Дополненная реальность на службе спасателей: Визуализация катастроф в режиме реального времени

Автор: Денис Аветисян

Новая система, использующая дополненную реальность, позволяет оперативно оценивать обстановку и координировать действия при чрезвычайных ситуациях.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Разработанная система дополненной реальности представляет собой трехмерную визуализацию зоны бедствия, обеспечивая доступ к основным функциям интерфейса для повышения ситуационной осведомленности и эффективности реагирования.

В статье рассматривается интерфейс AR/VR, основанный на 3D Gaussian Splatting, для повышения ситуационной осведомленности и эффективности реагирования на стихийные бедствия, несмотря на ограничения производительности на мобильных устройствах.

Несмотря на значительный прогресс в технологиях визуализации, оперативное предоставление ситуационной осведомленности в условиях чрезвычайных ситуаций остается сложной задачей. В данной работе, ‘Interactive Augmented Reality-enabled Outdoor Scene Visualization For Enhanced Real-time Disaster Response’, представлена пользовательская AR-система, использующая 3D Gaussian Splatting для детальной реконструкции окружающей среды и повышения эффективности координации действий при ликвидации последствий катастроф. Предложенный интерфейс, сочетающий навигацию в миниатюрной модели мира с семантическими точками интереса, обеспечивает снижение когнитивной нагрузки и поддержку принятия быстрых решений в реальном времени. Какие перспективы открывает дальнейшее развитие подобных систем для повышения оперативности и эффективности служб экстренного реагирования?

Ясность в Хаосе: Понимание Ситуации в Чрезвычайных Ситуациях

Эффективное реагирование на чрезвычайные ситуации напрямую зависит от оперативного и точного понимания обстановки для спасателей, однако эта возможность часто ограничена неполными или устаревшими данными. Задержка в получении ключевой информации, будь то местоположение пострадавших, состояние инфраструктуры или динамика распространения угрозы, может критически замедлить спасательные операции и увеличить риск для тех, кто оказывает помощь. Отсутствие целостной картины происходящего создает значительные трудности в принятии обоснованных решений, заставляя специалистов действовать в условиях неопределенности и полагаться на фрагментированные сведения. Таким образом, повышение скорости и достоверности передачи информации является ключевым фактором для улучшения координации действий и повышения эффективности реагирования на любые стихийные бедствия и техногенные катастрофы.

В условиях стихийных бедствий, традиционные двухмерные карты и разрозненные потоки данных часто оказываются недостаточными для адекватного представления динамичной и сложной обстановки. Информация, поступающая отдельными фрагментами, затрудняет оперативное понимание масштаба разрушений и потребностей пострадавших, что значительно увеличивает риски для спасателей и замедляет процесс оказания помощи. Отсутствие целостной картины происходящего приводит к неэффективному распределению ресурсов, дублированию усилий и, как следствие, к увеличению числа жертв. В условиях постоянно меняющейся обстановки, когда каждая минута на счету, неспособность быстро и точно оценить ситуацию становится критическим фактором, препятствующим успешному проведению спасательных операций и снижению общего ущерба.

Крайне важна разработка иммерсивных и интуитивно понятных инструментов для служб экстренного реагирования, поскольку перегрузка когнитивных функций операторов значительно снижает эффективность работы в условиях катастроф. Традиционные методы визуализации данных, такие как плоские карты и текстовые сводки, часто оказываются недостаточными для быстрого восприятия сложной и динамичной обстановки. Новые технологии, такие как виртуальная и дополненная реальность, позволяют создавать трехмерные модели зоны бедствия, предоставляя спасателям возможность более полного и быстрого понимания ситуации, что в свою очередь способствует более оперативным и эффективным спасательным операциям, а также снижает риск для самих спасателей и пострадавших. Повышение ситуационной осведомленности посредством снижения когнитивной нагрузки является ключевым фактором успешного реагирования на чрезвычайные ситуации.

Цифровое Отражение Реальности: Создание Виртуальной Среды

Для быстрого создания высокоточной цифровой модели зоны бедствия используется метод 3D Gaussian Splatting. Данная технология позволяет генерировать реалистичное и интерактивное окружение путем представления сцены в виде совокупности 3D-гауссиан, что обеспечивает высокую скорость рендеринга и детализацию. В отличие от традиционных методов, Gaussian Splatting эффективно справляется с моделированием сложных геометрических форм и текстур, обеспечивая визуальную достоверность цифрового двойника и позволяя оперативно реагировать на изменения в реальном времени. Это критически важно для задач моделирования и анализа последствий чрезвычайных ситуаций.

Метод 3D Gaussian Splatting демонстрирует значительное преимущество в скорости рендеринга по сравнению с Neural Radiance Fields (NeRF). В частности, Gaussian Splatting обеспечивает более высокую частоту кадров при визуализации сложных сцен, что критически важно для приложений реального времени, таких как симуляции и интерактивные среды. В отличие от NeRF, требующего значительных вычислительных ресурсов для трассировки лучей, Gaussian Splatting представляет сцену в виде набора 3D-гауссиан, что позволяет эффективно выполнять рендеринг с использованием стандартного графического оборудования. Это обеспечивает возможность оперативного анализа и принятия решений в условиях моделирования чрезвычайных ситуаций.

В ходе оценки использовалась сцена, состоящая из 1 144 277 гауссовских сплэтов. Данное количество демонстрирует масштабируемость предложенного метода 3D Gaussian Splatting для создания цифровых двойников сложных окружений. Использование столь большого числа сплэтов позволило достичь высокой детализации и реалистичности воссоздаваемой среды, при этом сохраняя приемлемую производительность рендеринга. Этот показатель подтверждает возможность применения технологии для моделирования обширных и детализированных территорий, например, зон чрезвычайных ситуаций.

Цифровой двойник, создаваемый нами, представляет собой не только визуальную реконструкцию территории, но и динамический контейнер данных, интегрирующий в себя потоки информации от различных датчиков и прочих релевантных источников. Это позволяет в режиме реального времени отображать и анализировать данные о состоянии окружающей среды, движении транспортных средств, показаниях датчиков и других критически важных параметрах. Интеграция данных осуществляется посредством специализированных интерфейсов и протоколов, обеспечивающих надежную и своевременную передачу информации в цифровую модель. Такой подход позволяет использовать цифровой двойник для мониторинга ситуации, прогнозирования развития событий и принятия обоснованных решений в условиях чрезвычайных ситуаций.

Интуитивное Взаимодействие: Дизайн AR/VR Интерфейса

В нашей AR-интерфейсной разработке используется система семантических слоев, позволяющая оперативным службам выборочно отображать и скрывать классификации опасностей. Это достигается посредством возможности переключения отображения различных типов угроз — например, пожаров, утечек химических веществ или структурных повреждений — что позволяет сосредоточиться на критически важной информации в конкретный момент времени. Такой подход снижает когнитивную нагрузку и повышает эффективность принятия решений в условиях чрезвычайных ситуаций за счет фильтрации избыточных данных и акцентирования внимания на наиболее актуальных угрозах.

В интерфейсе используются методы манипуляции WIM (Widget Interaction Manipulation), позволяющие интуитивно масштабировать, вращать и перемещать карту зоны бедствия. Данные техники обеспечивают детальное изучение обстановки за счет возможности произвольного изменения угла обзора и уровня детализации отображаемой информации. Пользователь может легко приближать и удалять интересующие участки карты, поворачивать ее для получения оптимального представления, а также перемещать область отображения для фокусировки на конкретных объектах или территориях, что существенно упрощает анализ и принятие решений.

Функция видеопропуска (Video Passthrough) в разработанном интерфейсе обеспечивает интеграцию изображения реального мира в виртуальную среду, что существенно повышает безопасность пользователей за счет сохранения ориентации в пространстве и снижения риска столкновений с физическими объектами. Данная технология также способствует улучшению командной работы, позволяя операторам визуально координировать свои действия с коллегами и окружающей обстановкой. Визуальное наложение виртуальной информации на реальное окружение минимизирует эффект дезориентации, часто возникающий при использовании полностью иммерсивных VR-систем, и позволяет более эффективно выполнять задачи в условиях повышенной сложности.

Результаты пользовательского тестирования показали высокую степень удобства использования разработанного интерфейса: оценка взаимодействия с картой составила 4.42 балла, доступности меню — 4.36 балла, а поддержки координации действий — 4.55 балла. Данные показатели свидетельствуют об эффективности интерфейса в обеспечении интуитивного управления и эффективной совместной работы пользователей в условиях, требующих оперативного анализа информации и принятия решений.

Интерфейс разработан с учетом теории когнитивной нагрузки, что позволило создать неинтрузивный дизайн, минимизирующий умственные затраты оператора. Принципы теории когнитивной нагрузки были применены для оптимизации представления информации, снижения сложности задач и упрощения процессов принятия решений. Это включает в себя использование визуальных кодировок, соответствующих когнитивным способностям человека, минимизацию отвлекающих факторов и организацию информации в логически структурированные блоки, что способствует более эффективной обработке данных и снижению вероятности ошибок в критических ситуациях.

Конфигурация и Производительность: Баланс между Верностью и Отзывчивостью

Исследование охватило различные системные конфигурации, включая PC-AR, мобильные AR-решения и автономные VR-шлемы. Каждая из этих платформ характеризуется уникальным балансом между вычислительной мощностью и портативностью. PC-AR, благодаря использованию внешнего процессора, обеспечивает максимальную производительность, но требует подключения к компьютеру и ограничивает мобильность. Мобильные AR-системы, использующие возможности смартфонов или планшетов, предлагают повышенную мобильность, однако их вычислительные ресурсы ограничены. Автономные VR-шлемы, в свою очередь, сочетают в себе портативность и независимость от внешних устройств, но обладают наименьшей вычислительной мощностью по сравнению с другими конфигурациями. Выбор оптимальной конфигурации зависит от конкретных задач и доступных ресурсов, определяя компромисс между качеством изображения, частотой кадров и возможностью перемещения.

Частота кадров является ключевым показателем производительности, напрямую влияющим на восприятие реалистичности и плавности взаимодействия в системах дополненной и виртуальной реальности. Проведенные исследования были направлены на оптимизацию различных конфигураций оборудования для достижения стабильно высокой частоты кадров, обеспечивающей комфортный и захватывающий пользовательский опыт. Оптимизация включала в себя тонкую настройку алгоритмов рендеринга, эффективное использование ресурсов процессора и графического ускорителя, а также адаптацию графических настроек в зависимости от возможностей конкретной аппаратной платформы. Достижение стабильной частоты кадров в 72 кадра в секунду, как было продемонстрировано в конфигурации PC-AR, позволяет минимизировать задержки и визуальные артефакты, создавая ощущение полного погружения в виртуальную среду и повышая эффективность взаимодействия с дополненной реальностью.

Исследования показали существенные различия в производительности различных конфигураций систем. В частности, при использовании конфигурации PC-AR удалось добиться стабильной частоты кадров в 72 FPS, что обеспечивает плавное и реалистичное визуальное восприятие. В то же время, мобильные AR-системы и автономные VR-шлемы продемонстрировали значительно более низкие показатели — менее 10 FPS. Такая разница в производительности обусловлена ограничениями вычислительной мощности мобильных устройств и, как следствие, влияет на качество и отзывчивость пользовательского опыта. Данные результаты подчеркивают важность выбора оптимальной конфигурации системы, исходя из конкретных требований к производительности и доступным ресурсам.

Выбор оптимальной конфигурации системы, будь то PC-AR, мобильные AR или автономные VR-шлемы, напрямую зависит от конкретных условий эксплуатации и доступных ресурсов. Не существует универсального решения; при ограниченных вычислительных возможностях или необходимости в высокой мобильности приоритет отдается адаптации к существующим ограничениям, даже в ущерб максимальной визуальной детализации. Напротив, в стационарных условиях, где важна максимальная реалистичность и производительность, предпочтение отдается более мощным, но менее портативным системам. Такой подход к масштабируемости и адаптивности позволяет эффективно использовать доступные ресурсы и гарантирует, что система остается функциональной и отзывчивой в различных сценариях применения.

Будущее Реагирования на Чрезвычайные Ситуации: Интеллектуальная Помощь и Прозрачность

Интеграция объяснимого искусственного интеллекта (XAI) в интерфейс дополненной реальности (AR) предоставляет спасателям не просто результаты анализа, но и понимание логики, лежащей в основе автоматизированных прогнозов и рекомендаций. Система не ограничивается констатацией факта, например, “вероятность обрушения здания высока”, а демонстрирует, какие именно факторы — повреждения несущих конструкций, тип строительных материалов, данные сейсмической активности — привели к такому выводу. Это позволяет спасателям оценить достоверность прогноза, учесть контекст ситуации и принять обоснованное решение, избегая слепого следования автоматическим указаниям. Подобный подход формирует доверие к системе поддержки принятия решений и существенно повышает эффективность работы в критических ситуациях, где каждая секунда на счету.

Прозрачность работы систем искусственного интеллекта играет ключевую роль в повышении доверия к ним, особенно в критических ситуациях, связанных с ликвидацией последствий катастроф. Когда спасатели понимают, как система пришла к определенному выводу или прогнозу, а не просто получают готовое решение, это позволяет им более уверенно оценивать информацию и принимать обоснованные решения. Понимание логики работы алгоритмов способствует критическому осмыслению данных, что особенно важно в условиях неопределенности и быстро меняющейся обстановки. В результате, повышается не только эффективность действий, но и снижается риск принятия ошибочных решений, основанных на слепом доверии к автоматизированным системам. Такой подход позволяет использовать возможности искусственного интеллекта в качестве надежного инструмента поддержки, а не как замену человеческому суждению.

Сочетание иммерсивной визуализации и интеллектуальной помощи открывает новые возможности для повышения эффективности работы спасателей в чрезвычайных ситуациях. Развитие технологий позволяет создавать системы, которые не просто предоставляют информацию, но и интегрируют ее в трехмерное пространство, позволяя оперативно оценивать обстановку и прогнозировать развитие событий. Такой подход способствует более быстрому и точному принятию решений, особенно в условиях ограниченной видимости или нехватки времени. Благодаря возможности визуализации данных в реальном времени и получению экспертных рекомендаций, спасатели получают инструменты для уверенного преодоления сложностей, возникающих при ликвидации последствий стихийных бедствий и спасении людей. Данные технологии позволяют значительно повысить уровень безопасности и результативности работы спасательных служб, минимизируя риски и оптимизируя использование ресурсов.

Представленная работа демонстрирует стремление к созданию максимально понятной картины происходящего в условиях чрезвычайных ситуаций. Акцент на визуализации в реальном времени и повышении ситуационной осведомленности — это не просто техническая задача, но и проявление уважения к тем, кто принимает решения в критических условиях. Как однажды заметил Джон фон Нейман: «В науке не бывает абсолютной истины, только степени подтверждения». Это применимо и к представленной системе — её ценность определяется не идеальной точностью, а способностью предоставить оперативную и достаточно полную информацию, позволяющую эффективно реагировать на меняющиеся обстоятельства. Упрощение сложной информации — ключевой аспект, позволяющий оперативно формировать общее оперативное представление о ситуации.

Что Дальше?

Представленные методы визуализации, несомненно, демонстрируют потенциал. Однако, иллюзии всегда стареют быстрее, чем принципы. Проблема не в красоте реконструкции, а в её надежности и масштабируемости. Зависимость от вычислительных ресурсов мобильных устройств — слабое место. Каждая сложность требует алиби, и здесь оно недостаточно убедительно.

Будущие исследования должны сосредоточиться не на увеличении детализации, а на оптимизации алгоритмов. Необходимо искать компромиссы между визуальной точностью и производительностью, возможно, за счет адаптивных уровней детализации или облачных вычислений. Важнее — разработка метрик, оценивающих не только технические характеристики, но и реальное влияние на принятие решений в условиях кризиса.

Стремление к «общей оперативной картине» должно быть подчинено простоте. Сложность — это тщеславие. Ясность — милосердие. Истинный прогресс заключается не в добавлении новых слоев информации, а в умении выделить главное.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.21874.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-26 22:18