AR 技術(shù)下船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)

王 蓓

(聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東 聊城 252000)

0 引 言

設(shè)計(jì)合適的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面，是有效規(guī)范與管理船舶航行路徑，保障船舶安全穩(wěn)定航行的重要條件[1–2]。

吳瀟燦等[3]提出基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的船舶組合導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方法；古毅杰等[4]提出基于視覺感知技術(shù)的船舶組合導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方法。二者均可較好完成船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)，但是一旦船舶航行的海洋環(huán)境較為復(fù)雜，便無法準(zhǔn)確獲知船舶航行狀況。將AR 技術(shù)應(yīng)用于船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)中，對船舶航行環(huán)境實(shí)施合理有效的三維模擬，實(shí)時(shí)高效地將船舶航行圖像展示于船舶駕駛?cè)藛T面前，可使船舶駕駛?cè)藛T準(zhǔn)確獲知船舶航行情況，以便及時(shí)糾偏。為此，本文研究AR 技術(shù)下船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方法，更好保障船舶安全穩(wěn)定航行。

1 船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)

1.1 AR 技術(shù)下船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面架構(gòu)

在實(shí)際工作中，船舶導(dǎo)航的主要目的是通過使用合理的計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對船舶的航行路線以及環(huán)境信息實(shí)施有效采集，從而為船舶在航行過程中選擇更合適的航行路線，并合理避障。而想要獲取較為理想的船舶導(dǎo)航效果，設(shè)計(jì)出一種較為合理的船舶導(dǎo)航交互界面是比較關(guān)鍵的一環(huán)。鑒于AR 技術(shù)在視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢，本文基于AR 技術(shù)對船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使用AR 技術(shù)對船舶航行的環(huán)境實(shí)施有效的三維可視化模擬，快速將船舶航行環(huán)境展示于用戶面前，使用戶獲得較為理想的視覺體驗(yàn)。設(shè)計(jì)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面架構(gòu)如圖1 所示。在實(shí)際工作中，可采用觸發(fā)相應(yīng)傳感器的方式，連接船舶航行信息終端，高效采集船舶導(dǎo)航過程中需要用到的各種環(huán)境信息，并以采集到的各種信息為可靠依據(jù)，應(yīng)用AR 技術(shù)，完成船舶航行環(huán)境三維可視化模型構(gòu)建，并在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面完成相應(yīng)顯示。

圖 1 船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面架構(gòu)Fig. 1 Interactive interface architecture of ship navigation system

1.2 AR 技術(shù)下的船舶航行環(huán)境三維虛擬模型構(gòu)建

以往在對船舶航行環(huán)境執(zhí)行三維虛擬模型構(gòu)建時(shí)，多通過與OSG 相似的三維性質(zhì)圖形設(shè)計(jì)程序完成，該類軟件程序雖可較好完成船舶航行環(huán)境三維虛擬模型的虛擬顯示以及模型交互，但在模型構(gòu)建方面的性能稍顯薄弱，具體表現(xiàn)為一旦所需構(gòu)建的船舶航行環(huán)境三維虛擬模型較為復(fù)雜時(shí)，便無法獲得較為清晰的船舶航行環(huán)境虛擬模型[5]。為充分利用其在模型虛擬顯示與交互方面的優(yōu)勢，并摒除其在三維虛擬模型構(gòu)建方面劣勢，對實(shí)際船舶航行與管理方面的產(chǎn)生不良影響，本文在對船舶航行環(huán)境實(shí)施三維虛擬模型構(gòu)建時(shí)，應(yīng)用三維模型構(gòu)建效果較好的SolidWorks，Unity3D 以及3dMaxd 三種軟件完成船舶航行環(huán)境虛擬模型構(gòu)建，并在模型構(gòu)建完成后，利用OSG 軟件程序完成三維模型虛擬顯示以及交互。具體的船舶航行環(huán)境三維虛擬模型構(gòu)建流程可歸結(jié)為：

1）通過觸發(fā)圖像采集傳感器方式，連接艦船航行信息終端，采集艦船航行環(huán)境信息，將采集到的環(huán)境信息經(jīng)有效預(yù)處理后，加載到SolidWorks 軟件對除海洋外的其他艦船航行環(huán)境場景實(shí)施有效的三維虛擬場景初始模型構(gòu)建。

2）海洋三維虛擬場景初始模型構(gòu)建。由于對艦船駕駛?cè)藛T來講，首先映入眼簾的會(huì)是海面，而海面并不完全靜止，因而在進(jìn)行艦船航行環(huán)境三維虛擬場景模型構(gòu)建時(shí)，對海面這一場景實(shí)施三維建模時(shí)，要區(qū)別于其他場景建模。以往在對海面實(shí)施建模時(shí)，多數(shù)只是繪制一個(gè)二維平面，并將其放入SolidWorks 軟件進(jìn)行簡單處理，真實(shí)感極低。如此，最終呈現(xiàn)于艦船駕駛?cè)藛T眼中的艦船航行環(huán)境很大程度上會(huì)是失真狀態(tài)，無法更加全面地了解艦船航行環(huán)境，并對其安全性做出合理預(yù)判。基于此，對海洋的模擬采用多個(gè)連續(xù)面向海面逼近的方式，將其首先模擬成一種含有多個(gè)采樣點(diǎn)的網(wǎng)格，之后根據(jù)各采樣點(diǎn)的相應(yīng)采樣值，獲取相應(yīng)的高度值表征海面。采樣點(diǎn)最終高度的求解過程可描述為：

式中：Height(a,b)，Hplanar(a,b)分別為采樣點(diǎn)處的最終高度以及海平面高度；f(a,b)為海量的高度采樣值。

依據(jù)上述論述，可將具體的海洋建模過程簡單描述如下：利用LOD 技術(shù)構(gòu)建一個(gè)維度是二維的海平面網(wǎng)格；創(chuàng)立高度場，并將海平面網(wǎng)格中的點(diǎn)當(dāng)作采樣點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的高度場高度求解操作，確定各海平面網(wǎng)格點(diǎn)的三維性質(zhì)坐標(biāo)，得到最終的三維海平面；加入光照以及反射等效果增強(qiáng)海洋模型的真實(shí)感。

經(jīng)過上述操作，將所構(gòu)建的其他場景初始模型與海洋場景初始模型在3dMax 中導(dǎo)入，并使用3dMax將二者連接融合在一起，構(gòu)建完整的船舶航行環(huán)境三維虛擬場景初始模型，之后依次完成相應(yīng)的紋理貼圖、模型渲染等，便可獲得完整的擁有豐富紋理以及色彩信息的船舶航行環(huán)境三維虛擬場景模型。

3）艦船航行路徑三維建模與加載。艦船航行路徑數(shù)據(jù)通過服務(wù)器使用MySQL 數(shù)據(jù)庫實(shí)施合理管理，在對航行路徑實(shí)施三維建模時(shí)，由客戶端向服務(wù)器發(fā)送航行路徑數(shù)據(jù)調(diào)用請求，請求通過后，服務(wù)器以相應(yīng)的SQL 語句為有效數(shù)據(jù)獲取媒介獲取艦船航行路徑數(shù)據(jù)，并將艦船航行路徑數(shù)據(jù)以JSON 格式重新發(fā)送給客戶端，客戶端在接收到數(shù)據(jù)后，采用Unity3D 軟件中的三維視景程序構(gòu)建航行路徑三維虛擬模型，并利用Unity3D 內(nèi)置的UGUI 系統(tǒng)將航行路徑加載到相應(yīng)的航行環(huán)境三維虛擬場景模型中，獲得最終的航行環(huán)境三維虛擬模型。

1.3 船舶航行環(huán)境三維虛擬模型法線貼圖

因常規(guī)的紋理貼圖方式，只能簡單地將所構(gòu)建三維模型的材質(zhì)特征表征出來，對于模型表面存在的某些細(xì)小的線條輪廓特征，并不能給予很好的呈現(xiàn)。為此，針對上述問題，使用能夠較好體現(xiàn)模型細(xì)小輪廓特征的法線貼圖方式對所構(gòu)建的航行環(huán)境三維虛擬場景初始模型進(jìn)行合理貼圖，凸顯模型表面的細(xì)小輪廓特征，從而使構(gòu)建的艦船航行環(huán)境三維虛擬場景模型更加逼真形象。貼圖原理如圖2 所示。

圖 2 法線貼圖原理Fig. 2 Principle of normal mapping

E標(biāo)記模型表面存在一個(gè)空貼圖，將其圖形坐標(biāo)標(biāo)記為(i,j), (i,j)上存在的像素標(biāo)記為Vi,j，將E合理附著貼合于低面數(shù)模型，并從E中隨意挑選一個(gè)Vi,j按低面數(shù)模型表面擁有的法線方向?qū)ふ腋呙鏀?shù)模型表面，只要追趕到，便對該位置存在的法線執(zhí)行有效記錄操作，用N(x,y,z)標(biāo)記該法線，按照此種方式不間斷進(jìn)行記錄，直到完成整個(gè)貼圖。在實(shí)際的工作中，因法線通過三維向量記載，故通常將所獲法線記錄結(jié)果放入RGB 通道實(shí)施合理存儲(chǔ)，用Ux，Uy，Uz分別標(biāo)記x軸、y軸與z軸的法線向量，若其滿足式(1)則對其執(zhí)行有效的向量歸化處理，將其歸化到像素灰度區(qū)間[0,255]。利用上述方法，可快速完成船舶航行環(huán)境三維虛擬場景模型貼圖操作，顯著提升模型逼真程度。

1.4 船舶航行環(huán)境三維虛擬模型渲染

以往在對三維虛擬模型執(zhí)行合理渲染操作時(shí)，多采用雙線性光強(qiáng)插值或雙線性法向插值方法完成相關(guān)渲染操作，但是前者雖具有較少的計(jì)算量，卻不適應(yīng)高光狀況下的模型渲染，后者雖然具有較好的高光效果，運(yùn)算復(fù)雜度卻很高。若在對三維模型執(zhí)行合理渲染時(shí)，能夠按不同情形，充分結(jié)合二者優(yōu)勢對模型實(shí)施合理渲染，將收獲較為理想的模型渲染效果。為此，基于2 種算法對其實(shí)施相應(yīng)改進(jìn)。使用改進(jìn)插值算法完成船舶航行環(huán)境三維虛擬模型渲染，具體的算法流程如圖3 所示。該模型渲染算法的主要思想為：對三維模型執(zhí)行有效的高光以及非高光多邊形區(qū)分操作，并通過雙線性光強(qiáng)插值方法實(shí)施合理計(jì)算，判別當(dāng)前多邊形是否處于高光狀態(tài)，若是，便利用雙線性法向插值法完成相應(yīng)計(jì)算。如此，既能降低模型渲染工作中的運(yùn)算復(fù)雜度，又能保障渲染完成的模型具有較好的高光效果。

圖 3 模型渲染流程Fig. 3 Model rendering process

2 實(shí)驗(yàn)與分析

以某大型貨船的導(dǎo)航系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對象，應(yīng)用本文方法對其實(shí)施交互界面設(shè)計(jì)，驗(yàn)證本文方法在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢。該艘貨運(yùn)船所使用導(dǎo)航系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)狀況如表1 所示。

表 1 導(dǎo)航系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)情況Tab. 1 Parameters of ship navigation system

圖4 為應(yīng)用本文方法對船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面實(shí)施合理設(shè)計(jì)后，獲得的電子海圖顯示界面。可以看出，應(yīng)用本文方法可以實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，在電子海圖顯示界面，不僅可將船舶航行整體環(huán)境狀況以及航行路線清晰呈現(xiàn)給駕駛?cè)藛T，還可將船舶航行的近景環(huán)境狀況同步呈現(xiàn)，更好滿足實(shí)際需要。

圖 4 電子海圖顯示界面Fig. 4 Electronic chart display interface

圖5 為應(yīng)用本文方法對船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面實(shí)施合理設(shè)計(jì)時(shí)，獲得的部分船舶航行環(huán)境場景三維虛擬模型渲染效果。可以看出，應(yīng)用本文方法對海面小島以及海浪的三維模型實(shí)施合理渲染后，小島的倒影以及浪花的飛濺狀態(tài)都能夠被較為逼真地呈現(xiàn)出來，可收獲較為理想的模型渲染效果。將其應(yīng)用于實(shí)際工作中，可使船舶駕駛?cè)藛T在AR 技術(shù)電子海圖顯示界面看到更為清晰逼真的船舶航行環(huán)境狀況以及航行路徑，更好保障航行的安全性。

圖 5 模型渲染效果Fig. 5 Model rendering effect

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方面的有效性，繪制不同天氣狀況下，顯示在導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面的航行環(huán)境近景圖像效果對比圖，如圖6 所示。可以看出，本文提出的AR 技術(shù)下船舶導(dǎo)航系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際工作中能夠更好保障航行環(huán)境圖像在各種天氣狀況下的清晰度，即使在極端天氣下，界面顯示的圖像清晰度也都在0.6 以上，能夠更好滿足長時(shí)間的航行需求。

圖 6 界面顯示圖像效果Fig. 6 Interface display image effect

3 結(jié) 語

應(yīng)用本文方法可以設(shè)計(jì)出較為理想的船舶導(dǎo)航交互界面，將航行環(huán)境以及路線狀況精準(zhǔn)、清晰地呈現(xiàn)于駕駛?cè)藛T面前，達(dá)到有效控制船舶航行路線，保證船舶航行安全的目的。