基于可定位視頻的電子導游系統(tǒng)

王美珍,劉學軍,吳 勇,甄 艷

(1.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210046;2.南京師范大學地理科學學院,江蘇南京 210046)

基于可定位視頻的電子導游系統(tǒng)

王美珍,劉學軍,吳 勇,甄 艷

(1.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210046;2.南京師范大學地理科學學院,江蘇南京 210046)

以視頻描述旅行路線的沿途風光,以二維地圖/影像圖描述景區(qū)的平面信息,并通過空間信息,實現(xiàn)視頻和二維電子地圖的聯(lián)動,提出“立面視頻 +平面地圖”的新型電子導游系統(tǒng)。將可定位視頻引入導游圖,提出基于空間信息的視頻分割方案,研究可定位視頻的檢索和組織方案,最后給出基于可定位視頻的電子導游系統(tǒng)設(shè)計思路,并通過實例進行驗證。

電子導游圖;可定位視頻;視頻分割;視頻檢索;路徑規(guī)劃

一、引 言

導游圖不僅是景區(qū)的行、游、食、住、娛、購等信息的載體,同時也是景區(qū)整體風貌的傳播工具,決定著景區(qū)對游客的吸引程度和旅游路線的選擇。常規(guī)景區(qū)導游圖以景區(qū)平面圖和寫景圖為主。近年來,隨著旅游網(wǎng)絡(luò)化、出行散客化趨勢的出現(xiàn),導游圖在內(nèi)容和形式上發(fā)生了很大變化,類型上有影像導游圖、電子導游圖、多媒體導游圖、景點三維導游圖等,載體上有沙盤、觸摸屏、大屏、虛擬旅游網(wǎng)站等,大大方便了人們的出行和旅游決策[1]。

目前景區(qū)開發(fā)已經(jīng)從景點擴展到游覽路線的兩側(cè),形成系列的景觀走廊[2]?，F(xiàn)有景區(qū)平面圖雖較為完善地描述了景區(qū)平面信息,但無法表達游覽路線兩側(cè)的自然風光、人文現(xiàn)象。已有的多媒體導游圖,雖提供了視頻信息來描述沿途景色,但只是將其作為附加屬性,并未能和地圖進行雙向檢索。同時,大多數(shù)電子導游圖提供的旅游路徑分析,主要以距離、時間等為約束條件,而忽視了沿線風光對游客的吸引力。

可定位視頻是集視頻、音頻、GPS定位為一體的新型流媒體,要求 GPS定位信息與每一音視頻幀保持嚴格同步,方便位置與視頻的互相檢索及基于視頻的路徑定制[3-7],是導游圖系統(tǒng)新的數(shù)據(jù)源。本文以可定位視頻為數(shù)據(jù)源,結(jié)合景區(qū)的二維平面導游圖,以觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)為載體,研究可定位視頻和二維地圖的匹配、檢索等關(guān)鍵技術(shù),形成“立面視頻+電子地圖”的新型電子導游系統(tǒng)。首先重點討論基于可定位視頻的分割方法,然后給出可定位視頻快速檢索方法,最后給出了基于可定位視頻的導游圖系統(tǒng)相應(yīng)的技術(shù)流程和應(yīng)用實例。

二、可定位視頻分割

考慮到可定位視頻本身具有定位信息,則可按照空間位置實現(xiàn)對視頻的分割。對景區(qū)而言,一般是按照道路網(wǎng)絡(luò)進行拍攝的,因此可按照景區(qū)已有道路網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻分割?？啥ㄎ灰曨l分割主要包括三個基本環(huán)節(jié),即坐標轉(zhuǎn)換、地圖匹配和分割?？啥ㄎ灰曨l中的 GPS坐標屬于WGS-84坐標系統(tǒng),而景區(qū)電子地圖一般是 1954北京坐標系或 1980西安坐標系,甚至是獨立坐標系統(tǒng),二者需要統(tǒng)一,這可通過坐標轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)[4],這里不再贅述。

1.地圖匹配

地圖匹配是將視頻拍攝路線正確投影到電子地圖上的過程。考慮到 GPS、電子地圖等本身含有誤差,本文采用了基于模糊邏輯的地圖匹配算法。其基本思想是:首先建立評價指標集,然后定義其模糊隸屬度,最后進行分類和綜合評判。

(1)評價指標

拍攝路徑和道路的相似程度,可通過拍攝路徑與候選道路的接近性、方向性和軌跡相似性指標來描述。

1)接近性。接近程度可通過拍攝點坐標到候選道路的垂直距離來計算,如式 (1)中 (x,y)為當前拍攝位置坐標,(x′,y′)為拍攝位置在候選路段上的投影點。

2)方向性。通過拍攝方向β與候選路段方向β′的差值來描述。

3)軌跡相似性。選取拍攝路徑相鄰 n個定位點數(shù)據(jù),并計算這些點在候選路段上投影位置,則拍攝路徑和路段相似性可通過定位軌跡平均距離差來計算。其計算公式為

式中 ,(xi,yi)為時刻 i的拍攝位置 ;(x′i,y′i)為其在路段上投影位置。

(2)隸屬度函數(shù)

表 1 隸屬度函數(shù)定義

(3)評價決策

以上述隸屬度函數(shù)為基礎(chǔ),即可對候選路段是拍攝路徑所在路段的可能性作出綜合評判。設(shè)因素集 U={接近性、方向性、軌跡相似性},評語集 R={好、壞},綜合評判步驟為:

1)對U中的各因素分別進行評價,其評判結(jié)果分別為模糊向量 R1=[η(x)φ(x)],R2=[η(x)φ(x)],R3=[η(x) φ(x)];

3)通過模糊變換 Q=RPT,所得模糊向量 Q中的兩個分量,表示候選路段是拍攝路徑所在路段可能性大小的程度,取最大可能性路段為拍攝路徑所在路段。

2.分割流程

結(jié)合地圖匹配過程,分割步驟如下:

1)定位到一幀視頻數(shù)據(jù),判斷是否是關(guān)鍵視頻幀。如果是,則讀取關(guān)鍵幀所對應(yīng)坐標點作為待匹配點,繼續(xù)執(zhí)行下一步;如果不是,則轉(zhuǎn) 4)繼續(xù)。

2)以待匹配點為圓心,搜索附近距離小于 50m的所有路段作為待匹配路段。

3)遍歷所有待匹配路段,根據(jù)上節(jié)獲得該待匹配點的最佳匹配路段。本文將三個因素視為同等重要,綜合評判算法中權(quán)向量 P=[1/3,1/3,1/3]。

4)對待匹配點進行點修正,同時并將此點對應(yīng)的音視頻幀加入該路段的視頻片段,返回進行下一幀視頻圖像的判斷。

三、可定位視頻索引與檢索

1.索引構(gòu)建

根據(jù)采集時 GPS軌跡變化方式不同,可定位視頻分為點狀和線狀可定位視頻。點狀可定位視頻主要指在固定位置拍攝的視頻,其采集的視頻都被賦予同一位置坐標;線狀可定位視頻是沿某一軌跡拍攝,其中每幀圖像的拍攝位置都具有不同的地理坐標。

(1)索引結(jié)構(gòu)表設(shè)計

可定位視頻的網(wǎng)格索引的實質(zhì)是邏輯層次上分幅描述而不具體將空間數(shù)據(jù)進行分割,數(shù)據(jù)本身仍然按照對象模型獨立組織和存儲。對于固定點采集數(shù)據(jù)的索引,只需判斷其任意一幀所對應(yīng)的坐標所在格網(wǎng)號即可;而對于移動采集具有線狀特征的數(shù)據(jù)的索引,其實質(zhì)是判斷多個不同點坐標集合所屬網(wǎng)格比固定點數(shù)據(jù)索引復雜的原因,在于其還涉及可定位視頻數(shù)據(jù)的分段索引。本文主要通過構(gòu)建空間分區(qū)表、網(wǎng)格索引表以及可定位視頻索引表三個表結(jié)構(gòu)對可定位視頻數(shù)據(jù)進行組織與管理。

空間分區(qū)表 (如表 2所示)記錄格網(wǎng)信息的分區(qū)信息,從邏輯上把一個區(qū)域分割為許多更小、更易于管理的區(qū)塊,主要用于描述可定位視頻的空間分區(qū)信息。網(wǎng)格索引表是對全部的可定位視頻數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格索引,描述了各個網(wǎng)格單元中包含哪些可定位視頻數(shù)據(jù),是視頻與空間數(shù)據(jù)互相檢索的橋梁?？啥ㄎ灰曨l索引表 (如表 3所示)記錄每個可定位視頻文件在網(wǎng)格中的索引信息。對于固定點采集的數(shù)據(jù),主要記錄其可定位視頻類型 (點狀、線狀)、所屬網(wǎng)格、存放路徑等信息。而對于移動采集的數(shù)據(jù),由于其可能跨越多個網(wǎng)格,而每個網(wǎng)格中都包含一段可定位視頻數(shù)據(jù),因此其除了記錄上述信息外,還要記錄移動數(shù)據(jù)在各個網(wǎng)格中的起始視頻幀號、終止視頻幀號。

表 2 空間分區(qū)表字段說明

表 3 可定位視頻索引表字段說明

(2)索引算法流程

在上述索引表建立的基礎(chǔ)上,對采集的可定位視頻數(shù)據(jù)進行索引操作,并將其索引信息在索引表中進行相應(yīng)更新,其具體步驟如下:

1)按照一定劃分原則,將圖幅區(qū)域劃分成若干格網(wǎng),并對所有格網(wǎng)進行編號。

2)讀取可定位視頻數(shù)據(jù),判斷其為固定點采集數(shù)據(jù)文件,還是通過移動采集數(shù)據(jù)文件。如果是前者,則繼續(xù)下一步判斷;如是后者,則轉(zhuǎn)步驟 4)判斷。

3)指針定位到可定位視頻文件中的索引文件頭并讀取第一幀視頻圖像所對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標 (X,Y),通過式 (4)判斷坐標值計算該點所處網(wǎng)格的編號,然后同時更新網(wǎng)格與可定位視頻數(shù)據(jù)索引表相應(yīng)字段,索引結(jié)束。其中通過經(jīng)緯度坐標計算網(wǎng)格編號的公式為式中,(Xmin,Ymin)為西南角坐標;Δw、Δh則分別為網(wǎng)格索引中橫軸、縱軸方向的網(wǎng)格大小;m為橫向格網(wǎng)數(shù);GridCode代表網(wǎng)格編號。

4)指針定位到可定位視頻文件中的索引文件頭,依次讀取一幀視頻圖像,判斷其是否是關(guān)鍵幀,如果是則繼續(xù)下一步;否則繼續(xù)讀取下一幀視頻圖像。

5)讀取此關(guān)鍵視頻幀對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標,按式 (4)判斷該點所處的網(wǎng)格,如果是第一幀數(shù)據(jù),則直接記錄其所屬的網(wǎng)格信息;否則判斷與上一幀關(guān)鍵幀所屬的網(wǎng)格號是否相同,相同則不進行數(shù)據(jù)庫記錄,若不同,同樣將格網(wǎng)編號記錄網(wǎng)格索引表中,同時還要更新可定位視頻索引表相應(yīng)字段,轉(zhuǎn)步驟 4)繼續(xù)判斷直到最后一幀視頻圖像。

2.檢索方案

(1)視頻檢索位置

可定位視頻檢索位置主要有兩種:顯示軌跡以及跳躍播放方式。顯示軌跡方式就是直接提取可定位視頻的地理坐標,然后將其在電子地圖上進行顯示。對于點狀可定位視頻,只需提取其第一幀視頻的坐標,將其顯示于地圖上;而線狀可定位視頻則需通過遍歷每一關(guān)鍵視頻幀所對應(yīng)的坐標,然后將其顯示于地圖上。跳躍播放方式則是通過拖動播放滾動條的方式進行視頻的快進、快退跳躍播放,同時其所對應(yīng)的坐標位置也隨之在地圖上發(fā)生變化,從而實現(xiàn)可定位視頻快速檢索地理位置的操作。其實質(zhì)是通過比較視頻關(guān)鍵幀對應(yīng)的時間戳與滾動軸上的時間差值,實現(xiàn)可定位視頻的定位、播放。

(2)位置檢索視頻

基于位置檢索的可定位視頻,主要包括兩種方式:①基于空間位置的查詢 (基于坐標查視頻);②基于空間范圍的查詢 (矩形選擇、圓選擇、多邊形選擇查詢視頻)。該類查詢一般分兩步完成,首先要借助于上一節(jié)的空間索引,在視頻數(shù)據(jù)庫中快速檢索出滿足要求的可定位視頻數(shù)據(jù);而后根據(jù)可定位視頻的數(shù)據(jù)組織方式與查詢空間區(qū)域的空間關(guān)系,獲得相應(yīng)的可定位視頻文件。基于該索引結(jié)構(gòu)的可定位視頻檢索原理為:先將查詢范圍坐標信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)粗分格網(wǎng)地址 (或行列號),然后找出相關(guān)的粗分格網(wǎng),并根據(jù)其格網(wǎng)標識號初步找出涉及的可定位視頻文件集,完成對可定位視頻的第一次過濾。循環(huán)讀取第一次結(jié)果集中的可定位視頻文件,逐一將可定位關(guān)鍵幀所對應(yīng)的地理坐標與搜索范圍進行比較,以判斷其是否真正落入搜索范圍內(nèi)。該步操作完成后所得的最后結(jié)果集即是符合要求的搜索結(jié)果。

四、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于上述原理,以景區(qū)道路沿線兩側(cè)的可定位視頻和景區(qū)平面地圖為數(shù)據(jù)源,“立面視頻 +平面地圖”的電子導游系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)如下。

1.系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要有三個功能模塊。

1)可定位視頻采集模塊:主要負責對可定位視頻進行采集、存儲、無線傳輸、播放。

2)數(shù)據(jù)編輯模塊:主要包括對采集到的可定位視頻數(shù)據(jù)進行分割、索引、編輯等操作,并將處理后的實景數(shù)據(jù)導入到視頻數(shù)據(jù)庫。

3)可定位視頻查詢模塊:主要用于查詢景區(qū)內(nèi)景點、路段相關(guān)的視頻片段。本系統(tǒng)包括四種查詢方式:①隨機查詢,即通過點選景區(qū)內(nèi)地物來查詢地物相關(guān)視頻;②關(guān)鍵詞查詢,用戶通過輸入關(guān)鍵字查詢;③按用戶反饋查詢,通過圈選、框選的方式,查詢某一區(qū)域內(nèi)的相關(guān)視頻,再通過交互反饋獲取感興趣的視頻;④路徑查詢,用戶通過交互方式在電子地圖上選取游覽路徑,系統(tǒng)檢索對應(yīng)路徑段的視頻,并進行重組播放。

2.系統(tǒng)運行實例

系統(tǒng)由可定位視頻采集終端和發(fā)布平臺兩部分組成。采集終端采用自主研發(fā)的可定位影視直播系統(tǒng)。發(fā)布平臺的載體為景區(qū)大屏、觸摸屏以及網(wǎng)絡(luò)客戶終端。下面以南京師范大學仙林校區(qū)北區(qū)校園為例對有關(guān)功能進行說明。

(1)路徑查詢與視頻重組播放

路徑查詢視頻播放界面如圖 1所示。用戶通過此功能可獲得所選路徑的視頻信息。通過在地圖上交互地選取起點、中間點、終點位置 (如圖 1中深色線條),系統(tǒng)根據(jù)用戶所給路徑對視頻數(shù)據(jù)庫進行檢索,查找到相應(yīng)路段的視頻后,根據(jù)需要對檢索到的數(shù)據(jù)進行自動分割、重組,生成此路徑所對應(yīng)的可定位視頻并播放。這一功能使得用戶可根據(jù)不同的路徑來檢索視頻,并通過不同路徑的組合輔助決策最佳風景的旅游路徑。

圖 1 定制路徑可定位流媒體播放界面

(2)可定位流視頻定制播放

通過反饋方式對相關(guān)區(qū)域范圍內(nèi)的可定位視頻數(shù)據(jù)進行檢索的界面如圖 2所示。用戶可以通過在地圖上感興趣的位置進行圈選、框選并將其作為檢索區(qū)域,如圖中圓形區(qū)域所示。系統(tǒng)檢索視頻數(shù)據(jù)庫,查詢到相關(guān)的可定位流媒體文件后,將其在檢索區(qū)域內(nèi)的片段自動分割成新的視頻片段并返回,例如本例中在檢索區(qū)域內(nèi)總共檢索到三段可定位視頻數(shù)據(jù),可以通過雙擊視頻名稱觀看檢索到視頻片段。

圖 2 可定位視頻檢索界面

五、結(jié) 論

隨著旅游事業(yè)的發(fā)展,旅游呈現(xiàn)出散客化、個性化的趨勢,這要求對景區(qū)的介紹和導游要盡量滿足旅客出行個性化需要。本文針對這一趨勢,提出了“立面視頻 +平面地圖”的電子導游系統(tǒng)。通過本文研究,有如下結(jié)論:

1)由于空間信息的存在,可定位視頻分割不再局限于視頻本身所負載的內(nèi)容,而可以通過空間位置信息,將視頻分割成具有地理含義的視頻片段,并進行按需播放。

2)基于可定位視頻電子導游系統(tǒng)支持用戶交互進行路徑制定,用戶可以通過不同旅游路徑沿線風景的組合來決定游覽路線,“游客喜愛”的路徑才是最佳路徑。

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Design of Tour Guide Map Based on Locatable Video

WANGMeizhen,L IU Xuejun,WU Yong,ZHEN Yan

0494-0911(2011)02-0048-04

P208

B

2010-06-08

國家 863計劃項目(2007AA12Z238)

王美珍 (1983—),女,江蘇淮安人,博士生,主要研究方向為影視 GIS、單幅圖像幾何量測等。