增强现实技术在消防监控与参谋系统中的应用研究.pdf

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1、增强现实技术在消防监控与参谋系统中的应用研究增强现实技术在消防监控与参谋系统中的应用研究 The Application Analysis of Augmented Reality in the Fire Alarm Monitoring and Controlling Systems 张绮 孙鑫 费敏锐(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)摘 要 针对一个消防系统提出了将增强现实技术应用于其中的新思路和新方法，使得消防人员对整个建筑的结构以及着火点一目了然，从而为消防人员的快速和准确决策提供重要的帮助。关键词 增强现实 虚拟现实 三维注册 图像合成 Abstract This

2、paper gives us a new augmented reality application.It can help firemen have more clear view about the whole structure of the building,then can help firemen make decision more quickly and accurately.Keywords Augmented reality;Virtual reality;3D registration;Graphic synthesis 0 引言 增强现实（augmented reali

3、ty，AR）技术是虚拟现实技术的一个重要分支和发展，也是近年来的一个研究热点，在医学、机械、设计、娱乐、军事等领域都有着良好的应用前景。增强现实主要是借助显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。构造一个成功的增强现实系统，其关键是进行精确的三维跟踪注册(即虚拟物体与真实物体的对准)，将周围世界真实场景与计算机生成的虚拟增强信息相融合1-3。增强现实技术起始于上世纪 60 年代，Sutherland 发明了头盔显示

4、器显示 3D 图形4。虽然目前 AR 的研究都集中在视觉上，但是 AR 并不仅限于此，还包括听觉、触觉和味觉的所有感官。直到近些年，AR 才成为一个独立的研究领域。随着经济和技术的迅速发展，高层建筑如雨后春笋般伫立起来。高层建筑物中的复杂结构（如内部的楼梯、电梯和直通上下楼层的各类管线竖井等）为消防埋下了隐患。与此同时，建筑物内通风设备、空调设备所产生的强大气流又会在高层建筑发生火灾时起到推波助澜的作用。另外，楼内大功率空调设备及纵横交叉的照明、动力、通信、监控、报警、联动线路等，不仅增加了发生火灾的几率，而且大大增加了疏散、灭火的难度。因此高层建筑一旦失火，如果没有现代化的自动消防报警设备提

5、早发现火情和及时组织扑救，火灾蔓延的速度和生命财产的损失都是难于估量的。目前，根据国家标准火灾自动报警系统设计规范（GB50116-1998）规定，火灾监控系统一般由火灾探测器、输入输出模块、各类火灾报警控制器和消防联动控制设备等共同构成，其基本构成原理如图 1 所示。消防系统的监控界面主要采用的是二维图形界面，但是这种结构形式存在不足。当建筑物发生火灾时，消防人员不能很快地判断出火灾在建筑物结构内的具体空间位置，从而难以作出最佳的救火方案并可能贻误最佳的救火时机，消防监控与参谋系统正是为了解决这一问题而产生的。图 1 火灾消防系统基本构成原理 本文提出的消防监控与参谋系统将充分利用先进的增强

6、现实技术，虚实结合，设计开发三维消防监控界面。并通过对现场摄像机 CCD 采集到的实时数据进行科学的综合分析，从而实现火灾分布显示和建筑物结构显示，为消防人员的快速和准确决策提供重要的帮助。1 系统设计与实现 消防监控与参谋系统的设计思想并不是要摒弃已有的现代消防系统，而是在现代消防系统的基础之上，继承现代消防的优点，摒弃现代消防系统的缺陷，进而开发出更适合消防要求的新系统。1.1 系统结构 办公室 PC 总指挥室 其他监控 PC 图 2 消防监控与参谋系统结构图 如图 2 所示，该系统结构分为 3 层：首先处于火灾现场的消防炮装有位置传感器，它将得到的消防炮位置信息和红外线 CCD 采集到的

7、现场火情图像数据传到现场的工业 PC 中；然现场传感器 红外 CCD 消防炮 工业以太网 工业以太网 总控 PC 工业 PC 现场传感器 红外 CCD 工作站 485 总线 控制 总线 模拟显示屏 火灾报警 监视器 屏幕、键盘 打印机 数 据 控 制 总 线 数字量输入 数字量输出 模拟量输入(类比输入)模拟量输出(类比输出)脉冲数字输入 后现场各工业 PC 通过其自带的数据图像处理卡，处理后的各种数据信息通过工业以太网送入总控 PC；最后总控 PC 把来自现场的各个工业 PC 的信息进行融合，从而指挥控制各个工业 PC 的正确运作，达到自动跟踪定位消防灭火的作用。1.2 具体实现 由于火灾场

8、景有浓烟弥漫的特殊性，普通摄像头有时难以胜任，因此我们采用红外线CCD 和普通摄像头相结合的方式来拍摄现场的火苗图。现场的工业 PC 可以作为控制器，调整并输出消防炮的控制信号，从而控制消防炮的运动。通过闭环控制，达到精确定位的效果。在总控 PC 中，我们将事先已经建模生成的火灾现场虚拟图和红外 CCD 拍摄到的真实火苗视频信号根据火灾位置进行叠加，虚实结合再现火灾现场场景，从而为消防人员快速而准确决策提供重要的帮助。2 实现增强现实应用的难点及关键技术 该系统采用虚拟现实模型语言（VRML）5-7对描述场景对象的方法及其支持的脚本语言进行研究，提出适用增强现实三维场景构建方法。在该系统中采用

9、的关键技术有网络场景构建和驱动、动态渲染、对象信息添加和三维注册。其中网络场景构建和驱动、动态渲染、对象信息添加这 3 项和构建虚拟现实系统一样，作用是使虚拟的场景更符合现实以及人们的习惯，而三维注册部分则是增强现实的关键技术，它将决定增强现实中虚和实怎样结合和在什么位置结合的问题。三维注册技术合适与否对增强现实系统的整体效果有很大影响。它们之间的作用和关联如图 3 所示。图 3 增强现实各关键技术之间作用和关联 2.1 动态渲染 在现有的软硬件条件下实现较大规模场景流畅的漫游、交互，由于现有的内存容量和运行速度的限制，一旦场景的规模过大，场景中实时显示的几何模型就会增加，从而显得数据的容量过

10、大，交互的自然性就显得较差，会产生漫游不连贯、停滞等现象。因此，在交互时实行动态渲染就显得非常重要，这样即使在场景扩大的情况下，也能同时动态连续地显示各场景的信息。因为消防监控与参谋系统规模较大，需要同时显示多个复杂模型，因此实时进行渲染就可以很大程度减少系统的不连贯现象。2.2 网络场景构建和驱动 按照现实世界中的习惯，运用层次结构来构建网络三维虚拟场景89，并同时把各站点分开来构建模型。要使场景中各种对象生成非常丰富生动的空间造型，网络场景中需加入多个脚本，并添加如接近监测器、碰撞监测器等多种检测器来使场景动态效果更加逼真、生动网络场景构建和驱动 动态渲染 对象信息 真实物体 虚拟场景构建

11、 三维注册 增强现实系统 10-12。2.3 对象信息 为了完善网上人机交互界面的功能，同时提高操作的效率，拟对三维场景进行热区编辑，给部分模型对象增加三维文字动态说明。例如在火灾现场三维场景中的各个建筑物模型上添加该物体的基本信息，当鼠标停留在该物体上一定时间后即显示该信息，从而帮助人们了结火灾现场基本信息。这样可增加人机交互的自然性，使网上初次接触虚拟界面的用户能很快感受到现场的大致信息。2.4 三维注册 增强现实要把虚拟场景和真实物体结合起来，在构建消防监控与参谋系统时，尤其在设计火焰图像时更应如此。因此怎样放物体，将物体放在哪儿都需要进行校准。增强现实系统的三维环境注册包含摄像机 CC

12、D 的空间定位跟踪以及虚拟物体在真实空间中的定位两个方面的内容。要采用虚拟物体投影注册算法进行虚实校准，将真实物体与虚拟场景紧密结合起来准确定位使人机交互更自然。3 结束语 采用增强现实技术的消防监控与参谋系统监控程序给消防人员提供了一个非常友好的监控界面，使消防人员更加清楚所监控建筑物的内部结构和传感器的实际状况。一旦发生火情，消防人员可以通过远程计算机了解发生火灾的建筑物结构，帮助消防人员制定救火方案，为救火赢得宝贵的时间。而且借助于电脑的三维虚拟技术，消防人员可以进行虚拟训练，让消防人员对所辖区域范围内的建筑物结构有更深入的了解。所以该系统的实现与应用，不但可使消防系统具有了传统的报警功

13、能，而且具有火灾分布显示、建筑物结构显示、救火方案辅助决策，甚至是火灾预测、虚拟训练等功能，从而可望大大改善消防系统的性能。参考文献 1 齐越,马红妹,增强现实：特点、关键技术和应用.小型微型计算机系统,2004.5(5)2 陈靖,王涌天,闫达远.增强现实系统及其应用.计算机工程与应用,2001.1.3 柳祖国,李世其,李作清.增强现实技术的研究进展及应用.系统仿真学报.2003.2(2)4 明德烈,柳健,田金文.增强现实技术及其应用.无线电工程.2001.(11)5 WOLFGANG BROLL and TANJA KOOP.VRML:TODAY AND TOMORROW.1996,Comp

14、ut&Graphics,Vol.20,No.3 6 DAVID FAIRBAIRN and SCOTT PARSLEY.The use of vrml for Cartographic Presentation.1997,Computers&Geosciences Vol.23,No.4 7 Szilard Kiss，Web Based VRML Modeling，Institute of Electrical and Electronics Engineers，2001.8 陈维义，王树宗，冯传收.基于 WTK 的装备维修训练虚拟现实系统建模与仿真算法.海军工程大学学报.第 14 卷 第 5 期 2002年 10 月.9 张宁，袁宏春.用 VRML 语言构造动态虚拟现实模型.微型机及应用.2000 年第 1 期.10 Hui lin,Jianhua Gong,Freeman Wang.Web-based three-dimensional geo-referenced visualization.Computers&Geosciences 25(1999)1177-1185.11 姜岩.网上虚拟现实交互技术的实现.沈阳工业大学学报,2002.8(4)12 肖攸安.三维虚拟现实设计语言 VRML.交通与计算机,1998.2(1)