文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 葉銘 馬孝長

1 AR 三維實景融合技術(shù)簡介

為了維護社會治安、減少公共安全隱患，近年來政府部門和企業(yè)機構(gòu)都在不斷加大社會公共安全建設(shè)方面的投入，開展實施了很多大型安防類項目，例如天網(wǎng)工程、平安城市、雪亮工程、大型綜合體物業(yè)管理等。同時，很多安防項目中都引入了視頻監(jiān)控、三維GIS、BIM 等新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用有效提高了安防管理的信息化和智能化水平。但綜合分析來看，目前這些技術(shù)的應(yīng)用大多相對獨立，且各自存在優(yōu)缺點。

在視頻監(jiān)控方面，隨著前端視頻監(jiān)控設(shè)備的不斷發(fā)展，在CMOS 感光技術(shù)、超高清技術(shù)、槍球聯(lián)動高低點聯(lián)動、人臉識別、車輛識別技術(shù)的加持下已經(jīng)逐步解決了看得見、看得清、看得懂的問題。但其技術(shù)瓶頸也很明顯，畫面獨立看不全，視角分散不直觀，畫面位置不明確，視角信息難獲取，缺少真三維下的空間立體感和全局視角。

BIM 源自建筑工程領(lǐng)域，通過數(shù)字化技術(shù)建立虛擬的建筑工程三維模型，并形成工程建設(shè)全過程的信息庫。BIM 技術(shù)在設(shè)計開發(fā)、建造施工、建設(shè)模擬、建設(shè)質(zhì)量評估等方面的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但是高成本的BIM 在建設(shè)施工完成后大多被束之高閣。因此，當前更需要關(guān)注的是如何將BIM 技術(shù)的應(yīng)用從項目前中期的設(shè)計和施工階段轉(zhuǎn)移至后期運維管理階段，尤其是已建成的大型建筑場館在投入使用過程中需要解決場所、空間、人流、物流等安全問題，建模精細程度較高的BIM 數(shù)據(jù)在內(nèi)部空間、設(shè)施、應(yīng)急管理等方面有著極高的應(yīng)用價值。

在GIS 地圖方面，三維GIS 采用可視化和直觀化的表現(xiàn)形式將抽象難懂的空間信息呈現(xiàn)出來，更符合人類的視覺感知和空間理解能力。與傳統(tǒng)二維GIS 相比，三維GIS 能提供更加復(fù)雜、動態(tài)和抽象的空間分析功能，例如淹沒分析、地質(zhì)分析、日照分析、空間擴散分析、通視性分析等。但其缺點與BIM 一樣，虛擬構(gòu)建的三維場景通常都是提前制作的靜態(tài)模型數(shù)據(jù)，無法展示真實世界的動態(tài)現(xiàn)狀，細節(jié)紋理也不夠豐富真實。

因此，AR 三維實景融合技術(shù)應(yīng)運而生，將視頻、BIM、三維GIS 三者集成，監(jiān)控視頻展示現(xiàn)場真實情況，三維GIS 和BIM模型提供室內(nèi)室外一體化的地理空間信息和空間分析功能。三者互為補充、聯(lián)動協(xié)同，構(gòu)建真實完整的三維立體實景空間，圖形化展示城市的空間地理信息和實時現(xiàn)狀，為城市安防管理提供服務(wù)。

2 AR 三維實景融合技術(shù)的特點

2.1 宏觀與微觀相結(jié)合

圖1 三維模型與視頻無縫融合

通過AR 三維實景融合技術(shù)，可以在三維場景漫游模式下快速掌握保護區(qū)域的整體情況，如自然環(huán)境、建筑物、道路和公共設(shè)施等，以及所有監(jiān)控點的名稱、分類、位置、監(jiān)控范圍和監(jiān)控角度，以全局視角快速獲取需要的信息，精準定位想要查看的目標區(qū)域。室內(nèi)漫游時，BIM 數(shù)據(jù)精確還原建筑內(nèi)部空間信息，通過BIM 剖切還可以查看監(jiān)控視頻拍不到的隱蔽空間，如吊頂、通風管道等；切換至監(jiān)控畫面模式時，實時監(jiān)控畫面將展示現(xiàn)場的真實情況，補充三維模型中缺失的動態(tài)現(xiàn)狀和細節(jié)紋理信息。實現(xiàn)從宏觀到微觀，多方位、一體化的查詢展示。如圖1所示。

2.2 虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合

監(jiān)控視頻采集現(xiàn)場的真實情況，反映的是一種“現(xiàn)實”狀態(tài)，但是這種“現(xiàn)實”通過平面化的圖像傳遞給管理人員，對畫面信息的解譯依靠人的視覺分辨能力和經(jīng)驗。遇到一些不易分辨的場景時，例如統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計的大型社區(qū)內(nèi)部，建筑、道路和綠化看上去極為相似，難免會給查看監(jiān)控視頻的人員帶來不便和困惑。

為了解決這些問題，需要在“現(xiàn)實”的基礎(chǔ)上進行“增強”。虛擬的三維模型場景為實時監(jiān)控畫面補充了周邊環(huán)境、經(jīng)緯度、方位角、距離、位置等信息。還可通過矢量要素、圖標和標簽等方式給畫面中的一些特殊位置、特殊建筑物等添加描述信息，監(jiān)控畫面上會直接顯示GIS 信息（如邊界線）、POI 信息和特定業(yè)務(wù)信息（如預(yù)警點）等。這些虛擬的增強信息將幫助屏幕前的安保人員及時有效地處理視頻畫面捕捉到的異常及突發(fā)情況。

2.3 視頻分析與空間分析相結(jié)合

安防管理中常利用視頻分析技術(shù)來實現(xiàn)目標物的識別及跟蹤，視頻分析本質(zhì)上是基于二維圖像的分析技術(shù)，在實際應(yīng)用中有時無法完全滿足安防管理的需要，例如分析人員、車輛等運動目標的軌跡靈活調(diào)取相應(yīng)的監(jiān)控視頻，再如發(fā)生突發(fā)事件需要規(guī)劃疏散或者救援路線。通過AR 三維實景融合技術(shù)，三維場景作為背景數(shù)據(jù)為視頻圖像提供空間坐標，解決了視頻圖像不能有效表達空間深度信息的問題。視頻圖像中任意對象都可快速獲取其空間位置信息，將鎖定的目標對象帶入三維空間進行再分析，并將分析結(jié)果在三維場景中立體化展示出來，實現(xiàn)視頻畫面要素全面的可查、可測、可控。

2.4 數(shù)據(jù)展示與信息承載相結(jié)合

AR 三維實景融合技術(shù)所構(gòu)建的三維實景空間既是可視化的展示數(shù)據(jù)，同時也是一個信息集成平臺，例如報警器BIM 模型，既可以直接展示報警器形態(tài)和空間位置，還可以掛接設(shè)備屬性、運行數(shù)據(jù)、歷史報警記錄等業(yè)務(wù)信息。三維實景空間將成為信息的載體，集成安防管理所需要的各類信息和數(shù)據(jù)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和查詢服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)同共享。

3 AR 三維實景融合技術(shù)在安防管控中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)控點管理

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種有效的安防手段已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，一些大型監(jiān)控系統(tǒng)接入的監(jiān)控點多達幾十、上百個，傳統(tǒng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)大多采用圖像矩陣的方式集中顯示或輪播監(jiān)控畫面，用示意圖或二維地圖的方式標注監(jiān)控設(shè)備的安裝位置，這種管理方式最大的缺點是無法快速判斷視頻圖像在監(jiān)控地點或場景中的定位，尤其在高密度、復(fù)雜樓宇空間中，攝像頭所在的位置和方向更難確定。如果不能快速圖像定位就意味著無法對圖像顯示的應(yīng)急情況及時進行處置，因此急需一種集中化、直觀化的管理方法。

采用AR 三維實景融合技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)所展示的不再是電視墻上的孤立圖像，而是包含地理空間關(guān)系的三維場景，所有監(jiān)控點的坐標位置、監(jiān)控角度和監(jiān)控范圍一目了然，可快速定位到想要查看的目標位置。在單景視頻畫面中可看到當前視域范圍內(nèi)其他監(jiān)控點的位置，可直接點擊相應(yīng)監(jiān)控點位圖標進行切換跳轉(zhuǎn)。

利用三維GIS 的可視域分析、通視分析和空間統(tǒng)計功能，可測算出現(xiàn)有監(jiān)控點的覆蓋范圍和監(jiān)控盲點，以及指定范圍內(nèi)監(jiān)控點的數(shù)量和幾何分布圖形，為監(jiān)控改裝和加裝提供依據(jù)，確保監(jiān)控面全覆蓋。如圖2所示。

3.2 日常巡檢

AR 三維實景融合技術(shù)集成了遙感影像、DEM、矢量要素、BIM 模型和視頻流等多種數(shù)據(jù)，可還原建筑場館、道路、安防設(shè)施等現(xiàn)場真實情況，擁有三維場景和實時監(jiān)控視頻兩種顯示模式，通過調(diào)節(jié)監(jiān)控畫面的透明度或切換顯示模式來實現(xiàn)兩種場景畫面的對比和切換。通過三維漫游就可完成室內(nèi)室外全區(qū)域查看，還可設(shè)置巡檢路線或監(jiān)控播放順序，進行依次、巡回等多種模式的自動巡檢，及時了解保護區(qū)域整體情況，完成日常巡檢工作。如圖3所示。

3.3 危險行為識別

在高危區(qū)或重點安防區(qū)域安裝高清攝像機，利用圖像識別、目標檢測等視頻分析技術(shù)分離場景中的背景和目標物，在視頻與三維場景融合的基礎(chǔ)上，快速獲取目標物的位置信息，并將目標對象同步帶入三維場景中進行空間分析，結(jié)合三維GIS數(shù)據(jù)，例如防范區(qū)域或作業(yè)區(qū)域界線等，判斷目標對象是否存在非法入侵、跨界、徘回、非法聚集等安全隱患行為。

在視頻中發(fā)現(xiàn)異常情況時，可直接在視頻畫面中添加預(yù)警標注，同時事故的空間位置信息也一并保存記錄下來，以便快速定位到現(xiàn)場進行核實處置。事后還可利用這些空間位置信息進行統(tǒng)計分析，作為判定事故高發(fā)地段的依據(jù)。

圖2 監(jiān)控覆蓋范圍分析

圖3 自動巡檢

3.4 目標聚焦及跟蹤

當發(fā)生突發(fā)事件時，根據(jù)事發(fā)地點的位置信息，計算出能拍到該位置的所有監(jiān)控點位，快速調(diào)取能覆蓋事發(fā)地點的全部監(jiān)控視頻，從不同空間角度對同一位置點的事件進行監(jiān)控，并按距離和角度等條件要素進行智能排序，優(yōu)先顯示距離最近、視角最好的監(jiān)控視頻，幫助管理者快速掌握保護區(qū)的實時情況。如圖4所示。

針對運動狀態(tài)的目標對象時，當目標物離開當前監(jiān)控區(qū)域或遇到視線遮擋等情況，可根據(jù)其運動軌跡快速計算目標對象瞬時位置，調(diào)取對應(yīng)的監(jiān)控點視頻，實現(xiàn)目標物跟蹤。

3.5 人員部署和調(diào)度

三維GIS 的地理空間框架與BIM 模型相結(jié)合，構(gòu)建室外室內(nèi)一體化的空間坐標體系，接入人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后可實時顯示人員位置，還可根據(jù)歷史定位數(shù)據(jù)生成運動軌跡圖。利用BIM 模型數(shù)據(jù)的可拆分性，可以很方便的按區(qū)塊或樓層進行劃分，指定安保責任人，并輸入安保人員信息，如姓名、手機號等。在視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)異常情況后，可快速查出負責該區(qū)域的安保人員信息，及時通知其到現(xiàn)場查看，實現(xiàn)人員的部署和調(diào)度。

3.6 應(yīng)急預(yù)案模擬

一些大型建筑場館內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全出口眾多，二維或靜態(tài)的應(yīng)急預(yù)案已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代安防應(yīng)急管理的需求。基于精細的BIM 模型，可以分建筑單體、分樓層制定詳細應(yīng)急預(yù)案，根據(jù)需要用不同顏色和樣式的圖標來標繪疏散路線和重點防護區(qū)域，在三維場景和視頻畫面中同步顯示。將使得制定的應(yīng)急預(yù)案更加清晰易懂，可操作性更強。如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語

AR 三維實景融合技術(shù)脫胎于城市安防建設(shè)中的常見應(yīng)用場景，結(jié)合視頻、BIM、三維GIS 等多種技術(shù)手段，實現(xiàn)“全視界”三維實景空間復(fù)刻，提供三維實景展示和空間分析功能，可以解決傳統(tǒng)基于二維地圖和單純監(jiān)控畫面的安防指揮管理中存在的諸多問題。

文中只簡單介紹了一部分AR 三維實景融合技術(shù)在安防管理中的應(yīng)用方案，除此之外還可以通過集成云臺、安檢、消防、交通路況等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，輔助實現(xiàn)視頻調(diào)度、人流監(jiān)控、消防隱患排查、GPS 車輛查詢定位等更多安防管理中的應(yīng)用需求。AR 三維實景融合技術(shù)作為一項跨學科、跨領(lǐng)域的新興技術(shù)還處在初步發(fā)展階段，還有更多的應(yīng)用方式和應(yīng)用場景有待發(fā)掘和拓展。

圖4 監(jiān)控聚焦

圖5 三維BIM+GIS 模式下的應(yīng)急預(yù)案

圖6 視頻融合模式下的應(yīng)急預(yù)案