王 珂

（中国石化集团管道储运有限公司 信息化管理处，江苏 徐州 221008）

增强现实技术的发展状况及其在地下传输管网上的应用

王 珂

（中国石化集团管道储运有限公司 信息化管理处，江苏 徐州 221008）

增强现实技术（AR技术）是一项拥有数十年发展历史的技术，拥有巨大的潜能，目前增强现实技术已经延伸到日常生活的各个领域，在文化、商贸、娱乐等领域出现了多项成熟的应用成果。本文将AR技术与GIS技术相结合，针对地下传输管网提出一种基于增强现实的地下管网增强真实感方法，提升了传输管网三维模型的可辨识性。

增强现实技术；GIS技术；三维模型；地下传输管网

0　引 言

增强现实技术（AR），也被称为混合现实技术。它通过计算机程序，将虚拟信息扩展到真实的世界中，真实的环境和虚拟的信息实时地叠加，在同一个画面或空间同时存在。增强现实技术可以提供超过人类感知的信息，在展现了真实世界信息的同时还可以将虚拟的信息同步显示，两种信息相互补充、相互叠加，用户穿戴可视化装备，就可以看到真实世界与电脑图像结合在一起，在熟悉的世界中“看到”更多的信息和提示。借助计算机图形技术和可视化技术，增强现实技术还可以产生现实环境中不存在的虚拟物体，并通过传感技术将虚拟物体“投射”在真实环境中，将虚拟物体与真实环境融为一体，让用户能看到甚至接触到新的环境事物。因此可以看出，目前增强现实技术已经具有虚实结合、三维显示、实时互动的新特点。

1　AR技术的发展和应用

增强现实技术源于20世纪60年代、90年代迅速发展，有名的研究机构主要集中在美国、日本、德国和新加坡等发达国家的著名大学和实验室，其研究侧重多在人机交互和软硬件平台的研发等。随着技术的发展，研究逐步从理论转入应用阶段，相关应用早期可以追溯到1960年战斗机飞行员不用低头可以在玻璃上看到数据，戴上特殊头盔后飞行员还可以看到叠加在视野上的飞行路径和文字提示，从而大大降低了飞行难度。随着微软、谷歌、Facebook、SONY等科技巨头纷纷进入AR产业，很多公司已经能够提供成熟PC端或移动端的增强现实解决方案，不仅加快了增强现实技术及应用程序的研究进程，也拓展了增强现实技术的使用领域。

1.1AR技术在日常领域的应用

增强现实技术已经延伸到日常生活的各个领域，因为它可以让用户在看到虚拟物体的同时，仍能看到真实的场景，在医疗、商贸、教育、娱乐与文化等领域具有广泛的应用前景，受到研究者越来越多的关注。

在医疗领域，影像技术在现在医疗领域已经被普遍采用，增强现实技术也随之成为辅助治疗的重要影像技术之一，它利用传感器或者CT影像对病人的手术部位收集实时数据，建立相应三维模型，整合后投射到患者的医疗影像中，使医生具有“透视功能”，从而可以更加清晰直观地了解患者病灶的状况，精确导航需手术的位置。它建立患者体内病灶部位的全息数据模型，让医生不受光线和器官阻碍，直观地看到病人体内情况，从而引导医生针对实际情况制订出最合适的手术方案。图1为德国医生通过带有医疗平板电脑的摄像头，将病人骨骼和内脏的三位模型叠加在病人身体上。

图1　增强现实技术在手术中的应用

在产品零售业，增强现实衍生出了一种“虚拟试穿”技术。在“虚拟试穿”中，顾客只要选好衣服的样式，无需烦琐的穿脱步骤，只要对着穿衣镜，一件与顾客所选衣服同样款式的三维模型就被“穿”到了顾客的身上。同时这件被虚拟出来的衣物并不是老式二维平面图像，而是可以从各种角度观察的，“虚拟试穿”技术的应用不但省去了顾客频繁换衣的烦恼，也降低了商家成本损耗。

2016年，一家连续亏损的日本娱乐公司任天堂推出了一款增强现实手机游戏“Pokemon GO”，上市不过两个星期就引发了一种全球现象：去抓精灵。这款游戏的成功就在于把虚拟角色与人们生活的现实环境成功地融合在了一起。为了抓到心仪的精灵，有人一直在街上徘徊到凌晨四点被警察送回家才罢休，甚至有新闻称有人因玩“Pokemon GO”不注意而坠桥身亡，美国华盛顿州政府不得不在twitter上发布了声明，希望人们在玩“Pokemon GO”要注意安全，特别是开车的时候千万不要玩。

增强现实技术的另一项成功应用就是车载导航系统，这项系统有很多种开发界面，2014年马自达率先使用这种内置界面，一些高级轿车也有这个功能。它能够将手机上的信息投射到玻璃屏幕上，能够通过通信接口获取汽车数据，并且能够通过语音、手势控制。一旦和手机连线，它就能够运行手机上的App，如Spotify、Google地图等。跟一般的车载电脑显示系统不同，用户不需要低头查看信息或者地图，只要视线正常注意前方就能够看到所有信息。

1.2AR技术在专业领域的应用

从20世纪90年代开始，增强现实技术（AR）因其直观的信息表现方式和近乎无限的可扩展性引起了地学领域研究学者的普遍关注。其中一个主要的研究方向是利用增强现实技术使地理、环境数据达到交互操作、动态显示和增强真实感。增强现实技术（AR）在可视化方面的先进之处还体现在对三维大数据的处理，增强现实技术与现在流行的虚拟现实技术（VR）有所不同，后者主要是在软件生成的虚拟环境中建立三维数据模型，而前者需要采集足够的真实环境数据，把软件生成的模型“添加”到真实环境中，对设备和技术的要求更加严格。随着人们对平面地图和沙盘类模型功能的不满足，对数据和模型用全息三维显示的需求越来越迫切，急需开发出新的GIS信息显示方式。GIS是地理信息系统（Geographic Information System）的简称，它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

AR技术与GIS系统结合是近几年才开始的，简称ARGIS，ARGIS的特点就在于将传统的静态的人机交互转变为户外的动态的交互，用AR建立的虚拟世界与客观真实世界合二为一。国内已经有一些学者做了大量的工作，孙敏提出了ARGIS的概念：ARGIS是对客观地理世界进行数字化描述、存贮、管理，将这种描述与真实世界融为一体，给出指定对象的空间信息、提供户外信息交互的一类地理信息系统的统称。杜清运提出ARGIS的意义在于将移动计算与增强现实技术运用到传统的空间信息中，改变了传统的基于位置的处理机制，使人和真实世界与数字世界通过网络传输无缝地结合起来，实现超越时间和空间局限性的互动，从而改变数字世界与真实世界的交互模式。

对ARGIS的研究主要是利用AR技术的虚拟模型与真实环境无缝融合，在GIS中生成全新的增强三维GIS可视化系统，其技术实现的重点是在真实环境中的三维建模问题，即三维虚拟模型与真实对象（例如影像、视频）的融合显示，AR技术的成熟不但改变了GIS可视化方式，还改变了GIS的使用环境，使GIS得以从室内的伺服器、工作站加显示装置的工作方式转移到了户外移动式可视化终端。GIS的研究者开始重视计算机图形学的理论并引入相应的技术来实现GIS的可视化。目前国内的2DGIS可视化技术应用比较成功，而于3DGIS可视化的研究，主要集中在地形表面的重构、房屋建筑几何模型建立等方面。

2　利用增强现实技术构建地下管网模型

地下传输管道是石油、天然气等能源传输组成部分，也是建立三维数字管道的一个重要内容。地下传输管道是由纵横交错站内工艺管网、站外输送管线机通信线路组成的错综复杂的空间体系，所以传统的基于2维或2.5维的GIS难以直观地表现各个管线的相互关系。建立三维管网可视化模型，其复杂的建模需求不但花费巨大，而且数据更新缓慢，传统的平面视图系统难以胜任。实际上，大家在施工中关注的往往是管线的走向、管线与管线之间的交汇及管道本身的属性，为了减轻建模难度，只将关注度较高可视化模型投放到所在的现实环境中，就可以省去相对较为复杂的环境建模，节省大量人力、物力、财力。

AR可视化系统：GIS数据库中的地理数据变化模型决定数据变化的状态和趋势，而配准模型根据数据变化将观察点处实地摄制的图像、视频与地理坐标进行计算对应，最后利用AR可视化技术的系统和设备，将地理数据的变化状态和趋势在视频影像中正确的位置表达出来。

户外增强现实的实现一般分为两类：一是基于计算机运算实现，二是利用传感器生成实现。基于计算机方法可以减轻户外用户负重，但受周边环境限制比较大，负责计算的设备不便携带且复杂的计算需要耗费大量的时间，但是可以利用现有计算机设备，不需要增加太多的预算。基于传感器的增强现实技术，使用了位置传感器和测角传感器。当用户在户外移动时，使用GPS接收装置接收三维坐标，用户视线所及的方位参数由传感器获得并实时传入系统中，并以此为参数建立管网的基础三维虚拟模型，然后系统将三维虚拟模型的图像叠加到摄像机传来的真实环境视频图像上增强可视化，最后送到显示器或便携可视化装置上。

为了增强可识别性，可以在系统中定义不同颜色来区分输油输气、通信光缆等不同用途的地下传输管线，然而在地形复杂或管线的交汇点仅仅通过管线走向和颜色不足以辨别管线位置和深浅，可以采取调高埋深较深的管线的透明度来增强视觉效果。如果想查看剖面图上管线分布，可以在模型上绘制水平红色标尺线，这样可以直观地对比穿过剖切面的地下管线，同时还可以增加管线的虚拟阴影和周边环境的3D纹理，以上措施增强了三维地下管网的深度感知和可视化效果。更接近真实视觉效果的是坑道式剖面图，由于阴影投射到剖切面底部的时候因角度问题不容易看到，可以采取随着深度降低光照度的方法建立环境光遮挡的模型。

使用增强现实技术的三维可视化地下管网，给用户安装了“火眼金睛”，可以更方便、直观地分辨地下纵横交错的传输管网相互位置和走向，查询某根管线情况时因为可视效果的提升也更容易选取和分析。增强现实可视化技术是一种对现实世界的智能扩充，增强了用户对真实环境和三维系统的互动和感知。该技术目前已经广泛地应用在城市环境可视化、城市安全规划、旅游、计算机建模、国防军事及娱乐等众多领域，具有深厚的发展潜力。

主要参考文献

［1］孙敏，陈秀万，张飞舟.增强现实地理信息系统［J］.北京大学学报：自然科学版，2004（6）.

［2］杜清运，刘涛.户外增强现实地理信息系统原型设计与实现［J］.武汉大学学报：信息科学版，2007（11）.

［3］王涌天，郑伟，刘越，等.基于增强现实技术的圆明园现场数字重建［J］.科技导报，2006（3）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.20.041

TP391.9

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1673-0194（2016）20-0062-02

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