室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位移動三維客戶端設(shè)計

李 赟，李 凍，左志權(quán)，劉正軍，畢京學(xué),3

(1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

1 引言

隨著社會的快速發(fā)展和信息時代的到來，移動定位導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)正逐漸影響人們的日常生活。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(web geographic information system，WebGIS)的廣泛應(yīng)用以及移動智能終端的普及，使得人們在陌生環(huán)境中尋找特定的地點或目標(biāo)時，利用定位導(dǎo)航服務(wù)可以用最短的時間達到目的地[1]。室外環(huán)境中的導(dǎo)航技術(shù)近年來發(fā)展較快，截至目前已經(jīng)形成了較為成熟的商業(yè)體系，比如室外車載導(dǎo)航系統(tǒng)、手機導(dǎo)航系統(tǒng)等[2]。室外環(huán)境下的定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星信號或蜂窩信號來進行定位，將GPS和電子地圖配合使用，并結(jié)合相關(guān)的導(dǎo)航軟件，在電子地圖上顯示實時位置及路線信息，完成導(dǎo)航服務(wù)[3]。室內(nèi)環(huán)境下的定位導(dǎo)航研究主要集中在以下兩類[4-5]：一是研發(fā)室內(nèi)定位系統(tǒng)，比較突出的研究包括室內(nèi)感知系統(tǒng)、上下文感知環(huán)境等；二是用移動機器人控制和實現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)，這種類型注重系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)，對導(dǎo)航系統(tǒng)本身關(guān)注不多。

目前廣泛采用的導(dǎo)航地圖都是二維的，隨著移動終端設(shè)備計算能力的突飛猛進，使得在移動端進行高效的三維渲染成為可能[6]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)近年來在計算機領(lǐng)域也引起了廣泛的關(guān)注。它能夠利用計算機生成較為真實的模擬環(huán)境，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，同時通過人機交互接口，實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的直接交互[7]。

Unity3D作為一種三維虛擬現(xiàn)實游戲平臺，對DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，支持常見的文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作，可以充分、實時的處理大量的三維模型[8]。值得關(guān)注的是，Unity3D是一個跨平臺性非常好的三維引擎，從桌面系統(tǒng)到移動平臺和游戲主機，幾乎涵蓋了所有平臺。利用Unity3D進行三維應(yīng)用程序的開發(fā)，便可以實現(xiàn)“開發(fā)一次，多處使用”的理想目標(biāo)。因此，本文在系統(tǒng)實現(xiàn)中選用Unity3D作為開發(fā)工具。

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬和移動終端性能的大幅提升，云技術(shù)和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速普及，以及大型建筑內(nèi)部導(dǎo)航和定位的需求與日俱增，基于三維的導(dǎo)航定位服務(wù)應(yīng)運而生。合理整合現(xiàn)有的各種硬件資源，軟件資源和信息資源，設(shè)計一套滿足當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境下的系統(tǒng)成為本文以及今后繼續(xù)研究的重點。

2 客戶端設(shè)計框架

2.1 客戶端需求分析

移動客戶端程序是運行在移動終端設(shè)備(如智能手機)上的應(yīng)用程序，是用戶與室內(nèi)外導(dǎo)航定位系統(tǒng)進行交互的唯一接口。良好的導(dǎo)航定位移動客戶端程序需要具備以下要素：

(1)提供良好的交互界面方便用戶使用；

(2)與后臺位置服務(wù)通信，實時獲取用戶位置數(shù)據(jù)；

(3)管理和調(diào)度本地或遠(yuǎn)程服務(wù)器上的三維模型數(shù)據(jù)，優(yōu)化三維場景渲染，使客戶端程序在移動終端設(shè)備上能同時滿足流暢、美觀和低能耗的要求；

(4)具備三維場景中路徑規(guī)劃的能力，能滿足用戶在室內(nèi)外進行定位、導(dǎo)航的需求。

2.2 客戶端的組成模塊

本文根據(jù)室內(nèi)外導(dǎo)航定位系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化設(shè)計方法，將移動客戶端應(yīng)用程序分解為四大組成模塊，分別是：客戶端用戶接口、導(dǎo)航與空間查詢模塊、定位模塊和三維模型調(diào)度模塊(見圖1)。

圖1 客戶端結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 客戶端用戶接口

用戶接口(user interface，UI)是為人機交互提供幫助的功能集合。作為運行在移動終端上的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，UI主要應(yīng)為用戶提供基于觸摸屏的常用手勢操作，定位與空間查詢、路徑規(guī)劃等功能。在三維場景瀏覽方式方面，可以提供兩種不同的視角，即第一人稱視角(見圖2(a))和鳥瞰視角(第三人稱視角，見圖2(b))。兩種視角用于不同場合，第一人稱視角適合作為導(dǎo)航視角，為用戶帶來“沉浸式”導(dǎo)航體驗；鳥瞰視角用于大面積場景瀏覽，查看生成路徑的全貌等。另外，第一人稱視角也更適合于室內(nèi)導(dǎo)航的應(yīng)用。

圖2 客戶端程序的兩種視角

2.2.2 導(dǎo)航與空間查詢模塊

導(dǎo)航與空間查詢模塊負(fù)責(zé)處理用戶的輸入，通過位置服務(wù)模塊獲取用戶位置，然后利用空間數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)服務(wù)器進行查詢和計算最優(yōu)化路徑，并將結(jié)果作為導(dǎo)航路徑可視化和三維數(shù)據(jù)調(diào)度模塊的依據(jù)。

2.2.3 定位模塊

定位模塊包含室內(nèi)定位和室外定位兩個組成部分。其中室外定位主要依靠GPS衛(wèi)星或蜂窩數(shù)據(jù)、位置服務(wù)器和移動終端操作系統(tǒng)提供的定位應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)來實現(xiàn)。室內(nèi)定位利用室內(nèi)場景中布設(shè)的無線保真(wireless fidelity，WiFi)熱點和預(yù)先采集的WiFi指紋庫，采用指紋庫匹配和內(nèi)插技術(shù)得到室內(nèi)位置信息。難點在于定位方式是室內(nèi)還是室外的判別，因此需要設(shè)計一個智能化的判別器來判別當(dāng)前的定位方式。判別器的判別結(jié)果將作為導(dǎo)航模塊，三維模型調(diào)度模塊的輸入。

2.2.4 三維模型調(diào)度模塊

三維模型調(diào)度模塊作為可視化的核心需要精心的設(shè)計[6，9-12]。衡量三維應(yīng)用程序性能的一個重要指標(biāo)是幀率(每秒鐘生成的畫面數(shù))，需要繪制的數(shù)據(jù)量越大，消耗的時間也越多。對于復(fù)雜場景的三維模型，通常包含大量數(shù)據(jù)，如果將數(shù)據(jù)全部加載，即使有足夠的內(nèi)存容納它們，也沒有辦法流暢的繪制畫面[9]。精細(xì)模型的真實感渲染可以給人帶來愉悅的視覺享受，但提高渲染畫面效果的同時給硬件系統(tǒng)帶來了過量的計算負(fù)荷，使得渲染達到滿足交互需要的幀率成為奢望。因此，需要對模型數(shù)據(jù)進行合理的組織，創(chuàng)建空間索引[10]，利用相機位置和視椎體對模型數(shù)據(jù)進行視椎體裁剪、遮擋剔除和細(xì)節(jié)層次模型(level of detail，LOD)[13]等技術(shù)的調(diào)度，合理的控制內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量和送入圖形處理單元(graphic processing unit，GPU)渲染的數(shù)據(jù)量。該模塊接收位置模塊和導(dǎo)航模塊的輸出結(jié)果以及用戶的操作，控制相機的運動。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 室內(nèi)模型組織和管理

室內(nèi)模型主要分為兩類，一類是建筑物本身，另一類是其附屬物。具體分類原則為：將樓體建筑物(包括樓板、框架、外墻、樓梯)作為建筑物模型；剩余的都屬于附屬物(如商場建筑物中的單個小商鋪、衛(wèi)生間、服務(wù)臺、倉庫等等，以及它們的分隔物如內(nèi)墻、隔板等)。模型采用面向?qū)ο蟮姆椒ü芾砗驼{(diào)度，每個單獨的物體都作為單一模型，保存為單獨的模型文件，它們同時具有3種以上不同分辨率。

用大型商場的室內(nèi)模型來舉例，模型文件的目錄按圖3所示的層級結(jié)構(gòu)組織。

圖3 樓層及附屬物模型示意圖

模型的存放位置應(yīng)符合以上層級結(jié)構(gòu)，如：整個建筑的外框模型應(yīng)存放在“建筑名稱或編號”文件夾中，每個樓層的整體建筑模型應(yīng)放在“樓層編號i”(i表示樓層數(shù))文件夾中，樓層的附屬物包括商鋪、電梯(樓梯)、洗手間、服務(wù)臺、倉庫等每一個存放在一個單獨的“商鋪編號i”文件夾中，該文件夾中只存放某一個樓層附屬設(shè)施不同分辨率的模型文件。紋理文件放在對應(yīng)模型所在文件夾中，單獨存放在名為“Texture”的文件夾中。

全部商鋪信息匯總為一個文件(.xls 或 .txt)，該文件存放在“建筑名稱或編號”文件夾中。每一條商鋪記錄包括：建筑編號、樓層編號、商鋪編號、商鋪屬性(包括商鋪名稱，在該建筑局部坐標(biāo)系中的起始坐標(biāo)，分類，如：餐飲、服裝、家居、樓梯、服務(wù)臺、洗手間等，商鋪屬性分類后續(xù)再做詳細(xì)分類)。

在Unity3D中將每一個模型文件單獨打包成Asset Bundle文件(一種Unity3D支持的可在本地或遠(yuǎn)程動態(tài)加載的文件格式)，將打包后的文件按原來的層級保存在數(shù)據(jù)模型服務(wù)器上供遠(yuǎn)程下載。

這樣的模型組織方式便于調(diào)度和管理，程序只需讀取模型的屬性信息，然后生成空間索引用于調(diào)度。

3.2 室內(nèi)環(huán)境下三維路徑的生成

二維地圖上采用基于圖論的最短路徑算法生成需要查找的路徑。將地圖上的關(guān)鍵點作為節(jié)點，根據(jù)地圖上點的連通性將相應(yīng)的節(jié)點連接成邊，并輔以權(quán)值就形成了二維問題的圖。

室內(nèi)導(dǎo)航有個明顯的特征，即在某個樓層內(nèi)的導(dǎo)航問題仍屬于二維問題。如果將相鄰樓層通過某種途徑連接就能夠使得樓層之間的圖連通，而樓層之間的物理連接樓梯或電梯剛好提供了這樣的途徑。因此，將樓梯和電梯作為節(jié)點加入圖中就可以構(gòu)造整個建筑室內(nèi)環(huán)境的三維圖，然后采用傳統(tǒng)的最短路生成算法即可生成室內(nèi)環(huán)境下的三維路徑[14]。

3.3 基于四叉樹的室外模型調(diào)度

每一個區(qū)域的室外模型都有一個屬性描述文件，該文件記錄了每個建筑模型的ID，參考點坐標(biāo)，包圍盒等信息。讀取該文件可以構(gòu)建一顆四叉樹：①將所有模型的參考點作為點群，計算該點群在x-z平面(Unity3D中y軸向上)的包圍盒；②將得到的包圍盒各邊向外擴展距離d，該距離可以取包圍盒邊長平均值的0.1倍，得到一個包含所有點的矩形區(qū)域；③將該矩形作為根節(jié)點，設(shè)四叉樹節(jié)點能保存點數(shù)的最大值為N，設(shè)根節(jié)點為當(dāng)前節(jié)點。比較當(dāng)前節(jié)點包圍盒中的點數(shù)n0與N的大小，若n0>N，則將當(dāng)前節(jié)點進行四叉剖分，再將每個子節(jié)點作為當(dāng)前節(jié)點重復(fù)步驟③；④經(jīng)過幾步遞歸后，全部葉子節(jié)點的包圍盒中點數(shù)都小于N，得到一顆四叉樹。

四叉樹的節(jié)點中應(yīng)保存位于該節(jié)點中的建筑模型文件路徑，模型ID，葉子節(jié)點包含節(jié)點包圍盒。節(jié)點包圍盒指包含節(jié)點內(nèi)所有建筑模型的最小包圍立方體。

模型調(diào)度過程是在每一次畫面更新前，判斷相機視椎體和四叉樹葉子節(jié)點包圍盒的拓?fù)潢P(guān)系，若包圍盒與視椎體相交或位于視椎體內(nèi)部，則從緩存池讀取該節(jié)點所包含的全部建筑模型，將它們添加到要渲染的模型數(shù)組中；否則若該節(jié)點包含的模型在渲染模型數(shù)組中，則將他們從數(shù)組中刪除。

4 結(jié)束語

本文提出了室內(nèi)外無縫定位與導(dǎo)航的移動客戶端設(shè)計思路，詳細(xì)探討了移動客戶端的實現(xiàn)框架、功能模塊，闡述了設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)并且提供了可行的解決思路。城市空間信息化，無線網(wǎng)絡(luò)和移動智能終端日益普及，基于位置服務(wù)和室內(nèi)外定位信息可視化由二維轉(zhuǎn)向三維，在這樣的背景下，逐步實現(xiàn)和豐富模塊功能是今后的研究重點。室內(nèi)外無縫定位中的內(nèi)、外環(huán)境的識別與切換是難點，也是今后系統(tǒng)設(shè)計中要解決的主要問題。

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