AR 技术下船舶导航系统交互界面设计

王 蓓

(聊城大学东昌学院，山东 聊城 252000)

0 引 言

设计合适的船舶导航系统交互界面，是有效规范与管理船舶航行路径，保障船舶安全稳定航行的重要条件[1–2]。

吴潇灿等[3]提出基于计算机辅助技术的船舶组合导航系统交互界面设计方法；古毅杰等[4]提出基于视觉感知技术的船舶组合导航系统交互界面设计方法。二者均可较好完成船舶导航系统交互界面设计，但是一旦船舶航行的海洋环境较为复杂，便无法准确获知船舶航行状况。将AR 技术应用于船舶导航系统交互界面设计中，对船舶航行环境实施合理有效的三维模拟，实时高效地将船舶航行图像展示于船舶驾驶人员面前，可使船舶驾驶人员准确获知船舶航行情况，以便及时纠偏。为此，本文研究AR 技术下船舶导航系统交互界面设计方法，更好保障船舶安全稳定航行。

1 船舶导航系统交互界面设计

1.1 AR 技术下船舶导航系统交互界面架构

在实际工作中，船舶导航的主要目的是通过使用合理的计算机以及互联网技术，对船舶的航行路线以及环境信息实施有效采集，从而为船舶在航行过程中选择更合适的航行路线，并合理避障。而想要获取较为理想的船舶导航效果，设计出一种较为合理的船舶导航交互界面是比较关键的一环。鉴于AR 技术在视觉呈现方面的优势，本文基于AR 技术对船舶导航系统交互界面进行合理设计，使用AR 技术对船舶航行的环境实施有效的三维可视化模拟，快速将船舶航行环境展示于用户面前，使用户获得较为理想的视觉体验。设计的船舶导航系统交互界面架构如图1 所示。在实际工作中，可采用触发相应传感器的方式，连接船舶航行信息终端，高效采集船舶导航过程中需要用到的各种环境信息，并以采集到的各种信息为可靠依据，应用AR 技术，完成船舶航行环境三维可视化模型构建，并在船舶导航系统交互界面完成相应显示。

图 1 船舶导航系统交互界面架构Fig. 1 Interactive interface architecture of ship navigation system

1.2 AR 技术下的船舶航行环境三维虚拟模型构建

以往在对船舶航行环境执行三维虚拟模型构建时，多通过与OSG 相似的三维性质图形设计程序完成，该类软件程序虽可较好完成船舶航行环境三维虚拟模型的虚拟显示以及模型交互，但在模型构建方面的性能稍显薄弱，具体表现为一旦所需构建的船舶航行环境三维虚拟模型较为复杂时，便无法获得较为清晰的船舶航行环境虚拟模型[5]。为充分利用其在模型虚拟显示与交互方面的优势，并摒除其在三维虚拟模型构建方面劣势，对实际船舶航行与管理方面的产生不良影响，本文在对船舶航行环境实施三维虚拟模型构建时，应用三维模型构建效果较好的SolidWorks，Unity3D 以及3dMaxd 三种软件完成船舶航行环境虚拟模型构建，并在模型构建完成后，利用OSG 软件程序完成三维模型虚拟显示以及交互。具体的船舶航行环境三维虚拟模型构建流程可归结为：

1）通过触发图像采集传感器方式，连接舰船航行信息终端，采集舰船航行环境信息，将采集到的环境信息经有效预处理后，加载到SolidWorks 软件对除海洋外的其他舰船航行环境场景实施有效的三维虚拟场景初始模型构建。

2）海洋三维虚拟场景初始模型构建。由于对舰船驾驶人员来讲，首先映入眼帘的会是海面，而海面并不完全静止，因而在进行舰船航行环境三维虚拟场景模型构建时，对海面这一场景实施三维建模时，要区别于其他场景建模。以往在对海面实施建模时，多数只是绘制一个二维平面，并将其放入SolidWorks 软件进行简单处理，真实感极低。如此，最终呈现于舰船驾驶人员眼中的舰船航行环境很大程度上会是失真状态，无法更加全面地了解舰船航行环境，并对其安全性做出合理预判。基于此，对海洋的模拟采用多个连续面向海面逼近的方式，将其首先模拟成一种含有多个采样点的网格，之后根据各采样点的相应采样值，获取相应的高度值表征海面。采样点最终高度的求解过程可描述为：

式中：Height(a,b)，Hplanar(a,b)分别为采样点处的最终高度以及海平面高度；f(a,b)为海量的高度采样值。

依据上述论述，可将具体的海洋建模过程简单描述如下：利用LOD 技术构建一个维度是二维的海平面网格；创立高度场，并将海平面网格中的点当作采样点执行相应的高度场高度求解操作，确定各海平面网格点的三维性质坐标，得到最终的三维海平面；加入光照以及反射等效果增强海洋模型的真实感。

经过上述操作，将所构建的其他场景初始模型与海洋场景初始模型在3dMax 中导入，并使用3dMax将二者连接融合在一起，构建完整的船舶航行环境三维虚拟场景初始模型，之后依次完成相应的纹理贴图、模型渲染等，便可获得完整的拥有丰富纹理以及色彩信息的船舶航行环境三维虚拟场景模型。

3）舰船航行路径三维建模与加载。舰船航行路径数据通过服务器使用MySQL 数据库实施合理管理，在对航行路径实施三维建模时，由客户端向服务器发送航行路径数据调用请求，请求通过后，服务器以相应的SQL 语句为有效数据获取媒介获取舰船航行路径数据，并将舰船航行路径数据以JSON 格式重新发送给客户端，客户端在接收到数据后，采用Unity3D 软件中的三维视景程序构建航行路径三维虚拟模型，并利用Unity3D 内置的UGUI 系统将航行路径加载到相应的航行环境三维虚拟场景模型中，获得最终的航行环境三维虚拟模型。

1.3 船舶航行环境三维虚拟模型法线贴图

因常规的纹理贴图方式，只能简单地将所构建三维模型的材质特征表征出来，对于模型表面存在的某些细小的线条轮廓特征，并不能给予很好的呈现。为此，针对上述问题，使用能够较好体现模型细小轮廓特征的法线贴图方式对所构建的航行环境三维虚拟场景初始模型进行合理贴图，凸显模型表面的细小轮廓特征，从而使构建的舰船航行环境三维虚拟场景模型更加逼真形象。贴图原理如图2 所示。

图 2 法线贴图原理Fig. 2 Principle of normal mapping

E标记模型表面存在一个空贴图，将其图形坐标标记为(i,j), (i,j)上存在的像素标记为Vi,j，将E合理附着贴合于低面数模型，并从E中随意挑选一个Vi,j按低面数模型表面拥有的法线方向寻找高面数模型表面，只要追赶到，便对该位置存在的法线执行有效记录操作，用N(x,y,z)标记该法线，按照此种方式不间断进行记录，直到完成整个贴图。在实际的工作中，因法线通过三维向量记载，故通常将所获法线记录结果放入RGB 通道实施合理存储，用Ux，Uy，Uz分别标记x轴、y轴与z轴的法线向量，若其满足式(1)则对其执行有效的向量归化处理，将其归化到像素灰度区间[0,255]。利用上述方法，可快速完成船舶航行环境三维虚拟场景模型贴图操作，显著提升模型逼真程度。

1.4 船舶航行环境三维虚拟模型渲染

以往在对三维虚拟模型执行合理渲染操作时，多采用双线性光强插值或双线性法向插值方法完成相关渲染操作，但是前者虽具有较少的计算量，却不适应高光状况下的模型渲染，后者虽然具有较好的高光效果，运算复杂度却很高。若在对三维模型执行合理渲染时，能够按不同情形，充分结合二者优势对模型实施合理渲染，将收获较为理想的模型渲染效果。为此，基于2 种算法对其实施相应改进。使用改进插值算法完成船舶航行环境三维虚拟模型渲染，具体的算法流程如图3 所示。该模型渲染算法的主要思想为：对三维模型执行有效的高光以及非高光多边形区分操作，并通过双线性光强插值方法实施合理计算，判别当前多边形是否处于高光状态，若是，便利用双线性法向插值法完成相应计算。如此，既能降低模型渲染工作中的运算复杂度，又能保障渲染完成的模型具有较好的高光效果。

图 3 模型渲染流程Fig. 3 Model rendering process

2 实验与分析

以某大型货船的导航系统为实验对象，应用本文方法对其实施交互界面设计，验证本文方法在船舶导航系统交互界面设计方面的优势。该艘货运船所使用导航系统的各项参数状况如表1 所示。

表 1 导航系统各项参数情况Tab. 1 Parameters of ship navigation system

图4 为应用本文方法对船舶导航系统交互界面实施合理设计后，获得的电子海图显示界面。可以看出，应用本文方法可以实现船舶导航系统交互界面设计，设计完成后，在电子海图显示界面，不仅可将船舶航行整体环境状况以及航行路线清晰呈现给驾驶人员，还可将船舶航行的近景环境状况同步呈现，更好满足实际需要。

图 4 电子海图显示界面Fig. 4 Electronic chart display interface

图5 为应用本文方法对船舶导航系统交互界面实施合理设计时，获得的部分船舶航行环境场景三维虚拟模型渲染效果。可以看出，应用本文方法对海面小岛以及海浪的三维模型实施合理渲染后，小岛的倒影以及浪花的飞溅状态都能够被较为逼真地呈现出来，可收获较为理想的模型渲染效果。将其应用于实际工作中，可使船舶驾驶人员在AR 技术电子海图显示界面看到更为清晰逼真的船舶航行环境状况以及航行路径，更好保障航行的安全性。

图 5 模型渲染效果Fig. 5 Model rendering effect

为进一步验证本文方法在船舶导航系统交互界面设计方面的有效性，绘制不同天气状况下，显示在导航系统交互界面的航行环境近景图像效果对比图，如图6 所示。可以看出，本文提出的AR 技术下船舶导航系统交互界面设计方法，在实际工作中能够更好保障航行环境图像在各种天气状况下的清晰度，即使在极端天气下，界面显示的图像清晰度也都在0.6 以上，能够更好满足长时间的航行需求。

图 6 界面显示图像效果Fig. 6 Interface display image effect

3 结 语

应用本文方法可以设计出较为理想的船舶导航交互界面，将航行环境以及路线状况精准、清晰地呈现于驾驶人员面前，达到有效控制船舶航行路线，保证船舶航行安全的目的。