数字大屏在指挥所中的构造与应用.pdf
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1、收稿日期:2022-05-05修回日期:2022-06-18作者简介:张楠楠(1990),男,安徽阜阳人,博士,助理研究员。研究方向:指挥信息系统,数据可视化。摘要:分析了数字大屏的概念特点、方式与应用概况,并将其与传统投影拼接方式进行了比较。在此基础上,综合考虑军事指挥所特点,从实用角度出发,对数字大屏在指挥所内的构建和应用,包括软件工具支撑与集成,以及适用场景场合等作出分析探讨,提出了从“展板”到“黑板”的运用模式,数据关联的组件为入手点的软件改造思路,给出了与现有体系分工、集成设计和加强业务贯通等建议,为数字大屏在指挥所内的实践与发展提供参考。关键词:数字大屏;指挥控制系统;指挥所;显示
2、控制;数据可视化中图分类号:E919;TN27文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1002-0640.2023.06.027引用格式:张楠楠,李永红,刘巍.数字大屏在指挥所中的构造与应用 J.火力与指挥控制,2023,48(6):169-176.数字大屏在指挥所中的构造与应用张楠楠,李永红,刘巍(军事科学院,北京100091)Primary Exploration on the Construction and Application of LargeDigital Screens in Command PostsZHANG Nannan,LI Yonghong,LIU Wei
3、(Academy of Military Sciences,Beijing 100091,China)Abstract:The conceptual characteristics,modes and applications of large digital screens areanalyzed,and their usage is compared with the traditional projection and splicing method,theadvantages and disadvantages are distinguished.On such basis,the c
4、haracteristics of command posts arecomprehensively considered,from the start of the practical aspect,the construction and application oflarge digital screens in command posts including software tool support and integration and applicablescenarios and occasions are analyzed and explored,and the appli
5、cation mode of“from display board toblackboard”and the transformation idea of regarding the components of data association as the startingpoint are proposed.Such further suggestions as division with the existing system,integration design,strengthening business continuity,etc.are provided.The referen
6、ce is provided for the implementation andpractice and development of large digital screens in command posts.Key words:large digital screen;command and control system;command post;display control;datavisualizationCitation format:ZHANG N N,LI Y H,LIU W.Primary exploration on the construction andapplic
7、ation of large digital screens in command postsJ.Fire Control&Command Control,2023,48(6):169-176.0引言大屏因其幅面宽广、可展现空间大等显著特点,已在包括军事指挥所在内的不少场合得到广泛应用。数字大屏是主要为大屏展现制作的一种软件型表达形态,有时也被称为数据大屏,指数据资源经整合后按物理大屏分辨率一体投射的成果,一般都能带来视觉冲击。其构造、操控方式等与传统屏文章编号:1002-0640(2023)06-0169-08Vol.48,No.6Jun,2023火 力 与 指 挥 控 制Fire Cont
8、rol&Command Control第 48 卷第 6 期2023 年 6 月169(总第 48-)火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 6 期幕使用方法有所不同。若试图在大屏使用基础上,将数字大屏用于军事指挥所这种特殊场所,就需对其主要特点、应用模式、与屏幕现行惯用方法的适配等进行综合分析,基于此,有针对性地对当前常见数字大屏的构造流程与运用模式等提出改造设想、要求和应用发展预期。1数字大屏的概念与现实应用1.1数字大屏的概念与特点大屏可以有多重含义:首先从物理上讲,它的尺寸较普通计算机屏幕更为巨大,多由较大的幕布或多块普通屏幕拼接组合而成;其次在逻辑上,它是通过软件手段构造出的、拥有
9、较大显示分辨率的、多用于物理大屏呈现的界面。当这种逻辑界面作为视觉效果统一、经由一体设计与组织,并在一定程度上能由数据驱动变化突出体现出这些数据所蕴含信息的一个整体存在时,可将其称为数字大屏。在两者之中,还存在一些中间形态,比如直接将大屏作为普通显示屏的复制,投射幻灯图片或视频。此情况下,虽也能像数字大屏一样拥有展现上的整体性,却体现不出数据驱动和大屏文件的模型化这些特点:数字大屏实质上是可交换的一套展现设计或模型,加以动态数据共同形成的实例形态,用于表达高度凝练的信息。数字大屏的构建,须按照应用场景和用户需求,通过一整套从数据到显示交互的通盘设计,在软硬件整合基础上,达到展现形式和内容驱动在
10、大尺度视野范围的相对统一,从而帮助信息充分表达。某些情况下,数字大屏的驱动数据为远程引接得来,屏幕直接连接的计算机并不对其落地保存1-2;大屏画面也可由多台计算机或显卡共同驱动,超越一套操作系统所能驱动的逻辑桌面尺寸范围。这些都体现出数字大屏的数字化特点。1.2数字大屏一般的构造方式现实中,为满足大分辨率下良好的展现效果等多方面需求,数字大屏往往由专门的构造工具进行设计与支撑呈现。这种工具一般自成体系,部分可通过插件引接异源的实时变化数据3-4。常见的数字大屏构造工具一般采用多端分离、分层构建的软件架构。在软件功能上一般可分为大屏设计端、控制交互端、渲染终端,架构上分为数据层、接口层、服务层、
11、应用层,并配以相应的接口规范和服务规则。其中,应用层又可再分为组件层、场景层、工具层。组件是构成最终展现场景的基本单元,是数据和展现形式的载体,具体表现为图、表等;场景是设计、预览和最终呈现的界面;工具是运行管理与交互控制的入口。数据层一般进行数据的存读与共享,接口层和服务层负责各类数据的接入、转换与集成。在软硬件支撑上,有时还需要分布式高分辨率渲染技术和画面同步技术,支撑多渲染终端形成逻辑上的渲染集群,各自输出所负责的显示内容,有效组合形成高分辨率大幅场景5。一般来说,软件多端交互时还需要数据网络的良好支持。大屏设计端,顾名思义是要支撑数字大屏的设计相关工作。此工作总结来说,一般要经过定主题
12、、制界面、选组件、联数据、施交互、作预览、送呈现等几个步骤。做好一幅精美的数字大屏展现画面,往往需要在送呈现这一最终设计步骤前进行数次循环反复,因为界面、组件、交互关系的选择与制作既要考虑展现效果,还需要考虑数据的实际情况。正因如此,尽管数字大屏本质上要求以数据驱动,但单纯堆砌数据可能使展现效果适得其反,一般专门的数字大屏设计软件反而惯以界面、显示组件作为主要工作入口。此外,一般软件在实施联数据和施交互等步骤时,往往还要求较多的智力或重复性体力工作,包括人工勾选数据来源、进行组件之间的交互关系编程设计等,以此完成组件与数据之间的关联、组件与组件之间的交互关系,乃至通过服务层向相关支撑系统传递指
13、令等。送呈现步骤则一般是将设计端组织好的数字大屏成果文件与其所需的数据资源或其索引,传递给控制交互端和渲染终端,而直待两者分别解析或编译、引接数据、互相适配、渲染与操控无误后,才能达到最终的理想效果。简单情况下,这种数字大屏成果文件可为网页形式,复杂的可能为包含一组页面的某种复合数据格式。现实中,已经送与控制交互端和渲染终端的数字大屏成果文件,一般都较难允许对组件进行除尺寸、位置以外的更改。换言之,各功能端之间的文件交换一般至少以界面这层为基本单位。1.3数字大屏已获得的应用目前,数字大屏已在多个领域获得了不同形式的应用,如商业上的淘宝双十一成果展示,政府部门主导的智慧城市系统、公安安防一体化
14、系统等6-7。这些应用实际上大致可分为两种:一种是偏向展示汇报的报告型,另一种是偏向监控处理的系统型。报告型用于吸引观众、渲染氛围,提振士气,更追求效果的奇伟瑰丽,使用上往往是一次性的。系统型则是一个业务或联合系统的有机组成部分,是行动发起的重要视觉依据乃至发起入口,和成果反馈的重要查看形式,更讲求数据的精准、融合和指令下1701124(总第 48-)图 1传统投屏拼接手段示意Fig.1Schematic diagram of traditional projection screensplicing means传时的迅速、联合,使用上更为长久、频繁8。当然,报告型也可能由业务系统的数据和接口
15、提供支撑。总的来说,这些应用中展现的内容、形式一般相对比较稳定,较少作临时更改,但在设计实施过程中往往需要耗时长久的多轮迭代,包括对展现主题、界面布局、数据选择、组件形态与关联等的系列定型与工程实现。一定程度上可以形象地将它们的表现比作是多个精心制作的展板的组合排列。然而,在一贯强调数字化、信息化的军事指挥所和指挥信息系统里,两类数字大屏都还较为鲜见,有限的尝试却暴露出一般数字大屏构造流程和工具的不足。我军目前仍习惯于传统方式,通过音视频的连接组合,以业务终端屏幕投影的方式,获得直接感观上的原始输入,配以其他信息传递手段,共同达到指控、研讨的目的9-10。而从当前掌握的公开资料来看,主要强国在
16、指挥所里也未广泛应用数字大屏,对物理屏幕的使用方法与我军类似。2与传统大屏使用方式的比较上述将多个业务终端屏幕画面或摄像头采集画面通过组合、裁剪后投放到一个屏幕上的方法也被称为投影拼接11,是较为传统和常见的方式,也是我军惯用的大屏使用方式。这种方式更偏重对画面的排列,并未对画面中的内容进行更深层次的逻辑整合。其效果达成所需的硬件系统构造大体如图 1所示。2.1投影拼接手段优劣投影拼接手段实际是以业务终端显示界面或摄像头画面为基础单位,通过物理方法将画面直接传输到物理大屏上复制显示。传输过程一般需要画面拼接控制器(拼控)或拼接矩阵等进行处理,最终清晰度也将受此限制12。其优点是:1)响应迅速、
17、系统稳定。拼控等主要是对画面进行插值、采样等操作,保证画面按指定尺寸复制到指定大屏区域里,数据格式成熟,计算速度较快,大多数情况下可保证即时性。只考虑画面传递的简单构造也使得整个系统较为稳定。2)控屏人员操作简单。此方法下,大屏控制人员主要是挑选与组合信源并按命令推送,操作基本只是点击、拖拽,门槛较低,基本上不需要专门的大屏显示设计人员。但其也有不少缺点,如:1)资源占用较多。复杂情况下,如需要查看多个业务部门情况时,可能需要连接大量的业务终端作为信源输入,这些信源端都需加装视频信号转换器。每个在大屏上显示的业务终端可能也都需要人来操作。在某些更特殊的情况如联合汇报时,需要各业务屏幕操作人员的
18、默契配合。此外还会将业务操作过程尽数展现在观众面前,可能造成操作人员的紧张。2)整体性差。业务终端或摄像头的画面组合,势必造成整个大屏画面的条块割裂、缺乏重点,需要观众自行把握叙事逻辑和内容关系。不同画面的尺寸、背景、布局、色彩等差异,画面之间缺乏的信息关联与样式联动等,都加深了这种割裂。3)交互性差。一方面投影拼接方式使得大屏与用户之间几乎完全没有交互;另一方面业务终端操作人员还需要做到面向观众的展示效果和自身操作便捷间的平衡,例如某些情况下为了高清晰度需要,在大屏上要求使用至少 4 K 或更高的分辨率,但这种分辨率用于业务终端的日常操作时实际上对具体操纵者并不十分友好。4)清晰度损失。业务
19、终端屏幕和大屏的分辨率差异,拼控输入输出时对画面流信号的强制转换,都有可能造成清晰度的损失。2.2数字大屏方式优劣数字大屏实际上并非与投影拼接方式完全对立,因其画面总需要一定的显存、显卡和屏幕承载。数字大屏的实现基础首先是将某些显卡输出固定地组合在一起,再将其连接到物理大屏上,相当于物理上先实现固定屏幕组合的投影拼接。这些固定屏幕组合可以由渲染终端及集群提供显存输出与控制。在此基础上,数字大屏才能完成内容的一体设计和数据驱动。理想中仅基于这组固定屏幕,就可在向对应服务器勾取数据的支持下按需展现出原各业务终端的信息,不再受到非必要非相关信息、不同样式形式、各种固化视角的认知干扰,也不再需要大量业
20、务终端屏幕的投射,降低了音视频网张楠楠等:数字大屏在指挥所中的构造与应用1711125(总第 48-)火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 6 期络的复杂度和人员耗费。而当其能够引接集成摄像头画面和业务终端屏幕界面时,更是能部分履行拼控工具的职能。但其优势并非没有代价,数字大屏的缺陷也显而易见:1)响应即时性降低。由软件应用来构建画面、控制渲染的数字大屏,必须考虑软件调用乃至编译等的运行用时。同时尽管业务系统启动、调整直到呈现在业务终端桌面上也需要时间,但这些时耗体现在投影拼接方式上是分布式的、并行的,给人的感觉是不断有反馈的,总时长取决于最后调整好的终端桌面。但当前一般的数字大屏,往往采
21、用整幅画面调整好后统一呈现方式,无疑拉长了需求到结果呈现的时间,也降低了人的反馈感知获得次数。特别是当响应用户临时有需求时,最严重的情况是数字大屏需要完成新制界面、新选乃至创造组件、联数据、施交互、送呈现等一套设计工作,和数据同步,以及控制交互端、渲染集群的再编译与画面更新等全套流程,其中不乏手工查询、关联等操作,产生至少以分钟计的可观的时间开销。2)逻辑稳定性降低。数字大屏既要保证屏幕组合输出的稳定,还要引接、转换数据,渲染画面,响应控制指令,尽管使用更少的硬件和更简单的硬件连接方式,但软件实现上的复杂度相对更高,稳定性可能降低。此外,数字大屏设计制作需要同时了解、掌握底层信息和上层需求,对
22、业务流程、展现与操控流程进行统合,会使设计者在交付使用前花费大量的时间精力。若数字大屏在使用时出现较多的临时改动需求,则对大屏设计与控制人员的素质就会提出严峻考验。2.3两种方式的异同与联系综合以上描述可以认为,数字大屏是固定投影拼接手段基础上,针对数据深入挖掘关系并展现的一种进阶形式。从应用上看,投屏拼接只能是画面显示,而数字大屏还可以作为指挥链路的软件入口,成为信息系统内在的一部分。从传输上说,投影拼接方式使用的是视频专用网络,数字大屏还需要数据传输与通信网络。而从直观表现上看,如果说投影拼接方式是将物理屏幕作为黑板,粘贴业务屏幕这种尺寸相对固定的作业页,那么数字大屏就是覆盖了整个黑板的动
23、态展板。作业页的内容是展板的素材,却难以像整幅展板一样凸显重点和逻辑脉络,用于展板的显示组件也更为灵活多变和醒目。但数字大屏虽解决了一体展现、物理连接构造复杂等部分缺陷,也催生了新的问题,需要针对实际应用场景作深入分析。3指挥所数字大屏应用需求分析相比一般的数字大屏应用场合,军事指挥所自有其鲜明特点,可能会对数字大屏构造流程及软件工具、与现有系统的集成方式等产生影响。3.1指挥所对数字大屏的需求由于严肃对抗与灵活应对的需要,军事指挥员关注的事物、调阅的材料、观察的视角、处置的手段变换频仍,许多都富含创造性,可能是未曾预置或需要快速响应的,所需的支撑信息格式等可能各式各样。若使用数字大屏,就需要
24、极为快速的信息变换速度和丰富的信息接口。对数字大屏构造的一般流程而言,将涉及到定主题、制界面、送呈现和做预览等步骤的改进。相比于其他业务,军事应用直面的对象数目可能不多,但信息处理与关联上要求甚高。这对数字大屏的联数据、施交互等步骤及最终应用提出灵活快速的要求。军事指挥所对地图的应用需求也对一般数字大屏提出了挑战。军用电子地图数据量大、消耗资源多,图上承载内容繁杂,图层切换、与其他信息组件的交互联动关系要求多。这些将带来作为一个整体的数字大屏其部分内容滞后等不良后果,对数字大屏构造提出时效和稳定性要求。同时,由于军事应用的特殊性质,还对一般数字大屏成果使用的网页内核、性能等有所限制,也不可能使
25、用与商业软件融合较好的 ArcGIS 或谷歌地图等8,13。而一般的数字大屏应用,如智慧城市等,其实际上支撑的是治理行为,场景相对固定、地幅较为狭窄;处理的多是点发式事件,各事件前后关联一般较少;观察感知手段较为单一但信源信息可靠且充分;较少存在临时性突发需求、临时协同协作与进行创造性举动的情况。至于商业报告类大屏,则基本不关心临时情况的发生及具体的处置。这些都给固化大屏显示界面和操作入口,有条不紊地开展新界面制作提供了有利条件。总而言之,一般的数字大屏应用本质上都是一种固化的常态性报告3,14,运行时基本不会对界面,特别是组件等做大规模快速变动。由此总结来看,指挥所内应用相对于商用或政府部门
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