融合增强现实技术的定向运动地图表达_冀海鑫.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.48 No.2Apr.2023测绘地理信息Journal of Geomatics融合增强现实技术的定向运动地图表达冀海鑫1 李爱光2 赵翼鹏1 刘俊求11 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州，5114002 中山大学测绘科学与技术学院，广东 珠海，519000Orienteering Map Representation Integrated with Augmented RealityJIHaixin1 LIAiguang2 ZhaoYipeng1 LIUJunqiu11 School of Geography and Planning，Sun YatSen University，Guangzhou 511400，China2 School of Geospatial Engineering and Science，Sun YatSen University，Zhuhai 519000，China摘要：定向地图作为定向运动比赛过程中必备工具之一，其内容确定与表达直接影响比赛成绩及比赛公平性。为此提出一种新的定向越野可视化表达手段，即融合增强现实（augmented reality，AR）技术。首先，通过分析定向越野情境构成，近一步讨论了 AR 定向地图表达内容及表现形式，并将表达内容确定为警示信息、选手信息、赛道信息及定向地图 4类；接着探讨了 AR定向地图技术实现的可行性；最后就所设计符号展开问卷调查。结果表明，AR 下的定向地图符号设计效果整体符合选手认知习惯，能够提高选手空间认知能力。关键词：定向运动；定向地图；增强现实；地图符号；AR 定向地图中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：As one of the necessary tools in the process of orienteering competition，the content and expression of the orienteering map directly affect the results and the fairness of the competition.This paper proposes augmented reality（AR）technology as a new visualization approach for the visualization of orienteering.First，the AR orienteering map expression content and expression form are discussed through the analysis of the orienteering context composition，and the expression content is determined as warning information，player information，track information and orienteering map four categories.Then the feasibility of AR orienteering map technology implementation is discussed.Finally，a questionnaire survey is conducted on the designed symbols.The results show that the overall effect of the orienteering map symbol design under AR is in line with the cognitive habits of the runners and can improve their spatial cognitive ability.Key words：orienteering；orienteering map；augmented reality；map symbols；augmented reality orienteering map定向运动是一项要求参赛者在指北针和定向地图的帮助下，按地图上标注的检查点序号，在尽可能短的时间内到达各个检查点，跑完全程的运动1。其中定向越野是定向运动最主要的运动类型，最能体现定向运动的特点。比赛过程中考验参赛者识图用图、野外路线选择以及奔跑的能力。在定向越野竞赛过程中，地图是参赛运动员的主要依据2。地图信息的复杂程度将直接限制运动员跑动速度，运动员对地图信息的处理效率直接影响运动员竞赛成绩。叶钰侨等3研究表明在比赛过程中提供有效的点位线索提示可以缓解任务难度。李娜4得出在定向越野识图训练中进一步结合现代研究方法、立足定向越野特点，融合心理与智能，对提升定向运动员空间认知、空间思维具有举足轻重的作用。因此，通过将现代信息技术引入定向越野比赛中，不仅能够提高参赛者认知能力，而且使用可穿戴设备等带有定 位 的 移 动 设 备 能 够 提 高 定 向 越 野 赛 事 组 织效率5。增强现实（augmented reality，AR）将虚拟信息叠加到真实场景中，实现人与物理环境交互，从而提高人的认知能力6。Thomas等7通过增强现实技术在物理环境中叠加导航符号，为用户提供了户外视觉导航辅助。Gallego等8通过使用增强现实应用程DOI：10.14188/j.2095-6045.2022965文章编号：2095-6045（2023）02-0066-04引用格式：冀海鑫，李爱光，赵翼鹏，等.融合增强现实技术的定向运动地图表达 J.测绘地理信息，2023，48（2）：66-69（JI Haixin，LI Aiguang，Zhao Yipeng，et al.Orienteering Map Representation Integrated with Augmented Reality J.Journal of Geomatics，2023，48（2）：66-69）基金项目：物 联 网 平 台 及 运 营 相 关 技 术 研 究（HT-99982020-0651）；中 铁 隧 道 局 集 团 科 技 创 新 计 划 重 点 课 题（隧 研 合2021-22）。第 48 卷第 2 期冀海鑫等：融合增强现实技术的定向运动地图表达序识别几何图纸同时增强地理定位，为学生提供了丰富的定向学习资源。庞静等9将增强现实技术应用于定向运动中，其实用性和便利性在学生教育实验中表现出积极效果。增强现实中的“增强”，就是强化人对现实的认知。目前，基于增强现实的研究已逐渐从实验室走向室外环境10。在此基础上，本文结合增强现实技术的优势服务于定向越野情境下的可视化表达，确定了 AR 定向地图信息的表达内容，研究了符号的表现形式，探讨了技术实现的可行性，并对所设计的符号开展效果评价。1 定向越野情境构成人类的认知有赖于与情境的作用关系11。借鉴文献 12 中对情境构成的分析，把定向越野的参赛者、位置、环境的整体集合，作为定向越野情境构成，如表 1所示。1）参赛者。参赛者作为认知的主体，主要涉及属性、行为、状态 3类信息。参赛者属性主要包括参赛者性别、年龄、身体素质等，影响定向越野比赛开展形式；参赛者行为是指在规定时间内按顺序到指定检查点位打卡，主要影响图上何处放置检查点位；参赛者状态主要包括跑步、步行和静止，为了提高比赛成绩，参赛者大部分时间处于跑步状态，短时间内静止或步行时来定位自身位置。2）位置。定向越野下的位置主要包括真实地理位置和相对位置。其中真实地理位置是指参赛者在世界地理坐标下的绝对位置，参赛者通过自身真实地理位置与图上位置比对，完成“我在哪”的定位；相对位置用在检查点寻找过程中，依据周围地物信息检索检查点具体位置。3）环境。环境要素包括空间、时间和设备 3类。其中，空间指的是开展定向越野比赛的真实户外场景，受自然气候因素影响较大，带有一定的困难和危险属性。时间记录了地物的状态及可通行性，如植被随季节变化其可通行性对参赛者影响较大。设备指顺利完成定向越野的比赛装备。2 AR定向越野可视化表达2.1AR定向地图表达内容本文将增强处理后的定向地图称为 AR 定向地图。在定向越野中，AR定向地图表达内容主要包括实景要素和增强要素两部分。除增强表达道路、水体等地物要素外，区别于一般的户外增强现实地图，AR定向地图更加注重表达植被类型影响的可跑性、检查点方位等对确定点位、提高成绩有很大帮助的信息，从而有助于参赛者顺利完成比赛13。综合考虑参赛者认知需求提升、人身安全保障以及定向越野情境构成多个方面，将 AR 定向地图增强信息构成确定为警示信息、选手信息、赛道信息和定向地图4部分，如图 1所示。警示信息的叠加，警醒选手在比赛过程中突发的异常温度和天气（冰雹、大风、浓雾等）等需要立即停止比赛的状况。选手信息的叠加是考虑到参赛者因不熟悉地形发生迷路或由于路径选择失误导致体能分配不合理等情况的发生。赛道信息的叠加主要参照定向越野国际制图规范（international specification for orienteering maps，ISOM），对影响参赛者可跑性及可通行性的地理要素进行增强处理。除上述警示信息、选手信息及赛道信息外，为了增强选手对赛场周围环境的认识，将定向地图以小地图的形式叠加，以参赛者为中心，实时显示周围环境信息。2.2AR定向地图表现形式地图学的符号化是地图最基本的需求。AR 定向地图符号设计主要以信息直观、简洁明潦、面向大众为原则。为满足参赛者认知需求，本文在皮尔士符号类型14（指示符号、象征符号和规约符号）的基础上，增加了注记符号、AR 定向地图增强信息多媒体表现形式，并设计了如图 2所示的符号集。表 1定向越野情境构成Tab.1Context Composition of Orienteering情境参赛者位置环境情境信息属性行为状态真实地理位置相对位置空间时间设备具体描述性别、年龄、身体素质等检查点打卡跑步、步行、静止绝对位置检查点周围地物信息真实户外场景季节、昼夜定向地图、指北针、点标旗等图 1AR定向地图增强信息构成Fig.1Augment Information Composition of Orienteering67测绘地理信息2023 年 4 月1）警示信息。警示信息中，天气相关符号参照规约符号，以面向大众为原则进行设计，包括温度、湿度、天气、风力等，如图 2（a）所示。风险告知可通过音频或文本注记推送，以快速指导行为决策。2）选手信息。主要包括参赛者体能监测信息、位置信息等，其符号集参照象征符号设计，以迅速传递某种固定含义，如图 2（b）所示。体能检测信息帮助正确认知当下身体状况，从而合理分配体能。位置信息能为参赛者提供实时位置动态显示，既有助于参赛者明确行进方向，在紧急情况下也有助于救援及时展开。3）赛道信息。主要包括路标和指引、检查点位置、植被类型等，其符号参照指示符号设计，能将参赛者注意力导向特定对象，如图 2（c）所示。路标和指引可提供行进方向参考。检查点的叠加则能帮助参赛者明确检查点位置，同时在点标旗被人为破坏的情况下，确保参赛者顺利找到点标。通过对检查点符号、危险警示符号设置 3维旋转效果，可使参赛者快速识别检查点位置、感知赛道潜在危险。植被类型对赛道通行情况和通视状况影响较大，正确识别植被类型对参赛者提升比赛效率有很大帮助，可通过文字注记直观地叠加在 AR 地图中的植被上方，便于参赛者识别，明晰可通行程度。遮挡问题、信息叠加优先级、服务调用频率是AR 定向地图可视化中的 3个常见问题，为处理 3者可能引发的异常，本文采用了以下 3 条显示控制策略：为了区分真实场景与虚拟信息，为增强信息符号设置背景色（灰色）以增强对比度，同时设置透明度，以更好地观察实地；当屏幕中叠加的虚信息出现重叠时，显示优先级为警示信息