全景地圖應(yīng)用于軌道交通導(dǎo)航智能手機(jī)APP的可行性探究

苗維超 張寶富

摘 要：上海軌道交通自1990年初建成后，日益快速發(fā)展，其規(guī)模線路已發(fā)展為全國(guó)之首；近年外來(lái)務(wù)工人員的涌入都標(biāo)志著軌道交通需承載更重更大的責(zé)任。面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的地鐵站內(nèi)環(huán)境，傳統(tǒng)的GPS地圖無(wú)法滿足在站內(nèi)的方向引導(dǎo)，本文針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象通過(guò)研究全景地圖技術(shù)、相機(jī)標(biāo)定技術(shù)、OpenGLES庫(kù)尋求實(shí)現(xiàn)一款軌道交通導(dǎo)航APP的可能性。

關(guān)鍵詞：全景地圖；OpenGLES；相機(jī)標(biāo)定

時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)于效率有更高的追求，像地鐵站點(diǎn)這樣的小區(qū)域范圍的導(dǎo)航地圖，市面上還沒有比較成熟的產(chǎn)品，范圍小就意味著需要更具體，更精細(xì)化，盡管現(xiàn)在上海地鐵標(biāo)志已經(jīng)比較系統(tǒng)、全面，但是有一些復(fù)雜換乘的地鐵站點(diǎn)，如徐家匯站，有1號(hào)線、9號(hào)線、11號(hào)線三條線路，換乘相隔距離都較遠(yuǎn)，一旦走錯(cuò)，就會(huì)耽誤很多來(lái)回的時(shí)間。本文嘗試把全景地圖技術(shù)引入地鐵導(dǎo)航中，探究解決問(wèn)題的可能性。

一、 全景地圖技術(shù)

要運(yùn)用全景地圖技術(shù)，需要考慮到三方面的問(wèn)題：前期圖像采集、圖像拼接、數(shù)據(jù)處理。前期的圖像采集的本質(zhì)就是用360°真實(shí)照片來(lái)達(dá)到三維立體的感覺，這就需要車載全景采集器的方式進(jìn)行，主要由數(shù)碼相機(jī)、GPS接收機(jī)、時(shí)間同步器以及護(hù)罩四部分組成，前期采集工作需要滿足這些要求：（1）拍攝過(guò)程中要注意避免相機(jī)周圍有物體遮擋，把相機(jī)置于拍攝場(chǎng)景的中心位置；（2）為了讓相機(jī)能在水平方向自由旋轉(zhuǎn)，要讓相機(jī)的固定平臺(tái)支架盡可能的穩(wěn)固；（3）要防止拍攝過(guò)程中有動(dòng)態(tài)物體出現(xiàn)；（4）每張相鄰場(chǎng)景的照片為使拼接工作順利進(jìn)行，要保證至少30%的重疊部分；（5）拍攝的相機(jī)焦距避免使用短焦，中焦或長(zhǎng)焦都是比較合適的焦距選擇，并且全程就固定使用一種焦距。

全景圖像拼接的過(guò)程主要包括圖像序列獲取、選取投影模型、圖像配準(zhǔn)、圖像融合四個(gè)過(guò)程。在拼接工作進(jìn)行之前，先要選取合適的特征點(diǎn)，Harris、KLT、SIFT等都是目前常用的特征點(diǎn)，接著匹配相鄰的兩幅照片中的特征點(diǎn)，從而計(jì)算出圖像轉(zhuǎn)換的參數(shù)值，按照計(jì)算出的轉(zhuǎn)換規(guī)律來(lái)對(duì)整個(gè)全景圖像進(jìn)行排序。需要注意的是相鄰的兩幅圖像要有大于30%的視覺重疊部分，才能拼接在一起，具體的方法可采用模式識(shí)別法。

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作主要有：（1）需要制定全景圖像、空間定位數(shù)據(jù)與電子地圖的接口規(guī)范，全景圖像拼接采用基于區(qū)域的配準(zhǔn)和特征點(diǎn)匹配技術(shù)。（2）視角計(jì)算工作是保證用戶移動(dòng)視點(diǎn)中心線與過(guò)道方向一致，主要采用計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的正切值得出每個(gè)視點(diǎn)的視角。（3）圖像鏡像變換的目的是為了使對(duì)應(yīng)的多面體內(nèi)部被拼接完成的全景圖像所投影，接著利用紋理映射的方式將全景圖像投射到多面體上。

二、 相機(jī)標(biāo)定技術(shù)

相機(jī)的標(biāo)定工作目的是為了避免完成的全景圖像出現(xiàn)扭曲、錯(cuò)位的情況。目前常用的拼接技術(shù)主要有：傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法、相機(jī)自標(biāo)定法以及主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法。使用傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法需要精確的標(biāo)定物，根據(jù)二維或三維的標(biāo)定物，標(biāo)定結(jié)果精度易保證，但標(biāo)定物尤其是三維的標(biāo)定物制作精度要求很高；相機(jī)自標(biāo)定法不需要標(biāo)定物，主要依靠多幅圖像間所對(duì)應(yīng)的關(guān)系來(lái)求解攝像機(jī)內(nèi)的參數(shù)，主要依靠的方式就是優(yōu)化算法，但是得到的標(biāo)定結(jié)果不一定能獲得最優(yōu)解，方法雖靈活性較強(qiáng)，相機(jī)可實(shí)現(xiàn)在線定標(biāo)，但是其算法魯棒性差，運(yùn)動(dòng)約束性強(qiáng)，不實(shí)用；基于主動(dòng)視覺的相機(jī)標(biāo)定法需要相機(jī)來(lái)做特殊的運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出相機(jī)內(nèi)部的參數(shù)，雖然算法簡(jiǎn)單，但是試驗(yàn)成本很高，其約束力強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用中較困難。

三、 OpenGLES庫(kù)

為了迎合全景地圖能使用智能手機(jī)進(jìn)行瀏覽，可以利用Android中自帶的OpenGLES庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)360度全景觀賞功能，OpenGLES 是（OpenGL for Embedded Systems）三維圖形的子集，其計(jì)算基于三角形，我們可以利用三角形組成多邊形。為了實(shí)現(xiàn)地鐵場(chǎng)景360 度展示效果，技術(shù)原理就是將曲面拆分為三角形，這樣做的原因是根據(jù)OpenGLES紋理規(guī)律，三點(diǎn)坐標(biāo)是最容易對(duì)齊所貼材質(zhì)的形狀和位置的。將事先拍攝好的紋理圖片按照這個(gè)規(guī)律按次序貼到球形的內(nèi)部，完成所攝場(chǎng)景的全景圖像拼接工作。

四、目前已完成工作及展望

全景地圖技術(shù)的應(yīng)用是今后地理與場(chǎng)景展示的熱點(diǎn)方向，包括了Graphic處理技術(shù)、通訊技術(shù)、空間信息技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)等。全景地圖的實(shí)現(xiàn)從一定意義上不僅能為公眾的出行提供了便利，而且地鐵實(shí)景數(shù)據(jù)模型可以對(duì)地鐵發(fā)展有完備的記錄，有利于用來(lái)分析地鐵變化、標(biāo)識(shí)建設(shè)，而未來(lái)能實(shí)現(xiàn)全景視頻技術(shù)，將帶給用戶更流暢的視覺感受。

現(xiàn)已構(gòu)想界面如圖4.1：

圖4.1 界面效果圖

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作者簡(jiǎn)介：苗維超，女，1991.3，漢族，浙江紹興，本科，上海市公安部第三研究所，軟件工程師，界面設(shè)計(jì)與安防技術(shù)領(lǐng)域