大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設計

梁黎，王勇

(1.武漢華夏理工學院,湖北 武漢 430223；2.桂林電子科技大學,廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著船舶導航技術的發展，結合多源數據信息處理技術進行大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制，基于視覺圖像特征分析技術，采用海洋船舶航線的動態交互控制的方法，建立大型船舶電子海圖顯示界面視覺分析模型，通過空間指向性的交互控制設計，設計船舶電子海圖的多波束數據全覆蓋模型，通過數據融合和分塊特征檢測，提高對船舶電子海圖的全覆蓋信息交互能力。研究大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設計方法，對提高船舶的導航和控制能力具有重要意義。電子海圖的視覺交互模型研究受到極大重視[1]。對大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設計建立在對電子海圖的動態視覺信息特征交互基礎上，采用網格化的船舶航行線路特征分析，結合定位系統和空間數據檢測技術，實現船舶電子海圖的動態交互設計[2]。本文提出基于多線程視覺調度的大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互設計方法，并通過仿真實驗進行性能測試，得出有效性結論。

1 電子海圖數據視覺交互總體設計

建立大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互的數據采集模型，通過對電子海圖數據檢測和航線狀態特征分析，采用動態指標參數分析方法，構建電子海圖顯示的總體特征分析模型，結合狀態等級擴展參數融合和視覺圖像分析的方法，構建電子海圖的視覺圖像分析模型，通過視覺特征重構，實現對大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制[3]，總體實現結構如圖1 所示。

圖1 大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互總體結構Fig.1 Overall structure of visual interaction for electronic chart display interface of large ships

根據圖1 的總體結構設計，大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互界面分為程序加載模塊、人機交互模塊、圖像處理模塊和接口訪問模塊等[4]，功能結構模塊分布如圖2 所示。

圖2 大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互功能結構模塊Fig.2 Structure module of visual interaction function for electronic chart display interface of large ships

2 電子海圖數據分析和視覺圖像分析

2.1 電子海圖數據檢測

構建大型船舶電子海圖顯示界面視覺指標數據分析模型，結合采樣點綜合點序與地形形態綜合尺度特征分析方法，采用多波束水深數據構造的方法，得到綜合點序的嚴密分布正交基[5]，通過電子海圖顯示的次特征總分布，得到海圖特征點的正相關性分布特征值Rm(r,i)：

其中：N(i)為電子海圖地形特征定量評價指標分配參數；N為海底溝壑經緯度；m為山脊點數；τ為權重賦值修正參數。

求得大型船舶電子海圖顯示的動態特征點，利用地形特征評價指標分析方法，得到電子海圖的地形特征分布計算式為：

其中：A為采樣點多重特征判定序列；Vm(r)為復雜地形中部分相對平臺地形的相對權重。

求出大型船舶電子海圖顯示界面視覺指標信息熵分布的平均值：

根據地形特征評價指標與其地形特征表達特征序列分布長度，得到N是一定的。此時投影平面上的大橢圓線參數補償模型定義為：

其中：AHF為橢圓航線方程的引導因子；Ad(Ci)為高斯投影平面上大橢圓線；V(Ami)為求得的等量緯度線。

通過航線平面坐標的一階、二階參數設定，得到橢球面與地心緯度球面切點檢測動態方程為：

式中：Mi(Ci)為類Ci的日晷投影平面上大橢圓航線補償方法數；Ma(Ci)為類Ci中高緯度地區的變形補償方法數。

由此實現對電子海圖數據檢測，通過對大橢圓航線進行分段處理，結合視覺信息交互控制，進行航線量測控制。

2.2 大型船舶電子海圖顯示視覺特征匹配

采用亞像素級特征匹配方法實現對視覺圖像色彩融合濾波處理，建立視覺特征匹配模型；采用動態模板匹配的方法，建立大型船舶電子海圖顯示視覺空間參數融合模型。通過視覺圖像色彩特征參數分析，提取視覺圖像色彩的光譜信息，得到視覺融合的亞像素分布：

式中：A為覺圖像色彩分布特征在x方向的像素值；t(x)為主成分背景子空間變換參數；J(x)為視覺圖像色彩主成分特征量；J(x)t(x)為動態分配聯合特征量。

根據顯示色差補償的飽和度分析，進行色彩對比度分析，得到電子海圖顯示視覺圖像的色彩多層級特征分布集為：

其中：J(w,e)為視覺圖像的色彩動態分布；ai為背景子空間交換特征量；w為視覺匹配系數；φ(xi)為先驗模板匹配集；b為視覺圖像的幀偏差；ei為視覺圖像的紋理分布特征量；yi為調整伽馬值生成的原圖[6]。

采用場景變化方法自適應跟蹤電子海圖顯示視覺背景分量，得到動態孤立像素點集為X={x1,x2,···,xn}，提取大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的空間域視覺特征分量，采用直覺模糊集匹配，得到大型船舶電子海圖顯示幀差與背景之間的差異度匹配集Ei,j=〈e1,e2,···,em〉，其中ei∈{1,0}。由此，分析明亮區域的特征信息，通過對動態信息交互，進行電子海圖數據檢測，結合視覺信息交互控制，進行大型船舶電子海圖顯示視覺現實和航線量測控制。

2.3 電子海圖現實的視覺特征提取

采用三維立體的虛擬海洋場景設計方法，結合多線程視覺空間調度，構建電子海圖現實的視覺特征提取模型，得到投影海圖上量測和換算模型，表達式如下：

式中：Ai(Ci)為高分辨率水深網格與基礎水深網格的補償模型參數；Aa(Ci)為多分辨率網格間的邊緣特征量；Ci為多分辨學習動態分配屬性特征；Ad(Ci)為濾波后的低分辨率網格重采樣系數。

根據對電子海圖顯示的視覺特征提取，結合嵌入式的軟件開發設計技術，構建大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互界面控制的軟件模型。

在直方圖界面中通過區域亮度增強的方法實現對大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩均衡處理，采用場景交互方法，得到大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩幀間殘差檢測模型，用四元組表示大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩的二階差分圖。其中，Ei，Ej是大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的Graph-Cut 分割特征量和紋理實體集。

基于模糊度匹配，得到大型船舶電子海圖顯示視覺融合的光流映射，表示為：

式中：xir為視覺圖像顯示的前景屬性；為電子海圖顯示的后景相似性特征值；Airp為邊緣融合像素點；K1為大電子海圖顯示的模糊子空間；t為統計時間點；r為顯示視覺的顏色差分分類特征值；p為電子海圖現實的對比度提升參數。

構建電子海圖顯示的視覺動態自相關特征分量：

式中：n為大型船舶電子海圖顯示視覺圖像色彩的空間分塊數；Fi(v)為大型船舶電子海圖顯示視覺圖像的源光照強度。

利用數據幾何約束方法，實現對大型船舶電子海圖顯示視覺跟蹤和模板匹配。

3 船舶電子海圖顯示界面視覺交互軟件開發實現

在控制算法和總體結構分析基礎上進行軟件設計，構建系統的底層數據庫模型。采用多源數據分析方法構建信息處理頻譜分析模型；采用DLL 庫及AQL 數據庫構建系統的服務器端和人機交互終端；采用client 中斷控制方法，實現終端交互設計。船舶電子海圖顯示界面的管理模塊具備用戶管理、電子海圖操作系統管理、航行日志管理、電子海圖的動態系統監控、字典管理、電子海圖動態交互的菜單管理等功能，軟件開發實現流程如圖3 所示。

圖3 電子海圖軟件開發實現流程Fig.3 Development and implementation process of electronic chart software

4 性能測試與分析

為了驗證本文方法在實現大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互控制中的應用性能，采用專業視景仿真軟件Vega Prime 進行電子海圖視景交互的仿真端設計，建立Ocean 和Marine Effects 實例，海圖的最高回放更新率1 MSa/s，電子海圖的垂直精度設置為12 位。設置對電子海圖數據采集的采樣率為50 kHz，交互通道為12 個通道，得到艦船電子海圖動態分布的坐標點見表1。

表1 艦船電子海圖動態分布的坐標點Tab.1 Coordinate points for dynamic distribution of ship electronic charts

根據表1 的坐標測繪結果，得到2 組場景下的船舶航線測繪數據。

2 組場景下的船舶航線測繪數據為輸入，進行電子海圖繪制，得到電子海圖顯示視覺交互輸出如圖4所示。分析可知，本文方法能準確實現對大型船舶電子海圖繪制和顯示。

圖4 電子海圖顯示視覺交互輸出Fig.4 XXXXXX

海圖視覺交互現實匹配度對比結果見表2。分析可知，本文方法進行大型船舶電子海圖顯示界面視覺交互的匹配度較高。

表2 匹配性能對比Tab.2 Matching performance comparison.

5 結語

設計艦船電子海圖的多波束數據全覆蓋模型，通過數據融合和分塊特征檢測，提高對艦船電子海圖的全覆蓋信息交互能力。構建大型船舶電子海圖顯示界面的總體結構模型，通過視覺特征重構，實現對電子海圖顯示界面視覺交互控制與系統軟件設計，測試得知，本文方法提高了兩組場景下的船舶航線測繪數據匹配能力和艦船海圖數據的視覺交互能力。