基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)研究

鄭菲菲++宋麗紅++董靜

摘要：采用基于GPS和傳感器的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)以及高德地圖接口，設(shè)計和開發(fā)了導(dǎo)航系統(tǒng)。利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將路線指引和路況合成渲染，并利用手機(jī)傳感器使指引箭頭根據(jù)手機(jī)姿態(tài)的變化而旋轉(zhuǎn)，實時指向正確的前進(jìn)方向，給予用戶更加直觀的導(dǎo)航體驗。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)；方向傳感器；Android系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161565

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009005703

基金項目基金項目：2015年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510070010）

作者簡介作者簡介：宋麗紅（1975-），女，天津人，博士，天津財經(jīng)大學(xué)理工學(xué)院副教授，研究方向為軟件工程、智能信息系統(tǒng)；董靜（1975-），女，天津人，博士，天津財經(jīng)大學(xué)理工學(xué)院講師，研究方向為軟件工程。

0引言

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是一種將虛擬物體和真實環(huán)境“無縫”疊加在一起的技術(shù)，將在現(xiàn)實世界一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息，如視覺信息、聲音、味道、觸覺等，通過電腦等技術(shù)模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而獲得超越現(xiàn)實的感官體驗[1]。相比于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR），增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)增強(qiáng)了人對真實環(huán)境的感知與交互，它具有以下3個特征：①虛實結(jié)合：將虛擬物體和現(xiàn)實世界結(jié)合在一起，實現(xiàn)感官上的統(tǒng)一；②三維注冊：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)與混合媒體（Mixed Media）的區(qū)分點，虛擬物體必須準(zhǔn)確地注冊到真實世界中，與真實世界完美融合，要求虛擬物體的注冊位置是三維的[2]；③實時交互：實時感知用戶操作并互動。

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)由于具有對真實環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究、精密儀器維修、古跡復(fù)原、娛樂與藝術(shù)等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[3]。

目前大多數(shù)智能手機(jī)的導(dǎo)航軟件都以2D或3D形式提供導(dǎo)航服務(wù)，但這些都是通過矢量數(shù)據(jù)來提供地圖導(dǎo)航，滿足不了用戶獲取實時交通路況的需求，用戶體驗較差。本文提出一種通過手機(jī)攝像頭獲取實時路況，通過高德地圖接口獲取導(dǎo)航信息，并利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將路線指引和路況合成渲染，以提供更加直觀的導(dǎo)航系統(tǒng)。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在智能手機(jī)客戶端有兩種實現(xiàn)方式：

（1）基于視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)。它的識別方式分為基于標(biāo)志（Marker Based）和非基于標(biāo)志（Markerless）兩種。其中，基于標(biāo)志的識別又分為固定模板類和自定義模板類。

基于標(biāo)志的主要代表是ARToolKit，其為采用C/C++ 語言編寫的庫。主要原理是預(yù)先將標(biāo)志（Marker）圖像信息保存，通過圖像識別技術(shù)將當(dāng)前圖像中的標(biāo)志圖像識別出來，然后在標(biāo)識圖像上疊加信息[4]。效果如圖1和圖2所示。

圖1標(biāo)志圖像圖2疊加的立方體

目前，增強(qiáng)現(xiàn)實瀏覽器魔眼（Junaio）和Trading Card游戲等都采用了這種技術(shù)。但這種模板匹配方式的誤識別率較高，一旦標(biāo)志被遮擋將導(dǎo)致跟蹤失敗，所以不適合運用于戶外導(dǎo)航。

非基于標(biāo)志的主要代表是PTAM（Parallel Tracking and Mapping），其主要原理是從攝影圖像上捕捉特征點，檢測出平面，在上面建立虛擬的3D坐標(biāo)，然后合成攝影圖像和動畫。其特點在于立體平面的檢測和圖像的合成采用并行處理方式[5]。

（2）基于智能手機(jī)上的GPS和傳感器的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)。通過GPS獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和高度，通過方向傳感（Orientation Sensor）獲取面向的方向和傾斜的角度，然后根據(jù)這些位置信息疊加相關(guān)信息[4]。目前荷蘭SPRXmobile公司研發(fā)設(shè)計的增強(qiáng)現(xiàn)實手機(jī)瀏覽器Layar、Wikitude公司開發(fā)的Wikitude drive與Wikitude World Browser等都基于這種技術(shù)。

本文采用基于智能手機(jī)的GPS和傳感器的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)戶外導(dǎo)航系統(tǒng)功能。

1.2Android手機(jī)傳感器原理

目前大多數(shù)Android智能手機(jī)都配備有測量運動、方向和環(huán)境的傳感器。包括：加速度傳感器、磁力傳感器、方向傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等[6]。

本系統(tǒng)主要采用方向傳感器。當(dāng)設(shè)備保持默認(rèn)方向時（見圖3），X軸指向屏幕面板的外部，Y軸水平向右，Z軸垂直向上。在方向傳感器SensorEvent類中的Values的3個值分別對應(yīng)3個坐標(biāo)軸的角度數(shù)據(jù)，含義如下[7]：

Values[0]：方向角的大小，也就是手機(jī)繞著X軸旋轉(zhuǎn)的角度。Values[0]的取值范圍為0～360。0或360表示手機(jī)朝向正北；90表示手機(jī)朝向正東；180表示手機(jī)朝向正南；270表示手機(jī)朝向正西。

Values[1]：傾斜角的大小，也就是手機(jī)繞著Y軸旋轉(zhuǎn)的角度。Values[1]的取值范圍為-180～180。當(dāng)手機(jī)屏幕朝上水平放置時，Values[1]的值為0；將手機(jī)頭部抬起，繞Y軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)手機(jī)屏幕朝下水平放置時，Values[1]的值為180；將手機(jī)尾部抬起，繞Y軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)手機(jī)屏幕朝下水平放置時，Values[1]的值為-180[6]。

Values[2]：側(cè)翻角大小，也就是手機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。Values[2]的取值范圍為-90～90。當(dāng)手機(jī)水平放置時，Values[2]的值為0；當(dāng)手機(jī)屏幕面向左側(cè)時，Values[2]的值為-90；當(dāng)手機(jī)屏幕面向右側(cè)時，Values[2]的值為90。

1.3Android定位原理

本系統(tǒng)使用Android手機(jī)自帶的GPS進(jìn)行粗略定位，同時也使用高德地圖提供的定位SDK進(jìn)行精確定位。定位的基本原理：當(dāng)應(yīng)用程序向定位SDK發(fā)起定位請求時， 定位SDK會根據(jù)當(dāng)前的GPS、WiFi信息生成相對應(yīng)的定位依據(jù)。如果需要， 定位SDK也會向定位服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，然后根據(jù)請求的定位依據(jù)推算出對應(yīng)的坐標(biāo)位置，生成定位結(jié)果后返回給定位SDK[8]。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)流程如圖4所示。

2.2地圖定位

在MainActivity中調(diào)用高德地圖的地圖SDK和定位SDK。首先進(jìn)行地圖初始化，加載地圖，通過LocationManagerProxy每隔固定時間發(fā)起一次定位請求。再通過OnLocationChangedListener中onLocationChanged（）方法使用aMapLocation.getLatitude（）和aMapLocation.getLongitude（）獲得經(jīng)緯度；AMapLocation.getExtras（） 方法獲取位置的描述信息，包括省、市、區(qū)以及街道信息，并以空格分隔。最后將地圖中心定位到該位置。地圖可進(jìn)行縮放。運行效果如圖5所示。

2.3路線規(guī)劃

點擊圖5中的出發(fā)按鈕，跳轉(zhuǎn)到RouteActivity進(jìn)行路線規(guī)劃。路線規(guī)劃有3種模式可以選擇，分別為公交模式、駕車模式、步行模式。為了便于測試，我們只選擇步行模式?？梢赃x擇輸入起點和終點或者在地圖上點擊起點和終點。為了提高精確度，對起點和終點附近的興趣點進(jìn)行搜索，并顯示在ListView上讓用戶點擊確認(rèn)。界面如圖6所示。以起點為例，點擊確認(rèn)后，通過RouteSearchPoiDialog獲得startpoiItem，再通過startpoiItem.getLatLonPoint（）方法轉(zhuǎn)換成起點的經(jīng)緯度。獲得起點和終點的經(jīng)緯度，用searchRouteResult（LatLonPoint startPoint，LatLonPoint endPoint）方法進(jìn)行路徑規(guī)劃。再通過回調(diào)方法onWalkRouteSearched（）獲取路徑WalkPath，并將路徑的節(jié)點WalkRouteOverlay覆蓋在地圖上，運行效果如圖7所示。

2.4增強(qiáng)現(xiàn)實導(dǎo)航

通過路徑規(guī)劃獲取路徑WalkPath，路徑節(jié)點列表由walkPath.getSteps（） 獲得。通過Intent將其傳遞到NaviActivity中。

在NaviActivity中先開啟攝像頭，創(chuàng)建一個相機(jī)預(yù)覽的類cameraPreview，繼承SurfaceView類，并實現(xiàn)SurfaceHolder接口。SurfaceHolder.Callback（）方法進(jìn)行預(yù)覽。然后根據(jù)Intent傳遞過來的stepList，通過stepList.get（i）.getAction（）可獲取一個節(jié)點的導(dǎo)航信息。根據(jù)其判斷加載直行箭頭、左轉(zhuǎn)箭頭或者右轉(zhuǎn)箭頭（箭頭通過Android的Graphics類繪制而成）。本次測試中獲取的第一個節(jié)點導(dǎo)航信息是左轉(zhuǎn)，所以加載左轉(zhuǎn)箭頭，并用TextView將詳細(xì)的導(dǎo)航信息顯示出來，效果如圖8所示。

2.5傳感器實時導(dǎo)航

從圖8可以看出預(yù)先設(shè)定的預(yù)覽屏幕是橫屏，但是用戶在導(dǎo)航過程中不可能將手機(jī)姿態(tài)一直保持水平狀態(tài)，所以需要利用手機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)，使箭頭根據(jù)手機(jī)姿態(tài)的變化而旋轉(zhuǎn)，實時指向正確的前進(jìn)方向。首先要注冊和監(jiān)聽方向傳感器，當(dāng)傳感器變化時，在SensorEventListener中獲取傳感器變化的參數(shù)數(shù)組。調(diào)用SensorManager.getRotationMatrix方法獲取旋轉(zhuǎn)矩陣，然后調(diào)用 SensorManager.getOrientation方法獲取有手機(jī)方位信息的參數(shù)數(shù)組。將數(shù)組轉(zhuǎn)為角度信息，對應(yīng)圖3的X、Y、Z軸信息。把數(shù)組回調(diào)給繪制箭頭的類ArrowView，控制箭頭的旋轉(zhuǎn)。手機(jī)橫屏旋轉(zhuǎn)后的效果如圖9和圖10所示。

最后當(dāng)用戶接近路徑的下一個節(jié)點時，用Android定時器對導(dǎo)航信息和箭頭進(jìn)行刷新。

3結(jié)語

本系統(tǒng)在Android平臺下，采用高德地圖接口實現(xiàn)地圖定位和路線規(guī)劃功能，并采用基于GPS和方向傳感器的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將指引箭頭和路況合成渲染，給予用戶更直觀的導(dǎo)航體驗。

圖9手機(jī)旋轉(zhuǎn)45度圖10手機(jī)旋轉(zhuǎn)90度

本系統(tǒng)還可擴(kuò)展到大型場所的室內(nèi)導(dǎo)航，也可以把景點作為興趣點應(yīng)用于旅游景區(qū)導(dǎo)航。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]增強(qiáng)現(xiàn)實[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/c1ce3cb271fe 910ef12df8d2.html.

[2]張振穎.增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用與研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[3]白慧東.嵌入式增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[4]曾浩.基于Android平臺的增強(qiáng)現(xiàn)實導(dǎo)航軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[5]孫俊.虛擬物體與視頻圖像融合算法在交通事故再現(xiàn)中的研究[D].南京：東南大學(xué)，2013.

[6]江亞炬.基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].青島：中國海洋大學(xué)，2014.

[7]RAGHAVSOOD.Pro Android Augmented Reality[M].America，Apress，2012.

[8]烏錚.基于Android平臺的手游社交應(yīng)用客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）