增强现实技术在船舶行业的应用

衡 军

(海军潜艇学院，山东 青岛266000)

0 引 言

增强现实技术［1］(augment reality，AR)是借助三维显示技术、自然人机交互技术、多种传感器技术、计算机视觉技术以及多媒体技术，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息等融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术，其目的在于突破空间、时间及其他客观限制，实现超越现实的感官体验。

增强现实的出现，为虚拟世界和真实世界之间架起了一座桥梁，随着科学技术的不断进步，增强现实技术发展方兴未艾，在实际的生产和生活中有着非常广泛的应用。例如:在医疗领域，医生可以利用增强现实技术，进行手术部位的精确定位;在汽车工业中，增强现实技术已经被广泛应用到汽车造型、设计、工艺制造、虚拟试验当中;在文化遗产保护领域，增强现实技术将文化古迹“原景重现”，不但可以提供文字解说，还可以进行互动;在军事领域中，增强现实技术在装备与信息保障、作战系统及模拟训练中发挥着至关重要的作用。

虽然增强现实技术在科教、军事、工业制造等方面有着诸多成功应用，但是对于船舶行业领域，有关增强现实系统的设计与应用相对较少，本文首先对增强现实的关键技术进行综述，然后对增强现实在船舶制造、舰船仿真、船舶驾驶等方面的应用与及发展进行深入研究。

1 增强现实的关键技术

增强现实系统涉及图像处理、实时跟踪、三维注册、人机交互、场景融合、传感器设计及计算机网络等多项技术学科。其关键技术包括虚实配准技术、显示技术、虚实融合技术、人机交互技术。

1.1 虚实物体配准

虚实配准(三维注册)是对真实场景图像和计算机生产的虚拟物体进行无缝合成，是增强现实的首要目标，其实质是将“实景”与“虚物”进行“对其”。首先，根据真实物体确定虚拟物体与观察者之间的关系，然后通过正确的投影方法将虚拟物体投影至观察者的视域范围内。虚实物体配准技术要求无延时、快速准确、无抖动，不受光照、遮挡、运动等因素影响。比较常见的跟踪配准方法主要有以下3 类:

1)基于硬件跟踪器的配准

基于硬件跟踪器的配准方法一般建立在机械、磁力、光学、惯性等传感器的基础上［2］，相关方法比较分析如表1 所示。

表1 基于硬件跟踪器的配准方法比较分析Tab.1 The comparative analysis for registration methods based on hardware

2)基于视觉计算的配准

基于视觉计算的配准分为基于标识的跟踪注册技术和基于自然特征的跟踪注册技术两类。其中，基于标识的跟踪注册技术实时性好，精度高，但其易受光照影响，在标识被遮挡时，无法完成三维配准。基于自然特征的跟踪注册技术使用范围大，但其算法复杂，实时性不高。

3)两者混合的配准

3 种虚实配准方法对比分析如表2 所示。

表2 虚实配准方法比较分析Tab.2 The comparative analysis for registration methods

1.2 显示技术

增强现实系统通过多种设备来显示虚拟物体和真实场景的叠加，显示技术的实质是在观察者的眼睛和真实物体之间的光路上成像。根据光路成像位置的不同，显示技术可分为头戴式、手持式、时间显示3 类，详细对比分析如表3 所示。

表3 显示方法比较分析Tab.3 The comparative analysis for display methods

1.3 虚实融合技术

虚实融合目标是将真实场景和计算机生成的虚拟物体无缝合成，满足几何真实感、行为真实感和光照真实感，并最终使观察者感觉不到真实物体和虚拟物体的区别，虚实融合技术主要包括虚实环境的注册、虚拟物体和真实物体的遮挡处理、阴影和光照一致性和自然的交互［3］。

1.4 自然人机交互技术

人机交互一直伴随着计算机的发展而发展。它经历了语言命令交互阶段、图像用户界面(GUI)交互阶段、自然和谐的人机交互阶段3 个阶段。

自然人机交换强调以人为中心的交互方式，注重人和计算机、人和人的自然交流，包括语音交互、体态语言交互、其他姿态语言交互(如手势交互)等。在增强现实系统中，可以运用多通道自然交互，例如，用户可以使用语音、手势、眼神、表情等自然的交互方式与计算机系统进行通信。

2 增强现实在船舶行业的应用

2.1 船舶制造

人类造船已有悠久历史，由于航运的发展以及民用、军事上的需求，船舶趋于专业化和大型化，造船技术也随之迅速发展。近年来，船舶绿色制造工艺和技术［4］成为船舶制造业发展重点和亮点，基于增强现实的船舶工程设计和装配维修技术，便是绿色制造工艺之中一种具有巨大潜力的技术。增强现实技术为船舶制造提供了新的科学辅助手段，主要表现在以下几个方面:

1)产品设计的远程协作

首先，通过增强现实显示设备实时展示和共享实物、模型、设计图纸等信息，利用多通道人机自然交互技术，使得异地、多人可以实时互动，沟通交流设计思想，修改与改进方案。同时，在设计过程中，通过增强现实系统，可预先打造出“一艘完整的船”，在立体投影技术的帮助下，设计人员可以亲身进入船体内部，体验、分析船体结构是否合理、舒适，直观了解舰船的各个工艺设计细节，从而缩短设计周期，减少成本，提高企业竞争实力。

2)复杂工艺模拟

在真实产品生产之前，运用增强现实系统，通过数值模拟、物理模拟和专家系统优化工艺方案、确定最佳工艺参数、预测风险，从而有效地减少原材料和能源的消耗，提高产品质量。例如，在船舶平面分段生产线焊装过程中，传统的工艺手段是对照平面布局图纸进行图上模拟作业，经常出现由于理解、表述不同导致进度延误，工艺质量完全依赖经验。而运用增强现实技术，可搭建虚拟现实平台对各设备资源进行整合，各工艺工作人员可同时分析作业，3D 模型的直观展示及动态运行模拟可以有效解决协同作业难，工作效率低的问题。

3)设备装配与维修

通过增强现实系统，可以将装配维修的标准工作流程指南准确地显示给用户，生动的3D 影像信息较复杂的文字图纸手册而言，更能帮助指导用户顺利完成任务，提高工作效率［5］。

2.2 舰船仿真

舰船仿真是指利用数字模型代替物理原型，对舰船制造和生产过程进行模拟仿真，舰船仿真是舰船科技领域中信息化技术应用的较高层次。传统舰船仿真包括半实物仿真和分布交互仿真技术［5］，其仿真成果往往缺乏真实感与互动感，增强现实技术的出现，为舰船仿真提供了全新的技术平台［6］，通过动画、声音、三维模型等营造真实建造场景，将舰船制造工艺流程真实呈现。

基于增强现实技术的舰船仿真，可以实现对船厂厂区、设施、舰船内部结构及布置进行3D 可视化虚拟展示，并通过人机互动，与虚拟环境中的模型进行交互。突破了传统仿真软件限制，更具扩充性与可靠性。舰船三维模型如图1 所示。

图1 舰船三维模型Fig.1 3D model

2.3 船舶驾驶

传统驾驶舱如图2 所示，驾驶舱内是各种复杂的仪表盘和按钮。

图2 传统船舱驾驶室Fig.2 Traditional ship cab

随着增强现实技术的应用发展，增强现实在船舶行业的应用已有雏形出现。例如，芬兰的一家技术研究中心展示的一套带有增强现实技术的货船驾驶舱，如图3 所示。驾驶舱变成一个拥有落地窗的工作站，各种海况信息和导航信息借助增强现实技术被显示在落地窗上，这种方式有效解决了船员视野受限制问题，尤其是在雾天、雨天、夜晚等视线弱的情况下。

运用增强现实技术的船舱驾驶室打破了传统的舰船驾驶教学与训练方式，通过增强的船舱驾驶室，可以为驾驶教学与训练提供真实的环境，丰富教学内容，增强教学生动性。同时，也可大大增加学员实践训练的时间与机会，为舰船操控人才的培养提供了有效手段。在未来的技术发展中，远程操控、无人驾驶将是船舱驾驶的发展方向。

图3 基于增强现实的船舱驾驶室Fig.3 Ship cab based on augmented reality

此外，在船舶行业领域中，增强现实技术还有着广泛的应用空间，如在水上交通管制方面，通过增强现实技术，可以扩大监视和控制范围，提高目标定位精度，保障海运安全。在信息可视化方面，增强现实的叠加技术可以提供多视角信息，如在显示实时景象的同时，显示红外、热度、夜视等图像信息。在水上作战指挥中，增强现实系统的应用可以使战场各指挥人员实时共享战况信息，对瞬息万变的战场情况做出快速反应。

3 结 语

与国外增强技术比较而言，我国的增强现实技术还相对落后，尤其在船舶行业中的应用方面，我国还处在起步和探讨阶段。虽然增强现实技术有着广泛且巨大的应用价值，但其实用程度受到软、硬件技术、社会接受度等问题的限制，但随着各项技术研究的日益成熟，增强现实必将在船舶行业中产生深远影响。

［1］AZUMA R T.A survey of augmented reality［J］.Presence-Teleoperators and Virtual Environments，1997，6(4):355 -385.

［2］ROLLAND J P，DAVIS L，BAILLOT Y. A survey of tracking technology for virtual environments ［J］.Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality，2001:67 -112.

［3］赵沁平. 虚拟现实综述［J］. 中国科学(F 辑)，2009，39(1):2 -46.

［4］王世明.绿色船舶的现状和发展前景分析［J］. 中国造船，2008，49(1):48 -57.

［5］王天明，王玉，李炜，等.以虚拟仿真为基础的舰船装备研制方法研究［J］.舰船科学技术，2001，23(1):9 -14.

［6］何四华，李天伟，韩云东.虚拟现实技术及其在航海仿真中的应用［J］.舰船科学技术，2004，26(5):54 -56.HE Si-hua，LI Tian-wei，HAN Yun-dong. Virtual reality technique and it′s application in navigation simulation［J］.Ship Science and Techndogy，2004，26(5):54 -56.