基于HoloLens的全息海图应用模式研究

摘  要：文章结合港航用户对海图的使用需求和航海保障业务实践，提出了全息海图的模型概念，阐述了全息海图的特征优势，分析了全息海图的应用场景和应用模式。在分析全息海图应用模式的基础上，对全息海图原型的开发实现进行了有益尝试，揭示了研究全息海图可视化表达与交互分析所需要的关键技术，并提出了需要深入研究完善的方向。

关键词：全息投影;海图交互;增强现实;三维建模

中图分类号：TP391.9       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0057-03

Research on Application Mode of Holographic Chart Based on HoloLens

ZHANG Yanguang

（Tianjin Maritime Surveying and Mapping Center，Beihai Navigation Support Center，Ministry of Transport，Tianjin  300202，China）

Abstract：Combined with the demand of port and shipping users for charts and the practice of navigation support business，this paper puts forward the concept of holographic chart model，expounds the characteristics and advantages of holographic chart，and analyzes the application scenarios and modes of holographic chart. Based on the analysis of the application mode of holographic chart，this paper makes a beneficial attempt to develop and realize the prototype of holographic chart，reveals the key technologies needed to study the visualization expression and interactive analysis of holographic chart，and puts forward the direction of further research and improvement.

Keywords：holographic projection;chart interaction;augmented reality;3D modeling

0  引  言

在e-Navigation和數字港口建设中，三维可视化技术受到越来越广泛的关注。无纸化是港航用户对海图使用的发展偏好，也是航海保障信息可视化技术发展的趋势。

在传统技术和显示介质的束缚下，航海保障数据的可视化分析能力正面临着发展瓶颈;面对更加复杂多样的海事作业环境，利用有效的新技术手段科学提高海事作业的安全性也成为当务之急。

基于HoloLens的全息海图应用为解决上述问题提供了有效思路，全息投影技术与海图应用的结合日益受到地图学者和应用市场的关注。使用全息海图技术可生产出更直观实用且更具视觉冲击力的海图新产品，有效提高海图判读效率，进一步保障船舶航行安全。

本研究课题所做的技术尝试及产生的全息海图产品，是我课题组一直致力研究和不断创新的海洋测绘数据应用新成果，为用户提供了全面了解海图要素的有效技术手段和研究载体。课题的研究成果对辅助测绘工程项目成果验收和汇报演示起到了一定的作用。

1  全息海图的概念与特征

全息海图是利用全息投影技术的光学成像原理在现实世界中呈现海图要素的纯三维影像，具有标识海洋水域和沿岸地物的空间位置属性的海图产品。

全息海图的显示和交互就是将在融合渲染阶段由相关地理信息转化而来的文本标注、三维符号和视频等虚拟物体，通过识别定位和实时动态投影，与海域全息地貌准确定位并逼真绘制。全息要素与全息场景合并呈现在真实演示环境中，并实现人机交互的过程[1]。

全息海图的优势特征：海图中显示的水深属性和海底地形特征，在二维符号化后需要一定的专业知识背景才能准确判读。海图中表示的航道和区域界限，也有别于普通地图的道路和区域围栏，在现实世界中并无真实物体与之对应，是抽象的空间概念。使用具有立体视觉效果的全息投影技术来实现海图要素的可视化，可多维度观看助航标志的相对空间位置关系是对传统海图可视化技术的全新升级。因为地势和物标都是三维立体的，不同维度观看，可以获得不同的判读信息，做到全方位更直观的海图功效升级。

2  全息海图的应用模式研究

2.1  全局模式

2.1.1  典型海图要素的全息三维可视化显示与交互

在海区全息三维模型基础上，叠加显示全息海图要素，如测量图幅范围、虚拟航标、通信信号覆盖范围等信息，形成基于图像识别技术的增强现实海图应用，如图1所示。全息海图符号与全息地形的位置和方位相对固定，随全息海域模型的移动做同步移动，呈现出高仿真效果。

2.1.2  航路测量成果的海底地形全息三维场景展示

“十三五”期间，海事测绘行业取得了一系列大型航路测量的成就，这些测绘成果的宣传展示需要新的可视化载体。使用高密度测量水深数据构建航路沿线海底地形全息三维模型，并与全息海图进行坐标匹配后叠加。这样在全息海图中增加“航路”图层，就可以总览“十三五”期间测量过的航路的分布情况。手势点击其中某一条航路，此航路地形的全息模型可游离开全息海图单独显示，实现航路海底地形的全方位空间展示，支持手势拖动、缩放、点亮局部区域，近似达到360°实景分析航路地形起伏及碍航物的效果。

2.1.3  实景三维港口的全息模型浏览

使用无人机倾斜摄影测量数据，构建港口建筑的实景三维模型，如图2所示。结合港口管理系统，在全息数字港口的模型基础上全面实现港口信息的三维可视化，并实现全息模型及港口管理信息的人机交互。此应用模式可以用于智慧港口的项目建设。

2.2  浸入模式

全息投影是记录和再现物体立体视觉的投影技术，透过不同的方位，可以看到物体不同角度的信息。全息海图的浸入应用模式更适合于从不同的方位和角度观察海图要素的标识以及海图物标间的相对位置关系;浸入特定场景内部或物标的实际位置，形成立体视觉和方位认知。

2.2.1  船舶视角的通视分析

全息海图支持观察者站在船舶的当前位置，观测导助航标志与沿岸地物的相对位置关系，从而起到船舶导助航辅助和调度模拟的作用。

2.2.2  助航标志光源的夜间可视距离模拟

全息海图还有一项区别于传统海图的优势，就是通过光源的粒子发散效果，可以直观的模拟出航标、灯塔的夜间可视距离。观察者可以从船舶视角，直观感受到当前位置能接收到的夜间助航光源信号的强弱程度。

2.2.3  水文站的外部环境和室内设备环境的浸入式体验

在全息海图的全息水文站1：1模型演示中，观察者可以身临其境观测水文站周边的实景环境，并且可以走到水文站模型内部查看室内环境和水文监测仪器，可以说足不出户就能享受到沉浸式体验。

2.3  时间轴模式

用于对多时段数据进行比较分析。例如通过拖动时间轴，查看同一海域多时段的海底地形起伏情况，结合数据进一步得出该区域回淤分析的定性甚至定量结果。

3  关键技术

全息海图可视化表达与交互分析的关键技术有以下几项：

（1）三维符号的中心点设定标准。三维符号具有一定的空间体积和方向向量，其代表的实际位置信息通常只是点坐标或者点坐标的集合。科学地设定三维符号的中心点、三维符号在全息海图中以何种向量姿态显示，需要遵循统一且易操作的标准。

（2）地理坐标与全息海图模型坐标的转换，实现助航信息的定位加载。海图要素的空间匹配，现实场景与虚拟场景的叠加显示。

（3）三维跟踪注册。跟踪是指HoloLens设备在真实场景中根据目标位置的变化来实时获取传感器位姿，并按照觀察者的当前视角重新建立空间坐标系并将虚拟场景渲染到真实环境中准确位置的过程。注册是指虚拟场景准确定位到真实环境中的过程[2]。

基于图像识别加载全息海图的应用，需要解决和优化对现实场景中的图像或物体进行跟踪注册的问题。

（4）研究无线数据传输方法，解决遥测数据与全息模型的融合显示问题，可进一步实现航海保障数据在全息模型上的实时加载，便于全息海图进一步应用于海上安全信息可视化监管平台。

4  原型实现与技术思路

4.1  三维场景建模

可以尝试的场景建模方法有多种，例如使用3ds Max真实地形建模方法、Global Mapper激光点云建模方法、World Machine DEM+DOM真实地形建模方法、ArcScene+Deep Exploration三维数据建模及转换方法等[3]，根据应用的数据量级别、性能优化需求、源数据兼容性等因素可选用不同的场景建模技术，但要保证最终生成的三维场景模型是FBX数据格式，因为此格式为HoloLens眼镜的御用三维格式。

全息海图的场景建模需要使用多波束水深数据生成三维海底地形，陆地数字高程模型和卫星影像数据模拟陆地三维，如图3所示。基于对数据源兼容性的考虑，本文主要使用ESRI ArcScene生产三维场景模型，导出唯一可用的wrl格式，再通过DeepExploration软件进行三维数据转换，最终生成FBX格式的三维场景模型。

4.2  Vuforia SDK图像识别的调用

Vuforia SDK在基于HoloLens应用的Unity开发中，需要作为插件预装到Unity 3D引擎中，通过启用本插件，同时根据应用需求勾选相应的功能模块，实现图像的识别、声音的采集、空间坐标基础匹配等相关操作[4]。

4.3  Unity 3D引擎可视化编程实现手势交互

海图要素符号的三维模型需要根据模型复杂程度，使用3ds Max贴图建模或者直接在Unity中进行快速建模。

最后将三维场景模型和海图要素符号模型，一起导入到Unity 3D引擎中，设置模型响应事件，同时编写事件响应代码，实现全息海图及要素的显示与交互[5]，如图4所示。

5  结  论

本文初步解释了全息海图的概念和特征，探究了全息海图的应用模式，并以数字高程模型、数字正射影像图、多波束测深数据为基础构建了三维场景模型。借助HoloLens的全息投影技术，在真实世界中实现了全息海图的显示与交互。全息海图的相关研究对于认知海洋地理空间环境、提升航海保障服务效能有一定的实践价值，但相关工作仍处于起步阶段，在后续工作中，还需要深入研究以下内容：

（1）建立三维海洋地理空间环境下的图形表达规范与三维符号体系。目前尚没有海图要素三维符号的制作标准，这对三维海图应用的标准化、规范化是很大的阻碍，迫切需要深入研究与改进。

（2）三维场景数据的生产流程需要进一步测试和优化，改进ArcScene生产出的三维场景中陆地模型与海底模型边缘拼接部分的锯齿现象，以及no data区域的未镂空现象。

（3）研究全息海图技术与“一港一海图”数据库工程、“碧海行动”、VTS船舶调度系统等的应用接口，使全息海图与海事航保更多业务领域进行对接，进一步提高航海保障数据的可视化效果，提高航运管理效能。

参考文献：

[1] 方小娟，邬群勇.基于移动增强现实的纸质地图表达及其应用 [J].微型机与应用，2014，33（7）：41-43+47.

[2]梦寐mayshine.增强现实三维跟踪注册技术概述 [EB/OL].（2020-02-19）.https：//zhuanlan.zhihu.com/p/107720732.

[3] 郭雪，姜晓轶，康林冲.虚拟海洋场景构建与技术研究 [J].海洋通报，2018，37（6）：625-632.

[4] 顾锦华，罗容，阎成赟.一种三维海洋地理空间模型构建与实验 [J].海洋测绘，2012，32（2）：46-48.

[5] 张岸，庄剑顺，齐清文，等.基于增强现实技术的纸质地图增强表达与交互 [J].热带地理，2012，32（5）：476-480.

作者简介：张琰光（1985—），男，汉族，山东寿光人，工程师，硕士，研究方向：海洋测绘数据应用、WebGIS。