◎王向飛

沙盤在國防、規(guī)劃、交通、教育、旅游等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的實體沙盤，數(shù)字投影沙盤借助投影顯示設(shè)備把計算機上的圖形圖像顯示到投影介質(zhì)上，具有展示多樣化、內(nèi)容交互性強、易更新的特點，是目前主流的沙盤表現(xiàn)形式之一。數(shù)字投影沙盤按照沙盤展示方式有2 種：一種是以白色或灰色幕面作為投影介質(zhì)，不配置實體沙盤模型；另一種則是采用“實體沙盤模型+數(shù)字投影”的方式。在打開數(shù)字投影前，實體沙盤按比例還原真實地形地貌及主要地理概況；打開數(shù)字投影后，聲、光、電結(jié)合在實體沙盤上展現(xiàn)專題業(yè)務(wù)內(nèi)容，這種直觀生動的展示方式能讓觀眾在短時間內(nèi)了解到更豐富的信息。

利用“實體沙盤模型+數(shù)字投影”方式，不僅保留了實體沙盤模型的優(yōu)勢，還增添了高科技元素，融入大量實體沙盤自身不能體現(xiàn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，使信息的呈現(xiàn)更為多樣化、形象化，給觀眾帶來更豐富的觀賞體驗。

一、研究思路

實體沙盤一般擺放角度是與地面平行的，受凹凸起伏的表面影響，沙盤的遠端內(nèi)容不易看清。投影技術(shù)一般主要用于將圖像投射至表面光滑平整的投影介質(zhì)上，難以將信息內(nèi)容精準(zhǔn)地映射到沙盤對應(yīng)的點位上，影響觀眾的觀賞體驗。

此次研究采用抬高沙盤遠端的方式使沙盤呈“前低后高”，便于觀眾欣賞沙盤的全貌。因為沙盤傾斜的表面與投影機之間的投影角度產(chǎn)生了變化，所以原始畫面的像素點跟實際投影點存在不同程度的位置偏差。因此，需要研究一套自適應(yīng)投影算法，對每個像素點進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確保投影畫面中的點、線、面、注記等要素準(zhǔn)確映射到實體沙盤模型對應(yīng)的位置。

由人體工程學(xué)可知，低頭角度在0°～15°之間時，人的頸部肌肉總體緊張度最低，此時頸部最舒服。結(jié)合人眼視度的相關(guān)研究結(jié)果，以人眼向前平視90°為標(biāo)準(zhǔn)向下傾斜10°～40°為人的最佳視野俯角，在這個俯視角范圍內(nèi)人的眼睛能夠保持最輕松舒服的狀態(tài)。為了給觀眾帶來更好的觀賞體驗，此次研究將實體沙盤遠端做了抬高，傾斜角為15°～40°（見圖1）。

圖1 沙盤傾斜前后對比

實體沙盤傾斜抬高后，投影機的原始投影點與實際應(yīng)投影點存在位置偏差，傳統(tǒng)解決方案是現(xiàn)場對每個畫面的所有像素點進行逐個配準(zhǔn)，工作量非常大。此次研究通過分析傾斜實體沙盤不同位置點與投影機之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立通用的數(shù)學(xué)模型來解決畫面偏差的問題。

二、技術(shù)創(chuàng)新

在本研究場景中，實體沙盤基于面向觀眾席的邊緣中心點O 點進行傾斜抬高（見圖2）。以原始投影畫面A 點為例，投影點的偏移分為2 種情況：一是投影點無高程值。A 點對應(yīng)于沙盤傾斜前的投影M 點。沙盤傾斜后，投影M 點對應(yīng)于斜線上的N 點，要想保持應(yīng)投影點在N 點，則需在投影畫面中將信息內(nèi)容配準(zhǔn)至V 點。二是投影點存在高程值。A 點對應(yīng)于沙盤傾斜前的投影P 點。沙盤傾斜后，投影P 點對應(yīng)于斜線上的Q 點，若要保持應(yīng)投影點在Q點，則需在投影畫面中將信息內(nèi)容配準(zhǔn)至W 點。

圖2 沙盤傾斜前后投影點示意圖

此次研究采用劃分像素矩陣和建立投影坐標(biāo)配準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的辦法，提出一種在數(shù)字投影沙盤的應(yīng)用場景下，投影內(nèi)容與實體沙盤自適應(yīng)配準(zhǔn)的辦法。

以面向觀眾席的邊緣中心位置O 點為原點，建立平面直角坐標(biāo)系，與觀眾席平行的方向為χ 軸，O 點與投影機垂直投影點T 點的連線方向為y 軸。俯視沙盤投影面為一個圓心位于T點的正圓投影面（見圖3）。

圖3 沙盤俯視示意圖

將投影圖像中的像素點位置劃分為兩類：第一類是投影面位于y 軸上的點。沙盤抬高后，該類像素點同O 點的連線與地面的夾角為α。第二類是投影面其他位置的像素點。沙盤抬高后，這些像素點和O 點的連線與地面的夾角隨位置分布的改變而變化。然后，分析像素位置與夾角之間的數(shù)學(xué)規(guī)律，針對相應(yīng)類型分別建立不同的坐標(biāo)配準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。

在確定投影參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)后，筆者根據(jù)投影的像素內(nèi)容建立了一個原始像素矩陣，不同位置的像素點選擇對應(yīng)的坐標(biāo)配準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型進行計算，得到能適應(yīng)傾斜實體沙盤的坐標(biāo)位置。再通過遍歷、計算和賦值生成新的像素矩陣，即為投影內(nèi)容與實體沙盤自適應(yīng)的像素矩陣，從而實現(xiàn)自適應(yīng)投影，解決沙盤傾斜后投影信息內(nèi)容產(chǎn)生偏移的問題。

三、成果應(yīng)用

此次研究基于自適應(yīng)投影算法，以及跨平臺雙坐標(biāo)系的匹配與定位、多層級場景異步加載互動控制、大屏可視化策略等關(guān)鍵方法，成功解決了數(shù)字沙盤綜合展示的關(guān)鍵技術(shù)。通過多學(xué)科技術(shù)的有機融合實現(xiàn)實體沙盤、電子沙盤、數(shù)字投影的聯(lián)動控制展示，有效解決了傳統(tǒng)沙盤表示內(nèi)容一經(jīng)固化、后期更新困難的問題。

目前，該項研究成果已在廣西自然資源綜合展示系統(tǒng)中成功應(yīng)用，并獲得國家發(fā)明專利。該系統(tǒng)展示的內(nèi)容分為位置區(qū)劃、自然資源、資源管理與規(guī)劃三大模塊，包含14 類專題共39 項專題數(shù)據(jù)成果，既有地理位置、地形地貌、區(qū)位優(yōu)勢等自然地理要素內(nèi)容，又有國土空間規(guī)劃、國土監(jiān)管、國土空間生態(tài)修復(fù)、地質(zhì)災(zāi)害等自然資源管理的專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，展示效果一目了然。

未打開投影機前，在現(xiàn)場環(huán)境下實體沙盤展示的是原有的、固化的內(nèi)容，如圖4（a）所示；打開投影機后，展現(xiàn)出的動態(tài)信息畫面與實體沙盤邊界、沙盤內(nèi)的海陸邊界、地形地貌精準(zhǔn)套合，效果如圖4（b）所示。

圖4 沙盤投影前后效果對比

數(shù)字投影沙盤提供了畫質(zhì)精美、內(nèi)容豐富、視覺沖擊力強的展示模式，展示內(nèi)容主題鮮明，讓觀者更全面、直觀、形象地了解掌握廣西自然地理格局概況和自然資源管理工作成效。

基于自適應(yīng)投影技術(shù)的數(shù)字沙盤還應(yīng)用于廣西重大項目用地服務(wù)監(jiān)測“一張圖”系統(tǒng)專題內(nèi)容展示、中國共產(chǎn)黨成立100 周年系列地圖之第二次國內(nèi)革命戰(zhàn)爭時期廣西形勢圖展示等，均取得良好效果。

四、建議與思考

自適應(yīng)投影技術(shù)在自然資源管理工作中有著廣泛的應(yīng)用空間，如對歷史地質(zhì)災(zāi)害分布點進行動態(tài)回溯和分析，動態(tài)直觀展示潛在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)，為保障人民生命和財產(chǎn)安全提供輔助決策；也可以模擬生態(tài)系統(tǒng)重建的變化過程，直觀展示生態(tài)修復(fù)和生態(tài)多樣性提升的效果，為保護生態(tài)環(huán)境、提高土地生產(chǎn)力和資源利用效率提供有效思路；還可以利用動態(tài)投影技術(shù)分析環(huán)境、社會、經(jīng)濟以及資源之間的關(guān)系，最大限度融合不同部門之間的數(shù)據(jù)資源，促使資源配置更加有效，為實現(xiàn)更高效的自然資源管理和利用提供科學(xué)依據(jù)。

基于自適應(yīng)投影技術(shù)的數(shù)字沙盤具有較強的適應(yīng)性，研究人員后續(xù)還將挖掘沙盤傾斜角度與投影位置變化之間的數(shù)學(xué)規(guī)律，用更簡化的算法去自適應(yīng)匹配不同的場館投影。另外，繼續(xù)研究沙盤綜合展示的關(guān)鍵技術(shù)，深入優(yōu)化沙盤投影的展示效果，并考慮結(jié)合人工智能領(lǐng)域的視覺感知技術(shù)，如對觀眾的肢體行為進行自動的識別、判斷和跟蹤，實現(xiàn)人機交互與投影聯(lián)動的融合，提升沙盤展示的科技感、交互性和趣味性。