吳薔薇，曲 蕾

(1. 山東青年政治學(xué)院，山東 濟(jì)南 250001；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

目前傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)主要有全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS（Automatic Identification System）、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS（Electronic Chart Display and Information System）、船載航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR（Voyage Data Recorder）等。

傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)及助航設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，船舶駕駛員需要對(duì)多臺(tái)設(shè)備的信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)監(jiān)守在屏幕前，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化航行[1]。同時(shí)，船舶安裝導(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備是有一定要求的，如國(guó)際海事組織對(duì)AIS 系統(tǒng)的強(qiáng)制安裝要求是船體300 t 以上，在近海航行中的一些小型船舶不滿足強(qiáng)制安裝的要求。本文以近海航行為例，提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，分析船舶航行中距離測(cè)量對(duì)目標(biāo)處理及檢測(cè)的方法。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一種將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)捕捉、生成的虛擬信息（包括圖像、聲音、文本信息、實(shí)時(shí)場(chǎng)景、三維模型等）嵌入到真實(shí)世界中，實(shí)現(xiàn)虛擬景象和真實(shí)環(huán)境的良好融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的新型技術(shù)[2]。

AR 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界和真實(shí)環(huán)境的信息集成，能夠完整、真實(shí)地保存真實(shí)環(huán)境信息，并幾乎可以實(shí)時(shí)對(duì)采集的信息進(jìn)行處理、增強(qiáng)，具有實(shí)時(shí)交互性。由于AR 比較突出的特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、交通、消防等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要組成部分如圖1 所示。AR 技術(shù)主要由獲取單元、辨別處理單元、虛實(shí)嵌入單元、顯示單元4 個(gè)部分組成。

圖1 AR 技術(shù)的主要組成單元示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the components of AR

獲取單元用于信息的采集，包括圖像、聲音、視頻等；辨別處理單元是識(shí)別、提取采集得到的信息，并將其和航行所需的有效信息進(jìn)行三維模型對(duì)比；虛實(shí)嵌入單元是將虛擬的三維模型準(zhǔn)確地添加在采集到的信息中，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的疊加；顯示單元將經(jīng)過(guò)提取、檢測(cè)、處理后的信息直接呈現(xiàn)給船舶駕駛員。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于顯示技術(shù)，目前常見(jiàn)的顯示系統(tǒng)包括基于光學(xué)的透視式顯示系統(tǒng)、基于視頻的透視式顯示系統(tǒng)、投影式顯示以及虛擬視網(wǎng)膜顯示。

1.2 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Computer Vision）技術(shù)的出現(xiàn)，使得機(jī)器能夠?qū)W習(xí)人或其他生物的行為，利用計(jì)算機(jī)及其他相關(guān)設(shè)備模擬、仿真生物的視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)圖像、視頻等信息進(jìn)行處理，提取相應(yīng)的有效信息，從而實(shí)現(xiàn)辨別方向、姿態(tài)調(diào)整、躲避障礙物等功能。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是典型的交叉學(xué)科產(chǎn)物，綜合了生物工程、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，圖像處理、模式識(shí)別是其中的核心技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在一定程度上已經(jīng)達(dá)到了質(zhì)的飛躍，是實(shí)現(xiàn)船舶航行自動(dòng)化、智能化的必要手段之一[3]。

圖像處理、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)出現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。然而，計(jì)算機(jī)視覺(jué)又不同于前兩者，圖像處理主要是根據(jù)圖像的大小、顏色、形狀對(duì)圖像進(jìn)行處理。機(jī)器視覺(jué)是利用機(jī)器代替人眼或其他生物的視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)的捕捉、測(cè)量及分析。一般情況下，計(jì)算機(jī)視覺(jué)不僅包括了圖像處理這個(gè)步驟，同時(shí)又增加了模式識(shí)別這一過(guò)程。

不同于機(jī)器視覺(jué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)更注重對(duì)環(huán)境的識(shí)別和感受，主要研究任務(wù)可以分為4 類(lèi)：分類(lèi)、檢測(cè)、分割、跟蹤。圖像分類(lèi)是指對(duì)圖片進(jìn)行整體劃分，將不同的圖像劃分到不同的類(lèi)別，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中最基礎(chǔ)的一項(xiàng)任務(wù)。

目標(biāo)檢測(cè)重點(diǎn)關(guān)注圖片中的指定目標(biāo)，檢測(cè)內(nèi)容包括確定待測(cè)目標(biāo)所屬類(lèi)別和出現(xiàn)概率以及確定目標(biāo)的具體位置信息（包括時(shí)間信息和空間信息）。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的核心任務(wù)也是關(guān)鍵技術(shù)之一就是圖像語(yǔ)義分割，具體是指將整個(gè)目標(biāo)圖像劃分成各不相同的像素組，然后對(duì)每一個(gè)像素組分別進(jìn)行標(biāo)定和分組。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是輸入一張RGB 圖像（height*width*3）或是灰度圖（height*width*1），輸出的分割圖中的每一個(gè)像素都包含類(lèi)別標(biāo)簽（height*width*1）。

分割是在像素級(jí)別對(duì)圖像進(jìn)行分割，劃分出像素來(lái)自于哪些不同的物體，和目標(biāo)檢測(cè)相比，分割更細(xì)致、更準(zhǔn)確。以分割為基礎(chǔ)，在進(jìn)行AR 虛實(shí)交互時(shí)，真實(shí)環(huán)境與虛擬世界能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行交互。

目標(biāo)跟蹤是指在某個(gè)或某幾個(gè)場(chǎng)景中追蹤某一個(gè)或多個(gè)指定的目標(biāo)，廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛和視頻監(jiān)控領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，目前在醫(yī)療、智能駕駛、公共安全等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)具有一定規(guī)模。在智能駕駛應(yīng)用方面，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)綜合多種傳感器的輸出信息，對(duì)獲取的視覺(jué)信息進(jìn)行劃分、定位、檢測(cè)，能夠最大程度地輔助智能駕駛平臺(tái)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑、預(yù)測(cè)障礙物、控制方向等功能。因而使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及目標(biāo)跟蹤技術(shù)可以很好地幫助船舶實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)航。

對(duì)于船舶航行，安全性最重要。海上航行，航道寬、船舶密度小，但天氣多變，容易遇到惡劣天氣，如臺(tái)風(fēng)等。同時(shí)，海上水文環(huán)境復(fù)雜，如漩渦、礁石等。此外海洋生物對(duì)船舶也會(huì)造成危險(xiǎn)。而相對(duì)于海上遠(yuǎn)洋航行來(lái)說(shuō)，近海航行的航道窄、船舶密度大，建筑物對(duì)信號(hào)的影響，也同樣存在著很大的危險(xiǎn)性。所以，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的信息采集和處理以及實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

國(guó)際海事組織指出在未來(lái)的船舶航行中不僅要增強(qiáng)船舶航行能力，提高海上安全，還需要保護(hù)海洋環(huán)境，這就要求未來(lái)的船舶航行要能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、信息化、安全化[1]。AR 技術(shù)應(yīng)用在船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中，能夠?qū)⒃瓉?lái)需要由駕駛員分析和處理的大量信息交由AR 進(jìn)行分析、整合和處理，從而實(shí)現(xiàn)船舶航行的智能化、信息化、安全化。圖2 為基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖。

圖2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Diagram of ship navigation system based on augmented reality

攝像頭實(shí)時(shí)捕捉航向中的靜態(tài)物體、動(dòng)態(tài)物體以及船舶在航行中的運(yùn)動(dòng)信息（姿態(tài)、位置等），并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，同時(shí)將物體的信息傳送至計(jì)算機(jī)。根據(jù)相關(guān)物體信息，計(jì)算機(jī)完成對(duì)物體的三維建模生成虛擬物體并和真實(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)拼接，駕駛員可以通過(guò)顯示屏中虛實(shí)融合的場(chǎng)景實(shí)時(shí)觀察航路中的情況。

計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體可以直接使用圖形函數(shù)生成，也可以利用軟件進(jìn)行建模后導(dǎo)出，虛擬物體的三維建模坐標(biāo)系如圖3 所示。在增強(qiáng)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于航行的特殊性，不僅要建立靜態(tài)物體的三維模型，如橋梁、港口等，還需要關(guān)注運(yùn)動(dòng)物體的建立，比如浮標(biāo)、其他船舶等。

圖3 虛擬物體三維建模原理圖Fig. 3 Virtual object 3D modeling schematic diagram

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位不僅要捕捉航行中的各種物體，還要實(shí)時(shí)記錄船舶的航向和位置等，配合虛擬物體三維建模，保證虛擬世界和真實(shí)世界的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)精確的虛擬融合。目標(biāo)跟蹤的過(guò)程中，不僅是對(duì)一個(gè)目標(biāo)的跟蹤，在大多數(shù)情況下，是對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。目前最常用的目標(biāo)跟蹤方法是判別類(lèi)模型方法[3]，這種方法是對(duì)背景和目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，可以更好地捕捉重點(diǎn)目標(biāo)，是安全航行的基礎(chǔ)。

2.2 航行中的距離測(cè)量

近海航行中，傳統(tǒng)的導(dǎo)航不具備規(guī)劃和預(yù)警功能，幾乎是憑借著駕駛員的經(jīng)驗(yàn)完成航行，但由于航道比較復(fù)雜，加上建筑物的影響，導(dǎo)致無(wú)法提前規(guī)避，使得航行中經(jīng)常出現(xiàn)碰撞事故，測(cè)距功能就顯得尤為重要。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是利用圖像采集設(shè)備（攝像頭）獲取圖片信息，選擇合適的圖像檢測(cè)方法，提取特征目標(biāo)，根據(jù)圖像測(cè)距原理，完成距離的計(jì)算，并將測(cè)量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，作出提前規(guī)劃和預(yù)警，避免事故的發(fā)生[4]。

攝像頭的測(cè)距功能是根據(jù)凸透鏡成像原理實(shí)現(xiàn)的，假設(shè)透鏡的焦距為f，u為捕捉到的物體到透鏡光心的距離，即物距，v為物體在攝像頭上成像后與光心的具體，即像距，根據(jù)透鏡成像原理可得：

將式（1）進(jìn)行變換可得目標(biāo)距離公式：

2.3 船舶目標(biāo)的圖像處理

圖像采集模塊的輸出信息中包含大量噪聲，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)前，需要對(duì)采集得到的圖像信息進(jìn)行處理，在一定程度降低噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響，提高精度，常用的處理方法有灰度處理、濾波。

灰度處理可以提高對(duì)目標(biāo)的提取精度和整個(gè)處理系統(tǒng)的工作效率，常用的是最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法。濾波可以有效地提取目標(biāo)對(duì)象的特征，采用合理的濾波算法不僅可以最大程度地降低噪聲，同時(shí)還能最大限度地保留目標(biāo)對(duì)象的特征。按照去噪算法可以分為空域去噪和變換域去噪，空域去噪中經(jīng)典的方法包括均值濾波、中值濾波，變換域去噪常用的是小波變換去噪法[5]。

均值濾波是利用取均值的方法代替原圖中的像素值，即選擇一個(gè)大小為M的模板，這個(gè)模板是由其鄰近的若干像素組成，求出模板中所有像素的均值，填充到輸出的圖像中，原理如下：

其中：g(s,t) 為原始圖像；f(x,y)為濾波處理后的圖像；M為大小為m×n的 濾波器窗口；Sxy為中心點(diǎn)在(x,y)處。

中值濾波的原理是把數(shù)字圖像中某一點(diǎn)的像素值用這個(gè)點(diǎn)的一個(gè)鄰域中所有點(diǎn)像素值的中值代替，使得其周?chē)闹到咏鎸?shí)值，實(shí)現(xiàn)消除噪聲的功能。

其中：g(x,y) 為處理后的圖像；W為二維模板，通常為 2 ×2， 3 ×3的 區(qū)域； (k,l)為目標(biāo)像素點(diǎn)周?chē)南袼攸c(diǎn)。

根據(jù)不同頻帶上的噪聲和信號(hào)具有的小波分解系數(shù)不同，根據(jù)這一原理將各個(gè)頻帶上不同的噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)去除，同時(shí)原始信號(hào)的小波分解系數(shù)被保留下來(lái)，再對(duì)處理后的系數(shù)進(jìn)行重新構(gòu)建，獲得處理后的信號(hào)。

2.4 測(cè)試結(jié)果

傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)依賴AIS 技術(shù)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)可以幫助船舶實(shí)現(xiàn)精確定位，AIS 技術(shù)可以幫助識(shí)別其他船舶或者動(dòng)態(tài)目標(biāo)。但在船舶操作過(guò)程中對(duì)航道方向的把握或者孤立的危險(xiǎn)目標(biāo)避讓?zhuān)?jīng)常需要讓工作人員來(lái)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行辨別。特別是隨著船舶不斷增大，很多時(shí)候觀察視野相對(duì)受限，因而使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效幫助識(shí)別航道以及危險(xiǎn)物。

以近海真實(shí)船舶航行為例，搭載并使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。圖中虛線內(nèi)為船舶航行的航道，虛線外為近海兩側(cè)建筑，多為靜態(tài)物體，中間實(shí)線表示預(yù)定航向。而在真實(shí)航行中，虛線其實(shí)并不存在，但是通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將航道的邊線標(biāo)識(shí)出來(lái)，讓船員更好實(shí)現(xiàn)安全航行。與此同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以將岸邊以及航道上出現(xiàn)的其他船舶進(jìn)行增強(qiáng)顯示，這樣配合AIS 技術(shù)可以更好地讓船員注意視野盲區(qū)內(nèi)的其他船舶。

圖4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試圖Fig. 4 Enhanced display of navigation system test diagrams

從測(cè)試結(jié)果可以看出，整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)出航向、航速和航道偏差＞同時(shí)，航道附近以及航行方向中的物體均能被準(zhǔn)確地識(shí)別并添加在導(dǎo)航圖中，可以實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警以及路徑規(guī)劃的目的，大大降低了航行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)融合，可以更好地為船舶航行提供服務(wù)。為了應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的航行環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)船舶航行的安全化、智能化，后續(xù)還需要在信息高效處理方面進(jìn)行研究。