水下航行體航行數據可視化回放技術研究?

（中國船舶重工集團公司昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

數據回放技術是現代檢測技術的重要組成部分，其與數據采集技術、信號處理技術、計算機圖形學技術等相結合，已在雷達、通信、水聲遙測、遙感、地震勘測等許多領域有著廣泛的應用［1］。如何能夠快速、精確、直觀地實現大量歷史數據的回放，為用戶進行數據分析提供直觀、有效的科學判據，已成為目前數據回放的研究重點之一。

通常情況下，水下航行體在任務執行過程中能夠實時記錄相關航行數據，航行任務結束后，由專業的數據處理設備將記錄的數據讀出，并以數據列表或曲線圖的方式進行靜態顯示，技術人員通過查詢數據列表并進行大量的分析和計算，了解航行任務的執行情況。目前的數據回放分析工作，對數據分析人員的專業技能要求較高，且需要進行大量重復的查找和計算工作，數據回放及分析效率低。因此，用戶希望提供一種簡單快捷的方式，能夠對航行數據進行直觀、精確的回放分析。

針對以上問題，本文提出了一種以三維場景為主，結合二維圖表、語音播報等多種形式的數據回放方法，該方法通過標注數據特征點的進程回放控制實現數據回放的暫停/繼續、加速/減速、快進/快退以及跳轉回放等功能，并按照用戶要求的模板格式進行數據分析結果的自動生成。通過該方法可快速對航行體任務執行場景進行重構，再現航行任務執行過程，滿足用戶的數據回放需求，為其掌握水下航行體的工作情況提供了一種便捷、高效的途徑。

2 航行數據可視化回放關鍵技術

2.1 航行數據預處理

水下航行體在上電開始執行航行任務后，會根據設定的協議格式按照一定的采樣頻率記錄其航行數據，航行任務結束后，根據數據協議將采集到的記錄數據轉換為原始航行數據。數據預處理過程如圖1所示，從原始航行數據中提取出航行體的地理位置數據、動力學數據、聲信號數據和航行狀態數據等，按照這四類數據的采樣頻率和北京時間對這四類數據進行時間匹配，再結合北斗測量到的航行體入水經緯度數據進行坐標轉換、濾波與插值處理后獲得待回放的航行數據。

圖1 航行數據預處理流程

當航行體在水下航行時，北斗或GPS無法對其定位，通常使用慣導記錄其航行軌跡，在數據回放時，需要將慣導記錄數據轉換為經緯度。假設在某一時刻航行體慣導記錄數據為(?x'?y'h)，以航行體入水上電時刻所在位置為坐標原點，其中?x表示相對于原點正東方向的偏移量，?y表示正北方向偏移量，h為航行深度，則該時刻航行體所在位置的經緯度(B'L)可通過式（1）和式（2）實現。

式中：(B0'L0'h0)為坐標原點經緯度和深度，a、b為地球長短半徑，e、e'為地球的第一和第二偏心率，N為橢球面卯酉圈的曲率半徑［2］。

由于受到水下環境干擾、設備精度、數據采集模式以及傳輸方式等因素影響，記錄的數據可能與真實數據存在一定偏差，出現一些干擾數據。同時，受到數據采樣頻率的影響，數據記錄率可能是一秒一次或多次，導致三維回放界面刷新頻率過低，畫面出現卡頓、抖動、跳躍等現象。因此，本文對原始數據進行去噪處理、平滑處理和插值，保證數據的真實準確和回放動畫的順暢顯示［3～4］。

2.2 航行數據可視化技術

在進行數據回放時，不僅需要使用三維數據可視化技術重現其在各時間點的位置信息和航行姿態，還需要通過分析計算獲取其工作狀態、航行環境以及其它一些用戶關注的信息，將其以可視化的形式進行展示。針對這種情況，單一的數據展現形式已不能滿足回放的需求，需要結合多種數據可視化技術來實現數據回放。在航行數據可視化分析使用的數據可視化技術如下。

1）三維場景建模：為了便于用戶直觀了解和分析該航行體的任務執行情況，通過三維建模并驅動模型，建立動態的可視化三維航行圖像，回放航行任務中該航行體的姿態以及多個航行體間的相對位置變化。

2）二維航跡繪制：根據航行體記錄的位置信息，數據回放時在電子海圖上繪制航行體的航行軌跡［5］，并使用二維圖標在其航跡上標注出特征點的信息。

3）語音播報與音效展示：回放軟件中調用微軟自帶的Microsoft Speech API和Text-to-Speech引擎［6］，將文本轉換為語音，在航行體開始航行、航行到工作深度、上浮等關鍵時間點進行語音播報。此外，軟件調用MCI媒體控制接口函數［7］，讀取并播放。mp3背景音效文件，讓用戶聽到水流、發動機響動等音效，提升場景渲染效果。

4）動態圖表顯示：使用文本、列表、動態曲線圖、動態數據分布圖的形式顯示回放過程中各時間點航行體的位置、航速、角速度、航向等基本數據以及深度、頻率、脈寬、信號強度等特征曲線。

2.3 基于特征點的回放進程控制方法

為了再現航行任務執行的過程，在進行數據回放時，需要對數據按照實際記錄的時間點進行動態回放，同時用戶可以進行開始回放/停止回放、暫停/繼續、加速/減速和按照指定時間間隔進行快進/快退、跳轉到指定時間點或指定位置的操作。同時，在數據回放過程中，尤其是加速或快進時，需要確保一些關鍵特征點的信息不會丟失，比如航行體入水航行點、上浮點、軌跡姿態發生變化點以及包含聲學特征的數據點。本文提出了一種基于特征點的回放進程控制方法，以滿足用戶對數據動態回放的需求，該方法的具體實現如下。

1）將待回放的數據讀入緩存區，尋找并標記出含有關鍵特征點的數據幀；

2）設置一個值N1表示數據當前回放幀的位置，當用戶開始回放操作時，將第一幀數據發送給處理端，記錄當前時間tr1，并將其設置為前一幀數據的回放時間；

3）判斷用戶是否選擇快進/快退，若選擇了快進/快退，則根據快進/快進的時間間隔?t和數據回放幀率f，更新數據回放幀的位置N1=N1±?t*f，將當前回放位置處的數據幀發送給處理端，同時將前一幀數據回放時間點設置為當前時間；

4）判斷用戶是否選擇暫停，若是，則執行步驟3），否則執行下一步；

5）根據用戶是否進行加速或減速操作得到數據回放倍率X，同時獲取當前時間tr2，計算得到tr2時刻回放數據幀的位置N2=N1+（tr2-tr1）*X*f。比較N2和N1+1，若如果N2

6）遍歷回放位置N1+1到回放位置N2間的數據，判斷是否有特征點數據，若回放位置N3∈［N1+1，N3］且位置N3處數據含有特征數據，則更新當前回放位置N1=N3；若回放位置N1+1到回放位置N2間的回放數據均不含特征點數據，則更新當前回放位置N1=N2并將該回放位置處的數據發送到處理端。

2.4 基于vieWTerra的三維場景建模

回放軟件中使用vieWTerra作為回放系統的三維渲染平臺，它是由一個逼真度非常高的地球瀏覽器和一套直觀易用的編輯工具構成，能夠提供從海底到外層空間范圍內任意方向上的無縫導航［8～10］。通過訪問vieWTerra軟件開發庫，運用VC++編程語言、OpenGL圖形應用接口和Opencv2計算機圖形庫，對其進行二次開發，對航行體的航行場景進行三維重現。為了實現三維場景回放，進行了以下三方面的研究。

1）三維模型的建立

使用3DS MAX專業建模軟件，快速實現對水下航行體三維模型的建立。將3DS MAX繪制的模型導出為三維模型文件（*.3DS），該格式文件可供vieWTerra仿真軟件直接調用。3DS MAX繪制的三維模型中，所有模型都具有軸心和以軸心為原點的坐標系統，模型的軸心作為該模型旋轉變化的中心點，按對應的偏移量旋轉相應的角度，實現姿態的變化。航行體在建立模型時，主要分為殼體、軸和螺旋槳三個部分，分別建立三者的3DS模型，vieW?Terra加載這三個模型并將其組合為一個整體。數據回放時，根據讀取的數據更新航行體的位置和姿態，生成回放的3D動畫。

2）水下場景模擬

vieWTerra提供的水下場景只能模擬水下20m左右深度的區域，而水下航行體的最大航行深度一般都超過這個數值。由于我們的關注點主要是航行體的航行情況，對水下環境仿真度要求不高，本文使用基于OpenGL的紋理映射模型，再結合vieWTerra平臺中提供的場景渲染功能，實現簡單水下環境模擬。選取一張大小不超過256*256的24位位圖的海面或湖面圖像作為水面紋理圖像，通過重復紋理映射模型建立四邊形平面和四邊形曲面，將平面作為海底，曲面作為海面，二者高度表示水下深度，通過設置它們間的背景和霧化效果來模擬水下環境。數據回放時，程序根據回放時間控制海面在坐標軸上的偏移量，形成海面水流波動效果，配合水流等音效，為用戶提供更真實的回放體驗。

重復紋理映射是指將紋理圖像重復映射到多邊形表面區域上，從而形成具有更多細節相似的紋理四邊形［11～12］。如圖2所示，設定水面紋理圖像左下角為坐標原點，對其像素進行歸一化處理，形成1*1的小正方形。對于需要生成的四邊形平面，定義其左下角為坐標原點，右上角為坐標為（m，n），則該四邊形由m*n個小正方形組成，再將歸一化的紋理圖像映射到每個小正方形中。

圖2 重復紋理映射示意圖

3）三維視點控制

在三維場景回放展示時，可以通過改變不同的觀察位置和觀測點視角來向用戶展示相同時刻在不同位置和不同視角處觀測到的三維場景。當有多個航行體在水下航行時，系統需要根據它們間的位置關系選取最優觀測位置和角度，以便在同一幀畫面中觀測到多個航行體及它們間的相對位置關系。

如圖3所示，在同一時刻有A、B兩個航行體，若觀測視點和視角選取不合理，則觀測不到航行體或出現遮擋。下面提供一種最優視角和視點選取方法。

圖3 三維場景視點控制示意圖

首先，獲取航行體A的三個主要幾何點平面坐標：A0(xa0'ya0)、A1(xa1'ya1)、A2(xa2'ya2)，其中A0為三維建模時A的幾何中心，A1、A2為軸兩端的頂點，同理，得到航行體B的三個位置坐標B0(xb0'yb0)、B1(xb1'yb1)、B2(xb2'yb2)；然后，以A0為原點作到B0的直線連接線，并延長50m～200m左右的長度距離，找到視點1，這樣兩觀測對象均位于觀測視點的正方向；接下來進行觀測視點的規避移動，建立以航行體A為圓心，視點與航行體B間距為半徑的圓形運動軌跡模型，利用圓形運動軌跡模型，均勻調整視點的位置使之移除盲區角度區間，將觀測視點由視點1轉移至視點2，達到規避操作的目的。為了便于計算，視點2選取A1、B2延長線上距B2距離為l的點P2，P2坐標可由式（4）計算得到：

設觀測視角與正北方向的夾角為β，則

2.5 航行任務數據分析結果自動生成

在完成數據回放分析工作后，用戶需要根據水下航行體任務執行情況，編制任務分析總結報告。目前的任務總結報告由數據分析人員手動編制，由于編制人員和報告風格的不同，導致報告結果導向性存在差異。為了實現數據分析結果的自動生成，需要對分析判據進行量化，輸出結構化的分析結果。

1）量化分析判據：根據水下航行體的技術指標以及航行任務書，提煉出分析判據，再使用結構化語言對分析判據進行描述。本文將水下航行體任務執行情況的分析判據分為三類：功能判據、邏輯判據及性能判據。其中，功能判據可描述為“完成某一功能”，即“航行體進入工作狀態A”；邏輯判據可描述為“在收到外部消息q的情況下，進入工作狀態B”；性能判據可描述為“在（t1，t2），航行體的性能指標f∈(p1'p2)”，性能指標包括航速、航向、航深以及聲學參數等。將提煉出的結構化分析判據以xml文檔的格式進行存儲，在進行任務分析時，讀取xml中判據，將其與實際航行數據對比，完成分析判據的判別工作。

2）輸出結構化分析結果：針對不同型號的水下航行體及不同類別的航行任務，與用戶進行溝通，形成結構化的分析報告。分析報告以Word模板格式保存，在模板中需要填寫信息的位置插入書簽，書簽用于定位程序所提取的數據，在形成對應文字、表格或圖形后輸出至Word模板文件中的位置［13］。

3 應用實例

通過對航行數據可視化關鍵技術的研究，研發了針對某型號水下航行體的數據回放分析平臺，該平臺軟件基于OpenGL圖形平臺以及vieWTerra三維仿真平臺開發而成。

航行數據回放分析軟件首先對航行體記錄的航行數據進行提取和解析，獲取聲學數據、姿態與位置數據、動力學數據等，將其存入數據庫中，通過航行任務號、產品型號、航行時間對數據進行管理。用戶需要了解航行情況時，通過軟件界面讀取待回放數據，數據讀取時對其進行預處理操作，獲取數據時間戳并提取數據中的關鍵特征點數據，對其進行標識，軟件可根據用戶操作實現航行數據的動態回放、數據表格與曲線圖的自動生成，并形成航行數據任務分析報告。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 軟件工作流程流程圖

系統主要有項目管理、回放數據預處理、三維場景渲染、回放進程控制、數據顯示、結果分析與輸出這六個模塊組成，其功能覆蓋了數據回放的全部內容，主要包括回放數據的導入、數據預處理及數據特征值提取、航行體幾何模型的制作與驅動、三維仿真場景與語音播報精確同步播放、航跡顯示、回放場景的播放控制等。圖5所示為使用航行數據可視化回放軟件對某航行器在一次水下執行任務的全過程進行數據回放，用戶通過該軟件直觀全面的了解該航行體在航行過程中的位置、姿態以及工作狀態等信息。

圖5 某水下航行體數據回放示意圖

4 結語

本文提出了一種以三維場景為主，結合二維圖表、語音播報等多種形式的數據回放方法，通過標注數據特征點的進程回放控制方法實現了數據的三維動態可視化回放；使用vieWTerra作為三維回放平臺，解決了三維建模中水下場景模擬、三維視點控制等問題，對水下航行體航行情況進行了多方式、多角度的展示。本方法通過對分析判據進行提煉和量化，按照結構化的分析結果模板，實現了分析結果的自動生成與輸出，為航行任務的執行情況提供了科學有效的分析依據，提高了水下航行體在水下執行任務過程中航行數據的可維護性和追溯性。