AR標識追蹤定位技術在室內導航系統中的應用

胡睿婷 刁明光＊

（中國地質大學（ 北京） 信息工程學院，北京 100083）

隨著城市建設的發展，室內建筑規模不斷擴大，室內結構趨于復雜化，然而面向室內的位置服務尚不滿足人們在室內公共空間的出行需求?，F階段各類室內電子地圖存在以下四方面問題：

（1） 傳統的二維地圖導航可讀性差，室內空間方向辨識度低，使用者難以根據二維地圖準確判定當前位置與方向；

（2） 基于360街景技術的地圖導航雖然提升了真實感與代入感，但其制作與更新成本高，實景的可維護性差，操作復雜，無法實現以位置更新為驅動的實景導航；

（3） 三維實景導航可以實現隨位置更新變化場景，但其三維模型數據量大，建模成本高，且仍然保留實景導航存在的問題；

（4） 室內AR導航雖已經面向市場，但基于室內無線定位技術的AR導航仍無法擺脫定位困難的缺陷。由于GPS信號在穿透建筑物或其他阻擋時信號強度被削弱，其定位精度不滿足室內定位精度的標準，一般不采用GPS方式進行室內定位；因此，現階段主要的室內定位方式包含以下六種：Wi-Fi技術，藍牙技術，紅外線技術，超寬帶技術，RFID技術和超聲波技術。但對于移動設備，Wi-Fi技術，藍牙技術，紅外線技術的信號接收端容易受到其他信號的干擾，從而影響其定位精度，定位器的能耗也較高，穩定性差；而超寬帶技術、RFID技術和超聲波技術等雖然較前三種方法其定位精度更高，但由于特定硬件設備不便于整合到移動設備中，同時還需要大量部署底層硬件設施，總體成本都較高。

因此，本文針對上述問題設計并實現了一種基于AR標識追蹤技術的室內導航系統，彌補了二維地圖與實景地圖缺陷的同時，避免使用現有無線定位技術，提升了定位精度，降低了基礎設施鋪設成本，兼顧了導航的高效性和實用性。

1 系統設計

系統主要功能包括AR路徑導航、地圖場景切換和清除緩存。AR路徑導航功能可通過AR標識追蹤技術確定起始位置，反饋實時位置，并引導最短路徑；場景切換用于初始化AR導航所在地圖；清除緩存功能用于整理用戶空間，有助于合理利用系統資源。其中AR路徑導航為本系統核心模塊。系統功能設計如圖1所示。

圖1 系統功能設計

1.1 AR模塊設計

AR模塊以Dijkstra路徑規劃結果為輸入，加載AR資源到緩存。導航過程中AR引擎持續從設備攝像機接收視頻幀，捕捉畫面中的自然特征點[1]，再根據路徑規劃結果對圖像進行重繪，從而達到在攝像機實景中放置3D引導模型的效果。AR模塊業務流程如圖2所示。

圖2 AR模塊業務流程

1.2 雙重定位的AR標識結構

雙重定位是指，每一個AR標識 （AR Tracker） 包含兩個弱標記對象[1]（以下簡稱標記），分別為NetRoad Tracker和Node Tracker。其中NetRoad Tracker用于快速定位視頻幀中的路網節點標記，其元數據包括建筑物編號Building_ID和樓層編號Layer_ID，在導航過程中該標記全局加載，同一建筑物的同一樓層使用同一個NetRoadTracker；Node Tracker用于定位路徑規劃結果節點，其元數據包括該節點的實際地理位置X、Y以及唯一標識該節點的Node_ID，當且僅當該節點屬于路徑規劃結果的子集及其相鄰節點時將該標記被加載到緩存。采用雙重定位的AR標識結構，可在緩存容量一定時，減少資源的加載量與加載時間，同時保證系統可以實現規劃路徑節點與非規劃路徑節點的辨別。

1.3 AR追蹤定位

將AR標識鋪設在室內路網的相應位置，組成可視的地理信息網，通過追蹤AR標識獲取當前位置所包含的地理意義，從而實現室內定位。追蹤定位流程如圖3所示，當計算機捕捉到NetRoad Tracker時，系統接收到標識反饋的建筑物編號、樓層編號數據，若同時捕捉到Node Tracker，則由Node_ID向系統上層查詢該節點的其他地理信息，若為規劃路徑節點，則展現相應引導模型；若已偏離規劃路徑，此時應重新調起路徑規劃。

圖3 追蹤定位流程

1.4 AR資源緩存

根據建筑物的規模及其設計的復雜程度，其室內路網節點數量在百到萬數量級之間，樓層間的節點數量也不一定相同，因此加載不同建筑，不同樓層的AR標識資源所需要的時間與空間成本是動態變化的。為了節約加載資源，采取靜態加載NetRoadTracker，動態加載NodeTracker的方式，優先緩存必要的AR標識資源到緩存中，即先進行路徑規劃，根據Dijkstra法路徑規劃的結果，緩存所有規劃路徑節點及部分相鄰節點，舍棄剩余無關節點資源，保證系統可以辨別規劃路徑節點與非規劃路徑節點的同時，提升系統性能和資源利用率。

2 系統實現

2.1 AR標識鋪設

由于室內空間有限，道路狹窄，而AR標識的識別率與實際圖片大小呈正相關，且考慮到節點的位置價值，AR標識所代表的地理信息節點需要根據實際室內環境合理、均勻地鋪設在可行走道路中軸線上。

2.2 AR方向引導

在獲取地理信息數據后，系統會根據當前路徑規劃結果在地面鋪設的AR標識圖形上生成3D引導模型，并輔以距離文字提示。

系統以MAXSTAR SDK為AR引擎開發工具測試導航效果。如圖4所示，3D引導模型箭頭所指方向即為當前位置在路徑規劃結果中，指向下一目的位置的相對方向。在單次導航過程中，僅該次路徑規劃結果節點子集所覆蓋位置的AR標識位置展示引導模型。

圖4 展示引導方向的AR模型

3 結語

本文研究并分析了現階段室內導航所使用的技術及其缺陷，利用在自然環境下的弱標記識別技術進行室內定位，并結合OpenGL2.0在視頻幀畫面中渲染3D引導模型，實現非無線定位的室內AR導航。

未來將以豐富AR標識模型、優化海量資源緩存算法為研究方向，提升導航效率，擴展應用場景，持續推動智能化出行的建設與發展。