基于全息投影技術的通信保障方案研究

吳 怡，陸圣師

（中國移動海南公司，海南 海口 570125）

1 全息投影技術

隨著信息技術和社會經濟的飛速發展，5G、WEB 2.0、移動互聯網等技術逐漸改變著人們工作、學習、娛樂的方式。因此，人們對于多媒體技術的需求也越來越多樣，全息投影技術以其便捷性、真實性、感受性等優勢得到了人們的廣泛關注[1]。傳統的二維圖像是通過攝影技術記錄目標物體的顏色、輪廓等，只能顯示出平面信息。全息投影技術是利用光的干涉和衍射原理，通過記錄目標物體的相位信息、運動距離、運動軌跡、空間關系等全息信息，對目標物體進行動態或者靜態的呈現，用戶從視覺上看是三維的感受，因此，有種身臨其境的感覺[2]。如今，市面上已經有了很多成熟的全息投影技術，并且該技術已經得到了成功應用，例如，大型舞臺中表演者與 3D圖像的隔空互動、利用全息投影技術的展廳和陳列館、全息投影技術的電影院等。目前，全息投影技術大多數用于個人娛樂項目、產品顯示、功能呈現等，且價格昂貴。因此，將全息投影技術運用于通信保障系統中主要面臨兩個問題：一是如何在現有技術的基礎上，保證開銷，降低成本[3]；二是如何將全息投影技術與通信保障系統相結合[4]，準確且高效的呈現數據，提高工作效率。

為了搭建基于全息投影技術的通信保障平臺，運營商必須做好全息投影模塊、通信保障模塊、用戶互動模塊三個模塊的工作：全息投影模塊中要保證技術和價格的可行性，具有便捷性和高效性，能夠適應于當前環境的快速變化[5-6]；通信保障模塊能夠對于海量電信數據進行存儲、處理、分析以及呈現等，能夠具有報警、分析、統計、跟蹤等功能；用戶互動模塊需要保證用戶可以在投影的屏幕上做簡單的操作，例如放大、縮小、拖拽、翻頁等，盡量避免用戶再次使用電腦和鼠標等硬件設備控 制屏幕，提高員工的工作效率。

基于此，本文主要著手研究全息投影技術與通信保障方案的深度融合，利用一塊玻璃（貼膜）、一個回波儀、一臺投影機和一部電腦構成智能觸控平臺，實現全息化投影；利用數據處理、數據分析、數據挖掘等技術實現電信數據的總結和分析，發現異常數據，從而保障通信系統的正常運行；利用多點觸控、深度卷積神經網絡、測距定位等技術實現用戶與屏幕的互動。

本文的結構如下：第 2節，描述基于全息投影技術的通信保障方案；第 3節，描述該基于該方案的平臺搭建情況和應用效果；最后，總結全文。

2 全息化投影技術的通信保障方案

本文以中國移動海南公司搭建的基于全息投影技術的通信保障系統平臺為基礎，以子功能模塊的形式來逐步分析該平臺的主要架構。該系統主要可以分為 3個主要模塊：全息投影模塊、通信保障模塊以及用戶互動模塊。

2.1 通信保障模塊

通信保障模塊主要包括日常保障模塊和重大場景保障模塊。日常保障模塊主要是針對常規的節假日、重點場景、重點區域等環境下的電信核心數據進行實時監控，通過數據分析來發現問題，并對問題進行及時處理；當本地區發生重大事件并達到相應的保障級別時，需要啟用重大場景保障模塊，例如重大自然災害、社會事件等。重大場景保障模塊需要根據事件發生的場景、特點、需求等，調動相應的資源，調整相應的關注數據，更新頻率等，以最快地速度響應用戶通信需求，從而保障通信的正常服務。該模塊的方案流程圖如圖 1所示。

圖1 通信保障模塊實施方案

2.1.1 日常保障模塊

日常保障模塊主要是對于常規電信數據的處理、分析、呈現等操作，網管人員根據這些數據對網絡運行情況進行分析，并進行故障的定位和維修，從而保證為用戶提供正常的通信服務。在這個模塊中，原始數據主要來自于大數據平臺，通過對信令數據、MRO數據、網管數據等存儲和處理，利用大數據技術[7]，挖掘數據背后的規律和異常，從而調整運營商的運營方案。例如，可以根據用戶的位置、基站狀態、小區情況等，判斷當前場景下的通信需求，對未來趨勢進行預判，提前做好資源和人力的儲備。由于該平臺獲取的原始數據具有不同的粒度、維度、可靠性、準確度等，因此在本文中需要使用不同類型的數據庫對數據進行處理和存儲，該模塊中涉及的數據庫技術主要有 HDFS、Hive、Zookeeper、HBase、Sqoop、Spark等。

2.1.2 重大場景保障模塊

當發生自然災害、重大社會事件、政治事件等，該平臺需要根據當前場景的特點判斷其保障級別，并根據相應的級別，確定保障人員、資源等，從而確定保障方案和技術方案。在保障需求確認后，則需要對保障的區域進行三維場景建模[9]，為后續的全息投影技術做準備。三維場景建模工作主要分為八個步驟：①利用無人機進行目標區域的圖像采集，獲取場地信息。②對無人機采集的視頻進行分析，收集目標區域各個維度的圖片。③對各個維度的圖片進行全息照片處理，包括材質、光影的處理。④利用相關的圖片特征提取算法，找到各個圖片中的特征點，在本文中，使用了經典的 SIFT算法 對圖片進行尺度空間進行特征檢測，并確定關鍵點位置和關鍵點所在的尺度，然后使用關鍵點領域梯度的正方向作為改點的方形特征，以實現算法對尺度和方向的無關性，從而得到每幅圖像 SIFT特征向量。⑤由于各維度的圖片過多，根據各維度圖片的特征向量信息進行了聚類分析，剔除相似度高的圖片，篩選出差異較大的圖片，從而減少了工作量。⑥利用大數據平臺，采集和分析各業務數據。⑦利用三維建模工具對各維度圖片進行三維仿真建模，得到三維地圖。在此三維地圖的基礎上，對基站、柵格在此三維地圖上進行建模，得到基站，小區等位置。其次，在已得到的三維地圖的情況下，將重要業務指標對其進行渲染。最后，利用繪圖工具制作模型的貼圖，再將合成好的模型素材導出為標準的模型數據格式，導入到 3D引擎中進行場景搭建、材質、光影、邏輯代碼等后期處理。本文中涉及的三維建模工具是3dsMax，使用的繪圖工具是PhotoShop，使用的 3D引擎是 Unity3D。⑧將該3D場景導入該平臺中，為后續全息投影的指揮沙盤做準備。

2.1.3 目標數據選擇模塊

在此模塊中，我們需要根據保障場景的特點和已制定的保障方案，選擇需要觀察的目標數據，并根據需求對所選數據進行清晰地呈現。例如，每年博鰲亞洲論壇保障的系統支撐工作，需要通過系統掌控全省和目標區域的網絡運行情況，現場客戶感知情況，以及運維人員保障情況等。

2.2 全息投影模塊

全息投影模塊主要包括一塊玻璃（貼膜）、一個回波儀、一臺投影機和一部電腦，該模塊的搭建對于環境要求不高，且在價格層面具有較強的競爭力。首先，通信保障模塊的數據傳送給電腦，電腦對其數據進行處理和分析；然后，連接電腦和投影機，利用投影機在玻璃上對數據進行呈現；其次，為了使呈現的效果更佳清晰，可以給玻璃添加貼上全息膜，當全息膜不通電時，就相當于一塊投影布，當全息膜通電后，則變透明，可透視如玻璃一樣。最后，為了識別用戶的操作，則需要在玻璃上方或下方的正中間安裝一個回波儀定位器。回波儀定位器主要是通過發射紅外線信號對用戶的觸控操作進行識別，從而控制電腦。該模塊的流程如圖2所示。全息投影可以在可控的開銷內，改變了傳統視覺展現方式，可以完美替代傳統平面及 LED大屏，以全方位立體化呈現數據，更富有表現力。

圖2 全息投影模塊實施方案

2.3 用戶互動模塊

用戶互動模塊主要分為兩個部分的工作：定位用戶位置和用戶手勢識別。該模塊主要是利用回波儀發出的紅外光信號，并將其轉化為電信號，對用戶的位置和操作手勢進行識別，從而實現用戶對屏幕進行操作，該模塊的流程圖如圖 3所示。

圖3 用戶互動模塊實施方案

2.3.1 定位位置模塊

首先，當回波定位器發出紅外線信號時，由于用戶位置的變化將會導致用戶和屏幕的相對位置的變化，從而引起紅外線信號的變化；然后，為了便于電腦的后續處理，需要將紅外光信號轉化為電信號；其次，根據電信號的往返時間，可以對用戶的距離進行測量，從而得到用戶的絕對位置；最后，根據用戶的絕對位置和屏幕絕對位置，可以確定出用戶和屏幕的相對位置，從而確定用戶手指的觸摸坐標。

2.3.2 識別手勢模塊

當確定用戶對屏幕中具體的模塊進行操作后，需要對用戶的手勢進行精準識別。在本文中，該模塊可以識別的手勢有翻頁、拖拽、放大以及縮小。首先，我們需要對大量的歷史數據進行收集和處理，主要包括翻頁手勢、拖拽手勢、放大手勢以及縮小手勢。然后，根據各手勢的電信號，提取相關特征量，并輸入深度卷積神經網絡[11]中進行學習。其次，實時采集用戶的電信號，并將該電信號輸入深度卷積神經網絡中進行用戶手勢識別。最后，根據新輸入的歷史數據，不斷地更新歷史數據庫，提高手勢識別的準確度。從而通過用戶位置定位和手勢識別，實現了用戶與屏幕的交互，替換了鍵盤和鼠標的操作，提高了工作效率。

3 全息化投影技術的通信保障平臺應用

基于本文所提出的全息投影技術下的通信保障方案，中國移動海南公司已經成功搭建了基于全息投影技術的通信保障平臺。本文以 2019年在海南召開的博鰲亞洲論壇保障工作為例對平臺的應用情況進行分析。

3.1 全省區域沙盤分析

3.1.1 正常狀態下的沙盤圖

通信保障期間需要對核心區域、外圍區域、以及全省區域的人員、車輛、油機等進行實時統計和現實，圖4展示了全省區域的資源情況和網絡分布情況。

圖4 全省資源分布情況

3.1.2 故障狀態下的沙盤圖

當網絡中某線路出現故障時，平臺會自動顯示故障原因、區域以及相關的解決方案，如圖5所示。

圖5 網絡線路故障圖

3.2 博鰲區域沙盤分析

博鰲區域沙盤圖主要包括結構安全、覆蓋完善、容量充足、分級指揮、IT使能、重點防護、黨建結合共7個部分，如圖6所示。圖6顯示了此次保障中的分級指揮的具體情況。

圖6 博鰲區域-分級指揮沙盤

3.3 博鰲區域三維場景建模

根據本文提出的三維場景建模算法，對博鰲區域建立了三維立體場景圖。并在此基礎上，針對基站、人員、車輛、核心保障、柵格化的數據，對其地圖進行了渲染，如圖7所示。

圖7 博鰲區域三維場景圖

4 結束語

本文研究了在全息投影技術下的通信保障方案，首先分析了基于全息投影技術的通信保障模型，主要可以分為3個部分：全息投影模塊、通信保障模塊、用戶互動模塊；然后，基于中國移動海南公司搭建的基于全息投影技術的通信保障平臺，詳細討論了每個模型所涉及的核心算法和相關技術；最后，給出了該方案的應用情況。

該系統已經成功上線，并成功應用于博鰲亞洲論壇保障工作中，結果表明，新平臺上線后，完美地替代了傳統的LED大屏，降低成本約90%以上，且平臺應用效果非常好，提高了員工的工作效益。下一步的工作將會考慮該平臺是否可以提高手勢識別算法的魯棒性和精確性，并在此基礎上，增加手勢識別的種類，例如旋轉、360度呈現等操作，提升用戶的感知更好地進行通信保障工作。