增强现实技术在船舶导助航领域的应用

邹帆 霍虎伟

【摘 要】 为解决传统船舶导助航领域的难题，介绍增强现实技术（Augmented Reality，AR）的特点和应用及发展趋势，分析传统船舶导助航技术的现状和缺陷。在此基础上对AR技术在提升船舶导助航方面进行设想及分析，并提出其在船舶导助航应用上需解决的一些关键技术。

【关键词】 增强现实（AR）；船舶；导助航；E-航海

0 引 言

目前，船舶在航行过程中主要依赖全球定位系统（GPS）、船舶自动识别系统（AIS）、海图、雷达、航标等设备及驾驶员经验来实现导助航。由于设施设备相对独立，在航路条件复杂或能见度不良情况下，这种传统导助航方式的导助航效果并不佳。增强现实（Augmented Reality，AR）技术作为一种新兴热门技术，有着诸多的优势和广泛的应用前景，本文旨在提出一种利用AR技术解决传统船舶导助航实践中难以解决的问题的方案设想，为实现E-航海的最終目标提供一些思路。

1 AR技术概述

1.1 AR技术的介绍和特点

AR技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应模型图像、视频、3D模型的技术，主要是为了将虚拟世界通过屏幕呈现出立体的效果，并实现人与虚拟世界之间的互动。这种技术首先要收集现实世界中的声音、味道、触觉等各种信息，然后将信息通过计算机进行仿真叠加，在所有的信息叠加完毕后，通过计算机与人体感官关联，增强人的感知能力，从而使人体接受到在以往接受不到的信息，并使得人体对周围环境的感受更加敏感，以此达到增强现实的目的。

AR技术有3个显著的特点：

（1）可在显示设备上较完整保存真实环境信息；

（2）可实现对近乎于实时的特定信息的处理、增强和控制；

（3）可实现基于真实环境的动态、直观的信息交互。

1.2 AR技术在导航领域的应用及发展趋势

“基于增强现实（AR）技术的新型汽车导航仪”为2013年莫斯科举行的第二届“开放式创新”国际论坛暨科技展的参展项目；2016年百度地图推出了步行AR导航功能，即用户在导航过程中，无需来回查看地图路线信息，只需根据语音导航和真实街景信息便可轻松顺利到达目的地。

未来AR技术在导航领域的应用将更加广泛，并逐渐向实现“全天候全地形实时指路”的方向发展。这种技术可应用于航空、船舶、汽车、步行等一系列交通导航中。

2 传统船舶导助航现状及缺陷

2.1 传统船舶导助航现状

以船舶进出港及航道航行为例，船舶导助航主要采用设备结合的方式：自动雷达标绘仪（ARPA），用于扫描海域及碰撞预警；差分全球定位系统（DGPS）或北斗卫星导航系统（BDS）（本文以DGPS定位为主），用于船舶精确定位；船舶自动识别系统（AIS），用于识别船舶和协助追踪目标等；电子海图显示与信息系统（ECDIS），接入DGPS或北斗定位信号及AIS信号并在平面电子海图上显示船位；纸质海图，用于开航前及航行途中详细掌握整个航行区域的海上信息；实体航标，用于指示航道方向、边界及碍航物，其中包括航道侧面标志、方位标、孤立危险物标和导标等。[1]在船舶航行过程中，驾驶员需综合应用雷达等助航设备及航标等助航设施辅助其操纵。

2.2 传统船舶导助航存在的不足

目前，船舶正在向“标准化、环保化、智能安全化和大型化”发展，而现有船舶导助航设备尚处于“独立运行”“平面化导航”“目视与屏幕结合”的局面，船舶驾驶员需根据诸多导助航设备、设施综合分析，夜晚期间需要监守在驾驶台屏幕、驾驶台视窗，甚至还需要在驾驶台甲板上来回走动观察并凭借经验操纵船舶，远没有达到“智能安全化”的要求。同时，随着船舶大型化，驾驶员从驾驶台视角目视航标将会越来越困难，尤其是在迎着太阳航行时，船舶进出港将会受强烈阳光直射，严重影响驾驶员观察灯浮标。

3 AR技术在船舶导助航领域的应用

3.1 AR技术应用于船舶导助航的硬件需求

AR技术主要由视频图像采集系统、识别分析系统、虚实结合系统、图像显示系统等4部分组成。视频图像采集系统是用于获取视频或者照片的摄像机，可以是普通高清摄像头，也可以是含有夜视功能的高清摄像头。识别分析系统的功能是识别提取视频图像中的有效信息（如DGPS等接入信息），分析得出航行所需信息，并与数据库中的三维模型相对应。虚实结合系统的功能是将各种虚拟三维模型与视频图像准确结合。图像显示系统是增强显示并结合了虚拟三维模型的视频图像。

3.2 AR技术在船舶导助航中的应用

E-航海是指由国际海事组织提出的通过电子数据传输的方式，对船上、岸上的海事信息进行协调一致的收集、整合、交换、显示及分析，以增强船舶从泊位到泊位的航行能力及其他相关服务，提高海上安全和安保水平，并保护海洋环境的一种战略构想。未来，船舶必将实现“智能化”，使船舶驾驶员能够轻松、高效、安全地完成船舶航行命令下达，船舶导助航系统的综合化、智能化、实景化成为必然。在船舶导助航中使用AR技术，可将原先由船舶驾驶员负责分析和处理的大量信息通过AR分析合成系统进行数据处理，然后与后台基本参数相融合，将处理后的结果增强显示在驾驶员面前的屏幕上，以实现多种信息同时且直观的增强展现，实现E-航海的最终目标。AR技术在船舶导助航中的应用流程见图1。

3.3 AR技术应用于船舶导助航的示意

3.3.1 航行信息增强显示

船舶在航行时，虽然有GPS、BDS、AIS、ECDIS、雷达、ARPA、罗经等多种现代化技术为其航行提供安全、可靠的航海保障服务，但这些信息应用系统大多都相互独立，在为航海者提供便捷和精度的同时也增加了工作负担。AR技术的应用将整合所有船舶航行信息，并可通过人机交互手势选择，全部或部分增强显示在屏幕上，方便船舶驾驶员查看。船舶航行信息增强显示见图2。

3.3.2 航道侧面标志的增强显示

船舶在进出港时需沿着航道航行，航道的侧面标志通常按一定间距（1～2 n mile）成对布设。《海区浮动助航标志配布导则》规定：沿航道轴线设置的同侧标志间的距离，在标准气象能见度（T=0.74）条件下，对直线段的浮标间距，原则上白天应达到从一座浮标处能看到同一侧相邻的下一座浮标，夜晚应达到从一座浮标处能看到同一侧相邻的下二座灯浮标的灯光。但是，在气象能见度较差时或者夜间航道背景光强度较大时，船舶驾驶员搜索航道侧面标志的难度就变得很大。AR技术可以通过综合分析船舶当前DGPS定位的方向位置与数据库中即将看到的航标设计位置，并使之融合，将模拟航标模型叠加到实体航标上，高亮显示在屏幕上。

3.3.3 航道边线的增强显示

本文所介绍的航道用于大型船舶航行，通常由相邻两座航道侧面标连线来标示航道边线，但这条连线在现实中并不存在，在航道走向复杂或碍航物较多时，航道边线就更不明显。AR技术可以用高亮虚线连接侧面标模型，以标示航道边线。AR技术增强显示航道边线见图3。

3.3.4 船舶视野盲区下小型船舶的增强显示

由于船舶大型化，船舶驾驶台视野盲区越来越大，尤其是超大型集装箱货船和带克令吊的散货船更为明显，这给在视野盲区下航行的小型船舶带来严重的威胁。AR技术可以接入AIS信号，并于DGPS信号融合，将可能进入视野盲区的小型船舶模型叠加到现实视频中显示在屏幕上，并闪烁提醒驾驶员注意。船舶驾驶员也可通过人际交互手势，在屏幕上手动点取需重点关注的船舶，系统将综合分析数据实现该船舶的自动跟踪。AR技术增强显示视野盲区中的船舶位置见图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纸质海图和电子海图上，船舶驾驶员需提前了解该泊位信息。由于驾驶员在海图上不能直观了解泊位信息，对于很少靠泊该港口的船舶更需小心谨慎驾驶。AR技术可以提前手动输入所需靠泊泊位，分析系统自动将结合当前船舶船位信息和数据库中该泊位相关信息，计算出一条参考航路，并将所有信息叠加增强显示在屏幕上，以实现对船舶的指引。AR技术用于泊位及回旋水域指引見图5。

3.3.6 船舶航行预警

ARPA系统只能实现船舶碰撞等水面上的预警，而对于浅水区、孤立危险物等水下危险则没有预警能力。AR技术的使用将ECDIS、船舶外形尺寸等静态信息与AIS、ARPA、航向、航速、吃水等动态信息相结合，综合分析后获得可能威胁船舶航行安全的信息，将该信息叠加到视频图像上显示在屏幕上，并发出声光预警。

4 AR技术应用于船舶导助航的关键技术问题

AR技术虽然已经在多种领域得到大量的应用，但该技术却从未应用于船舶导助航领域。船舶本身和特殊的应用环境特点决定了该技术在船舶导助航领域应用中必须解决以下关键技术问题：

（1）船舶航行过程中图像采集系统所能采集到的视频图像信息可供分析识别的要素较少，为使AR技术能够分析处理合成出所需要的视频图像，需要将信息重心转移至船舶驾驶员视角的三维定位信息及船舶航行资料数据库中，并通过高效计算在屏幕上完美叠加出导助航信息模型。

（2）AR技术需要将虚拟信息叠加注入到真实场景中，并能够直观地展现给船舶驾驶员，如果采用普通的电脑屏幕或头盔来显示，必然出现图像比例缩小或携带不便等问题。为使显示信息更直观、真实，需采用应用于战斗机上的平视显示器（HUD）技术，直接将导助航信息叠加显示在船舶驾驶台视窗上，让驾驶员在瞭望时就能直接了解所需的导助航信息。

5 结 语

AR技术将有效整合船舶所有导助航信息，并直观、准确、全面地显示在船舶驾驶员面前，明显增强船舶驾驶员对船舶航行信息的处理能力，使船舶航行更加便捷、安全。虽然AR技术在船舶导助航领域的应用存在着许多有待研究的问题，但AR技术拥有的突出优势和特长，能为该领域提供一个新的切入点和解决方案。AR技术在船舶导助航领域的应用是一个全新的方向，并可以作为实现“E-航海”目标的研究方向而得以重视。

参考文献：

[1] 郭禹，张吉平，戴冉.航海学[M].大连：大连海事大学出版社，2014.