采集器采集到的相關(guān)信息進(jìn)行集成整合，然后實(shí)現(xiàn)異地展示交流。將全景監(jiān)控技術(shù)融合到遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)之中，既增強(qiáng)了全景監(jiān)控技術(shù)的影像展示功能，又使遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的音頻信息交流功能得到了充分利用。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

以某在建隧道工程為例，在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)按要求定點(diǎn)布設(shè)全景信息采集器，然后根據(jù)隧道內(nèi)部實(shí)際情況布設(shè)相應(yīng)的中繼點(diǎn)，最終全景監(jiān)控系統(tǒng)通過無線網(wǎng)橋?qū)⑷靶畔⑵鞑杉降娜靶畔鬏數(shù)浇粨Q機(jī)，再通過交換機(jī)將全景信息傳輸?shù)巾?xiàng)目部的監(jiān)控主機(jī)中，流程如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)隧道工程的全景遠(yuǎn)程會(huì)議交流，需將會(huì)議系統(tǒng)位于項(xiàng)目部終端的影像獲取端口轉(zhuǎn)換為全景監(jiān)控系統(tǒng)的全景信息輸出端口，主要是通過項(xiàng)目部的會(huì)議主控人在發(fā)起遠(yuǎn)程會(huì)議之前將隧道全景監(jiān)控記錄文件夾設(shè)置為遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)影像采集的的默認(rèn)文件來實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)會(huì)議接通后，隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的全景信息便通過遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的音頻服務(wù)器傳輸?shù)狡渌麜?huì)議終端，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖1 全景監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)傳輸流程圖

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

前期的技術(shù)耦合工作完成后，即可實(shí)現(xiàn)基于全景監(jiān)控技術(shù)的隧道工程遠(yuǎn)程會(huì)議交流。在會(huì)議發(fā)起前，會(huì)議主控人需通過其他信息交流軟件通知參會(huì)人員本次會(huì)議采用的會(huì)議軟件及會(huì)議召開時(shí)間；開會(huì)時(shí)，位于項(xiàng)目部的會(huì)議主控人通過虛擬現(xiàn)實(shí)會(huì)議軟件邀請(qǐng)分散在全國各地的會(huì)議參與人參加會(huì)議；會(huì)議接通后，會(huì)議主控人的顯示界面在其他各會(huì)議終端顯示為隧道現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，其他會(huì)議終端用戶可選擇該界面為顯示屏主界面，佩戴上虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)配套的VR頭盔、眼鏡等即可身臨其境的感受隧道現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景并進(jìn)行相應(yīng)的會(huì)議探討和交流。而會(huì)議主控人在會(huì)議中可根據(jù)各終端用戶的需求，通過監(jiān)控主機(jī)上的監(jiān)控指令來切換和調(diào)整界面中的隧道場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)在會(huì)議中的無死角展示，遠(yuǎn)程會(huì)議交流過程中各終端的顯示界面如圖3所示。

基于全景監(jiān)控技術(shù)的隧道工程遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的功能：（1）在工程方面，在隧道施工遇到技術(shù)難題時(shí)，可及時(shí)召開專家組遠(yuǎn)程會(huì)議，專家們?cè)诟鹘K端即可身臨其境的觀察隧道現(xiàn)場(chǎng)情況并進(jìn)行有效的信息交流，便于各方人員在短時(shí)間內(nèi)詳細(xì)了解工程現(xiàn)狀并商討解決方案；（2）在工程管理方面，管理人員及公司高層無需親臨現(xiàn)場(chǎng)，可通過召開基于全景監(jiān)控技術(shù)的隧道工程遠(yuǎn)程會(huì)議，在會(huì)議終端直接觀察工程現(xiàn)場(chǎng)全景、了解施工進(jìn)度，根據(jù)施工情況和進(jìn)度及時(shí)對(duì)下級(jí)人員做出下一步的工作安排，進(jìn)而減少管理人員往返于現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間，提高工作效率。（3）在教學(xué)方面，解決了學(xué)校不能大規(guī)模組織學(xué)生去隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)習(xí)的難題，學(xué)校可通過基于全景監(jiān)控技術(shù)的隧道工程遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)開展現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，使老師和學(xué)生無需到達(dá)隧道現(xiàn)場(chǎng)也能身臨其境的感受隧道施工場(chǎng)景。校外導(dǎo)師可通過系統(tǒng)對(duì)學(xué)生直接開展工程現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)分析，一方面，為師生的人身安全提供了保障，另一方面，使學(xué)生們脫離了書本上的死知識(shí)，達(dá)到直接認(rèn)知的效果，從而使得教學(xué)效果更為顯著。

圖3 遠(yuǎn)程會(huì)議信息交流終端界面顯示圖

5 結(jié)束語

全景監(jiān)控技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)在地下工程領(lǐng)域均已廣泛應(yīng)用。全景監(jiān)控技術(shù)具有全景影像實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程多屏同步觀看等優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)可提供遠(yuǎn)程異地音頻交流、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)頁同步等功能，將全景監(jiān)控技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)耦合后應(yīng)用于隧道工程之中，使兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不僅解決了普通遠(yuǎn)程會(huì)議由于其二維照片和視頻的局限性，致使現(xiàn)場(chǎng)還原模糊，與會(huì)者不能直觀了解工程現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)而影響商討方案時(shí)長和準(zhǔn)確性的問題，也解決了全景監(jiān)控系統(tǒng)無法多終端音頻交流的問題，進(jìn)而極大推動(dòng)智慧地下工程的發(fā)展。