增強現實技術在船舶導助航領域的應用

鄒帆 霍虎偉

【摘 要】 為解決傳統船舶導助航領域的難題，介紹增強現實技術（Augmented Reality，AR）的特點和應用及發展趨勢，分析傳統船舶導助航技術的現狀和缺陷。在此基礎上對AR技術在提升船舶導助航方面進行設想及分析，并提出其在船舶導助航應用上需解決的一些關鍵技術。

【關鍵詞】 增強現實（AR）；船舶；導助航；E-航海

0 引 言

目前，船舶在航行過程中主要依賴全球定位系統（GPS）、船舶自動識別系統（AIS）、海圖、雷達、航標等設備及駕駛員經驗來實現導助航。由于設施設備相對獨立，在航路條件復雜或能見度不良情況下，這種傳統導助航方式的導助航效果并不佳。增強現實（Augmented Reality，AR）技術作為一種新興熱門技術，有著諸多的優勢和廣泛的應用前景，本文旨在提出一種利用AR技術解決傳統船舶導助航實踐中難以解決的問題的方案設想，為實現E-航海的最終目標提供一些思路。

1 AR技術概述

1.1 AR技術的介紹和特點

AR技術是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應模型圖像、視頻、3D模型的技術，主要是為了將虛擬世界通過屏幕呈現出立體的效果，并實現人與虛擬世界之間的互動。這種技術首先要收集現實世界中的聲音、味道、觸覺等各種信息，然后將信息通過計算機進行仿真疊加，在所有的信息疊加完畢后，通過計算機與人體感官關聯，增強人的感知能力，從而使人體接受到在以往接受不到的信息，并使得人體對周圍環境的感受更加敏感，以此達到增強現實的目的。

AR技術有3個顯著的特點：

（1）可在顯示設備上較完整保存真實環境信息；

（2）可實現對近乎于實時的特定信息的處理、增強和控制；

（3）可實現基于真實環境的動態、直觀的信息交互。

1.2 AR技術在導航領域的應用及發展趨勢

“基于增強現實（AR）技術的新型汽車導航儀”為2013年莫斯科舉行的第二屆“開放式創新”國際論壇暨科技展的參展項目；2016年百度地圖推出了步行AR導航功能，即用戶在導航過程中，無需來回查看地圖路線信息，只需根據語音導航和真實街景信息便可輕松順利到達目的地。

未來AR技術在導航領域的應用將更加廣泛，并逐漸向實現“全天候全地形實時指路”的方向發展。這種技術可應用于航空、船舶、汽車、步行等一系列交通導航中。

2 傳統船舶導助航現狀及缺陷

2.1 傳統船舶導助航現狀

以船舶進出港及航道航行為例，船舶導助航主要采用設備結合的方式：自動雷達標繪儀（ARPA），用于掃描海域及碰撞預警；差分全球定位系統（DGPS）或北斗衛星導航系統（BDS）（本文以DGPS定位為主），用于船舶精確定位；船舶自動識別系統（AIS），用于識別船舶和協助追蹤目標等；電子海圖顯示與信息系統（ECDIS），接入DGPS或北斗定位信號及AIS信號并在平面電子海圖上顯示船位；紙質海圖，用于開航前及航行途中詳細掌握整個航行區域的海上信息；實體航標，用于指示航道方向、邊界及礙航物，其中包括航道側面標志、方位標、孤立危險物標和導標等。[1]在船舶航行過程中，駕駛員需綜合應用雷達等助航設備及航標等助航設施輔助其操縱。

2.2 傳統船舶導助航存在的不足

目前，船舶正在向“標準化、環保化、智能安全化和大型化”發展，而現有船舶導助航設備尚處于“獨立運行”“平面化導航”“目視與屏幕結合”的局面，船舶駕駛員需根據諸多導助航設備、設施綜合分析，夜晚期間需要監守在駕駛臺屏幕、駕駛臺視窗，甚至還需要在駕駛臺甲板上來回走動觀察并憑借經驗操縱船舶，遠沒有達到“智能安全化”的要求。同時，隨著船舶大型化，駕駛員從駕駛臺視角目視航標將會越來越困難，尤其是在迎著太陽航行時，船舶進出港將會受強烈陽光直射，嚴重影響駕駛員觀察燈浮標。

3 AR技術在船舶導助航領域的應用

3.1 AR技術應用于船舶導助航的硬件需求

AR技術主要由視頻圖像采集系統、識別分析系統、虛實結合系統、圖像顯示系統等4部分組成。視頻圖像采集系統是用于獲取視頻或者照片的攝像機，可以是普通高清攝像頭，也可以是含有夜視功能的高清攝像頭。識別分析系統的功能是識別提取視頻圖像中的有效信息（如DGPS等接入信息），分析得出航行所需信息，并與數據庫中的三維模型相對應。虛實結合系統的功能是將各種虛擬三維模型與視頻圖像準確結合。圖像顯示系統是增強顯示并結合了虛擬三維模型的視頻圖像。

3.2 AR技術在船舶導助航中的應用

E-航海是指由國際海事組織提出的通過電子數據傳輸的方式，對船上、岸上的海事信息進行協調一致的收集、整合、交換、顯示及分析，以增強船舶從泊位到泊位的航行能力及其他相關服務，提高海上安全和安保水平，并保護海洋環境的一種戰略構想。未來，船舶必將實現“智能化”，使船舶駕駛員能夠輕松、高效、安全地完成船舶航行命令下達，船舶導助航系統的綜合化、智能化、實景化成為必然。在船舶導助航中使用AR技術，可將原先由船舶駕駛員負責分析和處理的大量信息通過AR分析合成系統進行數據處理，然后與后臺基本參數相融合，將處理后的結果增強顯示在駕駛員面前的屏幕上，以實現多種信息同時且直觀的增強展現，實現E-航海的最終目標。AR技術在船舶導助航中的應用流程見圖1。

3.3 AR技術應用于船舶導助航的示意

3.3.1 航行信息增強顯示

船舶在航行時，雖然有GPS、BDS、AIS、ECDIS、雷達、ARPA、羅經等多種現代化技術為其航行提供安全、可靠的航海保障服務，但這些信息應用系統大多都相互獨立，在為航海者提供便捷和精度的同時也增加了工作負擔。AR技術的應用將整合所有船舶航行信息，并可通過人機交互手勢選擇，全部或部分增強顯示在屏幕上，方便船舶駕駛員查看。船舶航行信息增強顯示見圖2。

3.3.2 航道側面標志的增強顯示

船舶在進出港時需沿著航道航行，航道的側面標志通常按一定間距（1～2 n mile）成對布設。《海區浮動助航標志配布導則》規定：沿航道軸線設置的同側標志間的距離，在標準氣象能見度（T=0.74）條件下，對直線段的浮標間距，原則上白天應達到從一座浮標處能看到同一側相鄰的下一座浮標，夜晚應達到從一座浮標處能看到同一側相鄰的下二座燈浮標的燈光。但是，在氣象能見度較差時或者夜間航道背景光強度較大時，船舶駕駛員搜索航道側面標志的難度就變得很大。AR技術可以通過綜合分析船舶當前DGPS定位的方向位置與數據庫中即將看到的航標設計位置，并使之融合，將模擬航標模型疊加到實體航標上，高亮顯示在屏幕上。

3.3.3 航道邊線的增強顯示

本文所介紹的航道用于大型船舶航行，通常由相鄰兩座航道側面標連線來標示航道邊線，但這條連線在現實中并不存在，在航道走向復雜或礙航物較多時，航道邊線就更不明顯。AR技術可以用高亮虛線連接側面標模型，以標示航道邊線。AR技術增強顯示航道邊線見圖3。

3.3.4 船舶視野盲區下小型船舶的增強顯示

由于船舶大型化，船舶駕駛臺視野盲區越來越大，尤其是超大型集裝箱貨船和帶克令吊的散貨船更為明顯，這給在視野盲區下航行的小型船舶帶來嚴重的威脅。AR技術可以接入AIS信號，并于DGPS信號融合，將可能進入視野盲區的小型船舶模型疊加到現實視頻中顯示在屏幕上，并閃爍提醒駕駛員注意。船舶駕駛員也可通過人際交互手勢，在屏幕上手動點取需重點關注的船舶，系統將綜合分析數據實現該船舶的自動跟蹤。AR技術增強顯示視野盲區中的船舶位置見圖4。

3.3.5 船舶泊位及回旋水域指示

船舶泊位信息及回旋水域信息只存在于紙質海圖和電子海圖上，船舶駕駛員需提前了解該泊位信息。由于駕駛員在海圖上不能直觀了解泊位信息，對于很少靠泊該港口的船舶更需小心謹慎駕駛。AR技術可以提前手動輸入所需靠泊泊位，分析系統自動將結合當前船舶船位信息和數據庫中該泊位相關信息，計算出一條參考航路，并將所有信息疊加增強顯示在屏幕上，以實現對船舶的指引。AR技術用于泊位及回旋水域指引見圖5。

3.3.6 船舶航行預警

ARPA系統只能實現船舶碰撞等水面上的預警，而對于淺水區、孤立危險物等水下危險則沒有預警能力。AR技術的使用將ECDIS、船舶外形尺寸等靜態信息與AIS、ARPA、航向、航速、吃水等動態信息相結合，綜合分析后獲得可能威脅船舶航行安全的信息，將該信息疊加到視頻圖像上顯示在屏幕上，并發出聲光預警。

4 AR技術應用于船舶導助航的關鍵技術問題

AR技術雖然已經在多種領域得到大量的應用，但該技術卻從未應用于船舶導助航領域。船舶本身和特殊的應用環境特點決定了該技術在船舶導助航領域應用中必須解決以下關鍵技術問題：

（1）船舶航行過程中圖像采集系統所能采集到的視頻圖像信息可供分析識別的要素較少，為使AR技術能夠分析處理合成出所需要的視頻圖像，需要將信息重心轉移至船舶駕駛員視角的三維定位信息及船舶航行資料數據庫中，并通過高效計算在屏幕上完美疊加出導助航信息模型。

（2）AR技術需要將虛擬信息疊加注入到真實場景中，并能夠直觀地展現給船舶駕駛員，如果采用普通的電腦屏幕或頭盔來顯示，必然出現圖像比例縮小或攜帶不便等問題。為使顯示信息更直觀、真實，需采用應用于戰斗機上的平視顯示器（HUD）技術，直接將導助航信息疊加顯示在船舶駕駛臺視窗上，讓駕駛員在瞭望時就能直接了解所需的導助航信息。

5 結 語

AR技術將有效整合船舶所有導助航信息，并直觀、準確、全面地顯示在船舶駕駛員面前，明顯增強船舶駕駛員對船舶航行信息的處理能力，使船舶航行更加便捷、安全。雖然AR技術在船舶導助航領域的應用存在著許多有待研究的問題，但AR技術擁有的突出優勢和特長，能為該領域提供一個新的切入點和解決方案。AR技術在船舶導助航領域的應用是一個全新的方向，并可以作為實現“E-航海”目標的研究方向而得以重視。

參考文獻：

[1] 郭禹，張吉平，戴冉.航海學[M].大連：大連海事大學出版社，2014.